0532-83131202
本发明属于污染场地土壤物化修复设备技术领域，尤其涉及针对高浓度有机氯农药污染场地土壤修复时用到的多元增效洗脱集成设备及其修复方法。
近年来，随着我国城市化进程和产业转移步伐的加快，以及国家“退二进三”“退城进园”等政策的实施，出现了大批由有机氯农药(滴滴涕、六六六、氯丹、灭蚁灵、硫丹、七氯等)生产企业，因关闭或搬迁导致的高浓度有机氯农药污染场地。此类污染场地大多分布在城市老城区或城镇接合部，正面临着急切的用地功能转换和二次开发利用，如:改造为商业用地、居民住宅或公共休闲场所等。残存在这些场地土壤中的高浓度有机氯农药，将成为“化学定时炸弹”，严重威胁人体健康、环境安全和社会民生，已成为当前亟需解决的土壤环境问题。增效洗脱修复技术因其修复效率高、周期短、成本低等特点，被认为是针对此类污染场地土壤修复的一种有效手段，然而目前我国可供选择的洗脱修复设备则相对较少，设备集成性较差，因而研发我国自主知识产权的配套场地土壤增效洗脱修复集成设备尤为迫切。
目前国内场地土壤洗脱修复设备专利申请主要有:重金属污染土壤淋洗实验装置(申请号:CN1和CN0)，但该类设备仅针对重金属污染土壤的原位淋洗修复，不适用于有机氯污染场地土壤的修复工作；针对有机污染场地土壤修复设备的专利申请(申请号:CN5)，该设备虽嵌合了搅拌、超声和微波的强化技术，但该设备其竖直式单叶片搅拌刀片难以在短时间内将泥浆体系搅拌均匀；其超声发射器仅安装在竖直式搅拌腔体底部，未能直接接触泥浆体系，大大损耗了超声技术的强化效应；其微波强化技术，存在泄露的风险，并且设备搅拌腔体材料的使用有特殊的要求，即不能使用金属材料，只能用整块聚四氟材料磨具打磨，后续放大操作环节存在一定技术难度和安全隐患。
现有洗脱设备存在的主要缺陷是:(I)缺乏专一性针对高浓度有机氯农药污染场地土壤的异位洗脱修复设备和于此设备配套的针对性洗脱试剂联用方式；(2)已有洗脱设备嵌合的强化技术整体集成性和协同性较差，未能充分发挥嵌合强化手段的最优效果；(3)已有设备大多为实验室尺度的仪器，存在设备放大的技术瓶颈和成本昂贵等问题，难以在短期内广泛推广。
缺陷产生的主要原因有:(1)随着我国“退二进三” “退城进园”等政策在全国范围内的广泛实施，出现了大批由有机氯农药生产企业因关闭或搬迁导致的高浓度有机氯农药污染场地土壤，而前期科技人员对此类污染土壤增效洗脱修复技术多侧重于实验室的理论研究，解决实际污染问题的设备研发则相对进展较慢；(2)已有修复设备主要针对我国原先污染情况严重的工矿业等重金属污染场地土壤，而针对有机氯农药类污染场地土壤的关注近年来才逐渐加强，因而相应配套修复设备的研发未能及时跟进；(3)国内虽研发了针对广谱性有机污染场地土壤的增效洗脱修复设备，但集成性较差，设计欠合理，离实际场地运用还很遥远。
因此，研发合理嵌合多元增效强化技术，同时高效洗脱去除污染物质以及专门针对我国有机氯农药场地土壤污染实情的集成洗脱修复设备，具有十分重要的社会价值和科学意义。发明内容
解决的技术问题:本发明针对上述现有技术缺陷，提供一套用于高浓度有机氯农药污染场地土壤多元异位洗脱修复集成设备和修复方法。该设备对于不同特性(有机氯农药物质种类、土壤污染事件、土壤污染浓度、土壤有机质含量、土壤质地等差异)的有机氯农药类场地土壤，具备极强的修复广谱性，单次或多次连续洗脱去除率较高( 85%);该设备可与前期已获授权的专利洗脱剂(授权专利号:ZL0.2)形成良好的配套技术，专门针对解决我国有机氯农药场地污染实情而研发；该设备制造过程中，依据搅拌、超声和加热等多元强化组件产生的协同效应参数条件优化设计，布局科学合理，体现出多元强化组件的优化集成性。
