环境污染的物理修复原理

环境修复原理与技术第二章环境污染的物理修复原理环境修复原理与技术2.1.1物理修复的概念修复：Remediation环境意义上的修复是指对被污染的环境采取物理、化学与生物学技术措施，使存在于环境中的污染物质浓度减少或毒性降低或完全无害化。物理修复：污染环境的物理修复过程主要利用污染物与环境之间各种物理特性的差异，达到将污染物从环境从去除、分离的目的。环境修复原理与技术2.1.2物理修复的特点物理修复具有高效、快捷、积极、修复时间较短、操作简便、对周围环境干扰少、对污染物的性质和浓度不是很敏感等特点，所以应用范围很广，近年来物理修复在污染土壤的治理方面得到了较大的发展。但相对与近年来迅速发展的生物修复技术也暴露出不少缺点：修复效果不尽人意、所需费用较高、耗人力物力较多、有可能引起二次污染等环境修复原理与技术2.2物理修复的技术类型根据处理对象的位置是否改变分为：原位物理修复原位物理修复更为经济有效：对污染物就地处置，使之得以降解和解毒，不需要建设昂贵的地面环境工程基础设施和远程运输，操作维护起来比较简单，还有一个优点就是可以对深层次污染的土壤进行修复。异位物理修复，与原位物理修复技术相比，异位物理修复技术的环境风险较低，系统处理的预测性高于原位物理修复。环境修复原理与技术5种物理修复技术基本物理分离修复1蒸汽浸提修复2固定/稳定化修复3电动力学修复4热力学修复5环境修复原理与技术2.3基本物理分离修复环境修复原理与技术2.3.1物理分离修复概述在化学、采矿和选矿工业中应用了几十年。主要是基于介质及污染物的物理特征而采用不同的操作方法：①依据粒径大小，采用过滤或微过滤的方法进行分离；②依据分布、密度大小，采用沉淀或离心分离；③依据磁性有无或大小，采用磁分离的手段；④根据表面特性，采用浮选法进行分离。环境修复原理与技术①针对不同土壤颗粒粒级（如粗砂、细砂和薪粒等）、粒径或形状，可通过不同大小、形状网格的筛子（如格筛、振动筛）进行分离（图2-1)；图2-1污染土壤的物理分离修复过程2.3.2物理分离修复过程环境修复原理与技术②依据颗粒水动力学原理，将不同密度的颗粒，通过其重力作用导致的不同沉降、沉淀速率进行分离；③根据颗粒表面特性的不同，采用浮选法，将其中一些颗粒吸引到目标泡沫上进行分离；④一些物质具有磁性，或者污染物本身具有磁感应效应，尤其是一些重金属，可采用磁分离法进行分离。物理分离技术通常需要挖掘土壤，因此修复工作所耗费的时间取决于设备的处理速度和待处理土壤的体积。通常，都是在流动的单元内原位开展修复工程，它的修复能力是每天能处理9～450m3的土壤。环境修复原理与技术2.3.3物理分离修复原理(1)粒径分离筛分：根据颗粒直径分离固体①干筛分图2-2滚筒筛设备示意图环境修复原理与技术②湿筛分图2-3跳汰式湿筛分工艺示意图环境修复原理与技术一般来说，采用湿筛分技术要遵循以下原则：a.当大量重金属以颗粒状存在时，特别推荐采用湿筛分方式。此时，湿筛分手段能够使土壤无害化，而不需要进一步的处理；同时，应用少量的化学试剂就将废液中重金属颗粒的体积减少到一定预期水平。b.如果接下来的化学处理需要水，如采用土壤清洗或淋洗技术，那么也推荐用湿筛分技术。c.如果处理得到的重金属可以循环再利用或废液不需要很多的化学处理试剂，也适合采用湿筛分方法。环境修复原理与技术③筛分前的预处理：摩擦—洗涤摩擦洗涤器摩擦洗涤器能够打碎土壤团聚体结构，将氧化物或其他胶膜从土壤胶体上洗下来。环境修复原理与技术(2)水动力学分离水动力学分离，或粒度分级，是基于颗粒在流体中的移动速度将其分成两部分或多部分的分离技术。颗粒在流体中的移动速度取决于颗粒大小、密度和形状。可以通过强化流体在与颗粒运动方向相反的方向上的运动，提高分离效率。