技术方案:用于有机氯农药污染土壤多元异位修复设备，包括搅拌装置、洗脱剂注入装置、洗脱剂回收装置、超声发生器和加热器；所述搅拌装置包括搅拌腔体、螺旋搅拌器和气动球阀；所述搅拌腔体上设有进料口，螺旋搅拌器设于搅拌腔体内并由电机驱动，气动球阀设于搅拌腔体远离电机的端面底部；所述洗脱剂注入装置包括至少两个洗脱剂注入器，其中至少一个洗脱剂注入器外覆有保温材料，上述洗脱剂注入装置设于搅拌腔体顶部；洗脱剂回收装置包括回收管和回收泵，所述回收管一端与回收泵连接，另一端活动连接于搅拌腔体上；加热器和超声发生器分布于搅拌腔体壁上。
所述搅拌腔体截面为半椭圆形，腔体上方设有罩合的挡泥板，进料口、洗脱剂注入装置的出口和洗脱剂回收装置的进口设于挡泥板上。
所述螺旋搅拌器的搅拌刀片与电机同轴设置，搅拌刀片直径为搅拌腔体高度的2/3。
所述搅拌腔体底边，以靠近气动球阀端为顶点，与水平线°倾角，以便减少搅拌洗脱时的死角并能顺利排出洗脱修复完成后的清洁土壤。
所述加热器包括电加热装置和保温材料，电加热装置和保温材料覆盖于搅拌腔体外壁上，搅拌腔体加热温度控制在20±2 50±2°C。
所述超声发射器包括一组超声波振头，超声波振头均匀分布在搅拌腔体内壁上，每个超声波振头的功率为2.5 5kW，超声波振头的分布密度为每平米4个。
所述修复设备还包括触摸屏式的人工智能电子操作平台，连接控制修复设备的全部组件。
b.修复体系设置:加入相当于土壤2 5倍体积的洗脱剂至搅拌器中，搅拌腔体体积与土
c.设定修复运行参数:螺旋搅拌速率为25-50rpm，温度为20±2 50±2°C，开启臭氧发生
d.洗脱完成:设备运行60min后，停止搅拌并静置，使用洗脱剂回收器将搅拌腔体中上层洗脱剂回收，而对下层土壤通过气动球阀排出，以板框压滤实现土水分离完成洗脱修复。
本发明的工作原理是:1、连续式螺旋条叶片在卧式搅拌腔体内侧最大程度将土壤颗粒和洗脱剂混合均匀，同时促使泥浆体系能受到均匀加热和超声振荡，最大程度的利用强化能源，提高洗脱效率；2、使用的专利技术的洗脱剂中(专利号:ZL0.2)，石油醚对土壤中有机氯农药类污染物具有极强的溶解性，正丙醇具有亲油亲水二重性，可显著促进污染物在不同洗脱剂相之间的分配；3、通过臭氧的氧化作用，降低土壤有机无机聚合体对有机氯农药的吸附作用，促进有机氯农药分子的解吸；4、该设备升温处理可显著提高污染物从土壤颗粒向洗脱剂中的解吸速率，同时该设备的保温措施也促使污染物的高效解吸过程在一定时间内得以维持，从而在整体上显著加快洗脱修复进程；5、该设备超声强化措施产生的空化效应与扰动效应可显著降低老化土壤中有机氯农药与土壤颗粒结合的紧实程度，促进土壤中紧密结合态的有机氯农药顺利解吸释放，从而在整体上显著提高洗脱效果；6、当同时施用升温保温技术和超声发射技术，并配套使用专利洗脱剂，土壤中总量有机氯农药洗脱去除率显著提高。