环境修复原理与技术①淘选机②机械粒度分级机图2-4螺旋分级机或“沙螺旋”的工作原理示意图环境修复原理与技术③水力旋风分离器图2-5水力旋风除尘器示意图环境修复原理与技术(3)密度（或重力）分离基于物质密度，采用重力富集方式分离颗粒。在重力和其他一种或多种与重力方向相反的作用力的同时作用下，不同密度的颗粒产生的运动行为也有所不同。尽管密度不同是重力分离的主要标准，但是颗粒大小和形状也影响分离。一般情况下，重力分离对粗颗粒比较有效。环境修复原理与技术a.振动筛原工作理示意图b.螺旋富集器横断面c.摇床工作原理示意图a.振动筛原工作理示意图b.螺旋富集器横断面c.摇床工作原理示意图图2-6重力分离设备工作原理示意图环境修复原理与技术(4)脱水分离①过滤和压滤图2-7自动板框压滤机工作原理示意图1．主梁2．滤布3．固定压板4．滤板5．池框6．活动压板7．压紧机构8．洗刷槽环境修复原理与技术②沉淀③离心图2-8一种圆筒型离心机构造及工作原理示意图环境修复原理与技术技术过滤压滤离心沉淀基本原理及影响通过多孔介质；压缩流体通过可认为重力沉降；重力沉降；犁镜、因素取决于颗粒粒径渗透的多孔介质；颗粒粒径粒径、形状、密度以及流体密度形状、密度和流体密度，可以借助浮选剂技术优点操作简单，分离可具有较高的选择性可处理难以泵送的泥浆物质，处理国的固体含水量比较低处理能力较大，速度较高设备简单、便宜，处理能力较大局限性序批式操作特性，清晰较为困难需要高压力，有时增加流体的阻力价格较贵，设备结构复杂慢设备类型举例转鼓、转盘、水平过滤器序批式操作、需要持续的压力固体沉降容器、离心多孔筐圆筒形连续粒度分级机、耙、溢流设备、刮板、深锥形浓集器典型的实验室规模设备真空过滤器、压滤机压滤机、压力设备工作台或落地离心分离机圆筒形管、有倾口容器、浮选剂脱水分离修复的主要技术特征总结环境修复原理与技术(5)泡沫浮选分离浮选的基本原理固体废物根据表面性质可分为：极性与非极性a.非极性颗粒表面吸附的水分子少而稀疏，水化膜薄而易破裂。－疏水性－易与气泡结合b.极性颗粒表面吸附的水分子量大而密集，水化膜后而难破裂。－亲水性－难与气泡结合捕收剂：使预浮的废物颗粒表面疏水，增加可浮性，使其易于向气泡附着。环境修复原理与技术图2-9机械搅拌式浮选机构造及工作原理示意图环境修复原理与技术(6)磁力分选利用固体废物中各种物质的磁性差异来实现分离。环境修复原理与技术(7)电力分选利用固体废物中各种组分的导电性的不同实现分离环境修复原理与技术物理分离修复技术的主要属性小结（一）技术种类粒径分离（筛选）水动力学分析（分类）密度分离（重力）泡沫浮选分离磁分离技术优点设备简单，费用低廉，可持续高处理产出设备简单，费用低廉，可持续高处理产出设备简单，费用低廉，可持续高处理产出尤其适合细粒级的处理如果采用高梯度的磁场，可以恢复较宽范围的污染介质局限性筛子可能会被塞住，细格筛很容易损坏，干筛过程产生粉尘当土壤中有较大比例的粘粒，粉粒和腐殖质存在时很难操作当土壤中有较大比例的粘粒，粉粒和腐殖质存在时很难操作颗粒必须以较低的浓度存在处理费用比较高所需设备筛子，过滤器，矿石筛（湿或干）澄清池，沟析器，水力旋风器振荡床，螺旋浓缩器空气悬浮室或塔电磁装置，磁过滤器环境修复原理与技术物理分离修复技术的主要属性小结（二）分离过程粒度范围/μm粒径分离干筛分3000湿筛分150水动力学分离淘选机50水力旋风分离器5~15机械粒度分级机5~100密度分离振动筛150螺旋富集器75~3000摇床75~3000比目床5~100泡沫浮选5~500环境修复原理与技术2.3.4物理分离修复技术应用物理分离技术主要应用在污染土壤中无机污染物的修复技术上，它最适合用来处理小范围射击场污染的土壤，从土壤、沉积物、废渣中分离重金属、清洁土壤、恢复土壤正常功能。