有益效果:本发明弥补了国内有机污染土壤增效洗脱修复设备的空白，针对高浓度有机氯农药场地土壤，提供一套多元异位土壤洗脱修复集成设备。其具有的主要优点是:1、该设备利用搅拌、温度控制、超声振荡及已授权专利洗脱剂(专利号:ZL0.2)，可对不同污染特性的有机氯农药污染场地土壤进行洗脱修复；2、对于有机氯农药总浓度大于IOOppm且小于IOOOppm污染土壤，I小时内单次洗脱修复总量去除率大于95%，修复成本相对较低，修复费用低于100元/吨土 ；3、对于有机氯农药总浓度大于IOOOppm且小于IOOOOppm污染土壤，2 3小时内多次洗脱修复总量去除率大于90%，修复成本相对较低，修复费用低于300元/吨土 ；4、对于有机氯农药总浓度大于IOOOOppm污染土壤,3 5小时内多次洗脱修复总量去除率大于85%，修复成本相对较低，修复费用低于500元/吨土 ；5、根据污染土壤性质不同，该设备日处理土方量约为2 8T。6、人工智能电子操作平台采用可视化触屏系统，连接该设备所有强化元件，操作简便，拆卸方便，整体设备移动性强.该设备对于我国大批因企业关闭搬迁导致的有机氯农药污染场地土壤修复市场具有广泛的运用前景。
图1为本发明设备结构示意图，I搅拌腔体、2螺旋搅拌器、3第一洗脱剂注入器、4第二洗脱剂注入器、5洗脱剂回收装置、6进料口、7气动球阀、8加热器、11电机；
图2为本发明设备在螺旋搅拌器轴向上的结构示意图，8加热器、9超声发射器、10热电偶测温装置和12臭氧管；
图4在螺旋刀片直径为腔体高度2/3的条件下，气动球阀排出口与水平线倾角对土壤中滴滴滴去除效率的影响；
图5在螺旋刀片直径为腔体高度2/3和气动球阀排出口与水平线°的条件下，超声发射器在腔体外侧分布密度对土壤中滴滴滴去除效率的影响；
图6在螺旋刀片直径为腔体高度2/3，气动球阀排出口与水平线°，超声发射器在腔体外侧分布密度为4个/m3的条件下，不同臭氧发生量对苏州土壤中总量滴滴滴去除效率影响；
图7在螺旋刀片直径为腔体高度2/3，气动球阀排出口与水平线°，超声发射器在腔体外侧分布密度为4个/m3，50g/h O3生量的条件下，对土壤中总量滴滴滴去除效率的影响。
不以任何形式限制本发明的技术方案，凡是采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案均落在本发明的保护范围。
所用洗脱剂:5% 10%v/v沸程为60 90°C的石油醚、10%v/v正丙醇，余量为水。
用于有机氯农药污染土壤多元异位修复设备，包括搅拌装置、洗脱剂注入装置、洗脱剂回收装置5、超声发生器9和加热器8 ;所述搅拌装置包括搅拌腔体1、螺旋搅拌器2和不锈钢气动球阀7 ;所述搅拌腔体上设有进料口 6，螺旋搅拌器2设于搅拌腔体I内并由电机驱动，不锈钢气动球阀7设于搅拌腔体远离电机的端面底部；所述洗脱剂注入装置包括至少两个洗脱剂注入器，其中至少一个洗脱剂注入器外覆有保温材料，上述洗脱剂注入装置设于搅拌腔体顶部；洗脱剂回收装置5包括回收管和回收泵，所述回收管一端与回收泵连接，另一端活动连接于搅拌腔体上；加热器8和超声发生器9分布于搅拌腔体壁上。所述搅拌腔体截面为半椭圆形，腔体上方设有罩合的挡泥板，进料口 6、洗脱剂注入装置的出口和洗脱剂回收装置5的进口设于挡泥板上。所述螺旋搅拌器的搅拌刀片与电机同轴设置，搅拌刀片直径为搅拌腔体高度的2/3，刀片运行速率在25 50rpm。所述搅拌腔体底边，以靠近不锈钢气动球阀端为顶点，与水平线°倾角，以便排出洗脱修复完成后的清洁土壤。所述电机、不锈钢气动球阀、泥浆泵与搅拌腔体连接处密封。所述加热器8包括电加热装置和保温材料，电加热装置和保温材料覆盖于搅拌腔体外壁上，搅拌腔体加热温度控制在20±2 50±2°C。所述超声发射器9包括一组超声波振头，超声波振头均匀分布在搅拌腔体内壁上，分布密度为每平米4个，每个超声波振头的功率为2.5 5kW。所述搅拌腔体I还设有臭氧管12和热电偶测温装置10。该设备还包括触摸屏式的人工智能电子操作平台，连接控制修复设备的全部组件。搅拌腔体I整块增厚不锈钢板锻造而成，腔体上B-sport B体育官方网站方用长方形不锈钢挡泥板罩合，挡泥板上方分别设有一个敞开式污染土壤进料口 6。其中一个洗脱剂注入器3主体采用不锈钢和保温材料共同制成，具有对特定有机溶剂洗脱剂的贮存、保温、防冻和注入功能；另一个洗脱剂注入器4主体采用不锈钢制成，可在常温下对普通有机溶剂洗脱剂或表面活性剂洗脱剂进行贮存和注入。此两个洗脱剂注入器均垂直竖立在挡泥板上方，可人工调节不同洗脱剂注入量。洗脱剂回收装置5可根据洗脱修复完成后的液面高度调整回收管口嵌入洗脱剂距离。
利用所述设备修复有机氯农药污染土壤的方法，修复步骤为:a.土壤预处理:首先将污染场地土壤筛分至粒径约2_ ；b.修复体系设置:加入相当于土壤2 5倍体积的洗脱剂至搅拌器中，搅拌腔体体积与土壤-洗脱剂混合泥水的体积比不低于1.25 ；c.设定修复运行参数:螺旋搅拌速率为25 50rpm，温度为20±2 50±2°C，保持时间为60min ;开启超声发射器，每个超声波振头的功率为2.5 5kW，运行时间30min ；d.洗脱完成:设备运行60min后，停止搅拌并静置，使用洗脱剂回收器将搅拌腔体中上层洗脱剂回收，而对下层土壤通过不锈钢气动球阀排出，以板框压滤实现土水分离完成洗脱修复。
从图3中可知，当螺旋搅拌刀片直径占搅拌器腔体高度的1/3和1/2时，苏州土壤中总量滴滴滴去除率仅在53%-77%之间，这一结果是由于较低的螺旋刀片直径长度未能将搅拌器腔体内部的泥浆体系混合均匀，致使污染土壤没有能够与洗脱剂接触充分；当螺旋搅拌刀片直径占搅拌器腔体高度的2/3时，苏州土壤中总量滴滴滴去除率达到约85% ;当螺旋搅拌刀片直径占搅拌器腔体高度的4/5时，苏州土壤中总量滴滴滴去除率达到约88%，但通过数据的显著性差异分析，表明螺旋搅拌刀片直径占搅拌器腔体高度的2/3或4/5时，对于总量滴滴滴去除率并无显著性差异。综合考虑螺旋刀片直径对于污染物去除效率的影响和材料成本，选取螺旋搅拌刀片直径占搅拌器腔体高度的2/3作为最终刀片直径的长度。
从图4中可知，在螺旋刀片直径固定长度的条件下，当气动球阀排出口与水平线°时，苏州土壤中总量滴滴滴去除率也逐渐由79%上升90%，这一结果说明在一定的倾角范围内，随着倾角的增加，土壤在洗脱结束后可以更加顺利的排出腔体内部，从而提高目标污染物整体去除效率；但是当气动球阀排出口与水平线°时，苏州土壤中总量滴滴滴去除率却显著下降(p〈0.01)，逐渐由90%下降至70%，这一结果说明过高的倾角造成了搅拌器腔体内部一定的死角区域，不利于污染土壤与洗脱剂的充分混合反应，导致去除率不升反降。因而，综合考虑土壤中污染物去除效率的影响，在螺旋刀片直径固定长度的条件下，选取气动球阀排出口与水平线°的条件作为设备排出口的关键参数。
从图5中可知，在螺旋刀片直径为腔体高度2/3和气动球阀排出口与水平线°的条件下，随着超声发射器在腔体外侧分布密度逐渐由I个/m3上升至4个/m3时，苏州土壤中总量滴滴滴去除率也逐渐由约85%上升至约90% (p〈0.01)，这一结果说明在一定的超声强化范围内，随着超声发射器在腔体外侧分布密度的增加，土壤中总量滴滴滴去除率得到显著促进(P〈0.01)。但是随着超声发射器在腔体外侧分布密度由4个/m3上升至10个/m3时，土壤中总量滴滴滴去除率未有显著变化(p0.05)，说明过高的分布密度反而会造成超声波的自我消减作用，导致总量滴滴滴去除率不能持续增加。因而，综合考虑土壤中污染物去除效率的影响和施加超声发射器分布密度的成本，选取在螺旋刀片直径为腔体高度2/3和气动球阀排出口与水平线°的条件下，超声发射器分布密度为4个/m3作为超声强化的关键参数。
从图6中可知，在螺旋刀片直径为腔体高度2/3，气动球阀排出口与水平线°，超声发射器在腔体外侧分布密度为4个/m3的条件下，随着臭氧发生量由10g/h逐渐上升至50g/h时，苏州土壤中总量滴滴滴去除率也逐渐由约90%显著上升至约95%(p〈0.01)，这一结果说明在一定的臭氧发生范围，随着通入泥浆体系内的臭氧含量的增加，土壤中有机-无机组分与滴滴滴的结合力逐渐减小，更加有利于滴滴滴从土壤固相解吸迁移至洗脱液相中，从而提高了目标污染物的去除率；但随着臭氧发生量由50g/h逐渐上升至400g/h时，苏州土壤中总量滴滴滴去除率未显著增加，说明50g/的臭氧发生量已足够实现目标污染物增效去除的目的。因而，综合考虑土壤中污染物去除效率的影响和产生臭氧的成本，选取在螺旋刀片直径为腔体高度2/3，气动球阀排出口与水平线°，超声发射器在腔体外侧分布密度为4个/m3的条件下，产生臭氧产量50g/h作强化洗脱修复效率的关键参数。
从图7中可知，在螺旋刀片直径为腔体高度2/3，气动球阀排出口与水平线°，超声发射器在腔体外侧分布密度为4个/m3，50g/h的O3发生量条件下，50°C水浴环境的洗脱效率显著大于常温25°C水浴环境的洗脱效率(p〈0.01)，总量滴滴滴最大去除率约为99%。同时，在本参数的研究中，结合表I对于超声发射、臭氧发生和升温过程三元方差分析结果，发现:此3种因子对总量滴滴滴都具有显著的影响；温度因子对于总量滴滴滴去除率的影响权重 超声因子对于总量滴滴滴去除率的影响权重 臭氧因子对于总量滴滴滴去除率的影响权重；当同时使用此3种因子时具有对总量滴滴滴协同促进的显著优化效果(p〈0.01)。
1.用于有机氯农药污染土壤多元异位修复设备，其特征在于:包括搅拌装置、洗脱剂注入装置、洗脱剂回收装置(5)、超声发生器(9)和加热器(8);所述搅拌装置包括搅拌腔体(I)、螺旋搅拌器(2)和气动球阀(7);所述搅拌腔体上设有进料口(6)，螺旋搅拌器(2)设于搅拌腔体(I)内并由电机(11)驱动，气动球阀(7 )设于搅拌腔体远离电机的端面底部；所述洗脱剂注入装置包括至少两个洗脱剂注入器(3，4)，其中至少一个洗脱剂注入器外覆有保温材料，上述洗脱剂注入装置设于搅拌腔体顶部；洗脱剂回收装置(5)包括回收管和回收泵，所述回收管一端与回收泵连接，另一端活动连接于搅拌腔体上；加热器(8)和超声发生器(9 )分布于搅拌腔体壁上。
2.根据权利要求1所述的用于有机氯农药污染土壤多元异位修复设备，其特征在于所述搅拌腔体截面为半椭圆形，腔体上方设有罩合的挡泥板，进料口(6)、洗脱剂注入装置的出口和洗脱剂回收装置(5)的进口设于挡泥板上。
3.根据权利要求1所述的用于有机氯农药污染土壤多元异位修复设备，其特征在于所述螺旋搅拌器(2)的搅拌刀片与电机同轴设置，搅拌刀片直径为搅拌腔体高度的2/3。
4.根据权利要求1所述的用于有机氯农药污染土壤多元异位修复设备，其特征在于所述搅拌腔体底边，以靠近气动球阀端为顶点，与水平线所述的用于有机氯农药污染土壤多元异位修复设备，其特征在于所述电机、气动球阀与搅拌腔体连接处密封。
6.根据权利要求1所述的用于有机氯农药污染土壤多元异位修复设备，其特征在于所述加热器(8 )包括电加热装置和保温材料，电加热装置和保温材料覆盖于搅拌腔体外壁上，搅拌腔体加热温度控制在20 ±2 50 ±2 °C。
7.根据权利要求1所述的用于有机氯农药污染土壤多元异位修复设备，其特征在于所述超声发射器(9 )包括一组超声波振头，超声波振头均匀分布在搅拌腔体内壁上，每个超声波振头的功率为2.5飞kW，超声波振头的分布密度为每平米4个。
8.根据权利要求1所述的用于有机氯农药污染土壤多元异位修复设备，其特征在于所述搅拌腔体(I)还设有臭氧管(12 )和热电偶测温装置(10 )。
9.根据权利要求1所述的用于有机氯农药污染土壤多元异位修复设备，其特征在于还包括触摸屏式的人工智能电子操作平台，连接控制修复设备的全部组件。
10.利用权利要求1所述设备修复有机氯农药污染土壤的方法，其特征在于修复步骤为: a.土壤预处理:首先将污染场地土壤筛分至粒径约2 mm； b.修复体系设置:加入相当于土壤2飞倍体积的洗脱剂至搅拌器中，搅拌腔体体积与土壤-洗脱剂混合泥水的体积比不低于1.25 ； c.设定修复运行参数:螺旋搅拌速率为25-50rpm，温度为20±2 50±2°C，开启臭氧发生器，保持时间为60 min ;开启超声发射器，运行时间30 min ； d.洗脱完成:设备运行60min后，停止搅拌并静置，使用洗脱剂回收器将搅拌腔体中上层洗脱剂回收，而对下层土壤通过气动球阀排出，以板框压滤实现土水分离完成洗脱修复。
全文摘要用于有机氯农药污染土壤多元异位修复设备及方法，属于污染场地土壤物化修复设备技术领域，包括搅拌装置、洗脱剂注入装置、洗脱剂回收装置、超声发生器和加热器。该设备对于不同特性(有机氯农药物质种类、土壤污染事件、土壤污染浓度、土壤有机质含量、土壤质地等差异)的有机氯农药类场地土壤，具备极强的修复广谱性，单次或多次连续洗脱去除率较高(≥85%)；该设备可与专利洗脱剂(ZL0.2)形成良好的配套技术，专门针对解决我国有机氯农药场地污染实情而研发；该设备制造过程中，依据搅拌、超声和加热等多元强化组件产生的协同效应参数条件优化设计，布局科学合理，体现出多元强化组件的优化集成性。
发明者杨兴伦, 叶茂, 蒋新, 卞永荣, 谷成刚, 王芳, 宋洋, 魏海江, 王静婷 申请人:中国科学院南京土壤研究所
技术研发人员：杨兴伦;叶茂;蒋新;卞永荣;谷成刚;王芳;宋洋;魏海江;王静婷
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1.环境污染控制：环境污染物的高级氧化去除及转化机制 2.环境计算化学：典型污染物的环境相关物性参数预测及构效关系研究
主要从事海洋生物医药及海洋污染物的微生物修复研究。 （1）海洋微生物中筛选免疫活性物质，用于抗氧化保健品以及抗肿瘤药物的开发。 （2）开展石油烃降解菌的基因组学、转录组以及代谢组和关键酶基因研究，分析其降解石油烃途径。利用分子生物学和生物信息学技术开展与海洋环境污染治理和修复相关的微生物分子数据
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