大多数物理分离修复技术都有设备简单，费用低廉，可持续高产出等优点，但是在具体分离过程中，其技术的可行性，要考虑各种因素的影响。物理分离技术在应用过程中还有许多局限性，比如用粒径分离时易塞住或损坏筛子；用水动力学分离和重力分离时，当土壤中有较大比例的黏粒、粉粒和腐殖质存在时很难操作；用磁分离时处理费用比较高等。这些局限性决定了物理分离修复技术只能在小范围内应用，不能被广泛的推广。环境修复原理与技术2.4蒸气浸提修复原理环境修复原理与技术2.4.1蒸气浸提修复概述蒸气浸提技术是指通过降低土壤空隙蒸汽压，把土壤中的污染物转化为蒸汽形式而加以去除的技术，是利用物理方法去除不饱和土壤中挥发性有机组分（VOCs）污染的一种修复技术。该技术适用处理污染物为高挥发性化学成分，如汽油、苯和四氯乙烯等环境污染。环境修复原理与技术土壤蒸气浸提(SVE)利用真空泵产生负压驱使空气流过污染的土壤孔隙而解吸并夹带有机组分流向抽取井，最终于地上进行处理。为增加压力梯度和空气流速，很多情况下在污染土壤中也安装若干空气注射井。环境修复原理与技术蒸气浸提研究另一个重要的方向是原位空气注射技术，该技术将土壤蒸气浸提技术的应用范围拓展到对饱和层土壤及地下水有机污染的修复。操作上用空气注入地下水，空气上升后将对地下水及水分饱和层土壤中有机组分产生挥发、解吸及生物降解作用，之后空气流将携带这些有机组分继续上升至不饱和层土壤，在那里通过常规的SVE系统回收有机污染物。尽管原位空气注射技术使用不过十年时间，但因其高效、低成本的修复优点，使之正在取代泵抽取地下水的常规修复手段。环境修复原理与技术3.4.2蒸气浸提修复原理（1）原位土壤蒸气浸提技术（深层）原位土壤蒸汽浸提技术是利用真空通过布置在不饱和土壤层中的提取井向土壤中导人气流，气流经过土壤时，挥发性和半挥发性的有机物挥发随空气进入真空井，气流经过之后，土壤得到修复。根据受污染地区的实际地形、钻探条件或者其他现场具体因素的不同，可选用垂直或水平提取井进行修复环境修复原理与技术图2-11原位土壤蒸汽浸提修复技术的系统示意图尾气处理污染土壤气流气流尾气排放鼓风机提取井尾气处理污染土壤气流气流尾气排放尾气排放鼓风机提取井环境修复原理与技术（2）异位土壤蒸气浸提技术（浅层）异位土壤蒸气浸提技术是指利用真空通过布置在堆积着的污染土壤中开有狭缝的管道网络向土壤中引入气流，促使挥发性和半挥发性的污染物挥发进入土壤中的清洁空气流，进而被提取脱离土壤。这项技术还包括尾气处理系统。环境修复原理与技术尾气处理尾气排放鼓风机浓缩收集池污染土壤提取管尾气处理尾气排放鼓风机浓缩收集池污染土壤提取管图2-12异位土壤蒸汽浸提修复技术的系统示意图环境修复原理与技术蒸气浸提技术的主要优点包括：①能够原位操作，比较简单，对周围的干扰能够限定在尽可能小的范围之内；②非常有效地去除挥发性有机物；③在可接受的成本范围之内能够处理尽可能多的受污染的土壤；④系统容易安装和转移；⑤容易与其他技术组合使用。在美国，蒸气浸提技术几乎已经成为修复受加油站污染的地下水和土壤的“标准”技术。环境修复原理与技术3.4.3蒸气浸提修复技术应用浸提技术主要用于挥发性有机卤代物和非卤代物的修复，通常应用的污染物是那些亨利系数大于0.01或蒸汽压大于66.66Pa的挥发性有机物，有时也应用于去除环境中的油类、重金属及其有机物、多环芳烃等污染物。一般来讲，原位蒸气浸提修复技术运行和维护所需时间由6～12个月不等，异位蒸气浸提技术通常每批污染土壤的处理需要4—6个月，而多相浸提修复技术运行周期在6个月和几年不等。环境修复原理与技术辅助手段－－压裂技术而对于渗透性较差的介质（如黏土、有机土壤和紧密的土体），蒸气浸提技术的应用受到了限制，水力和气动压裂技术正是用来对付这类土壤或沉积物的污染问题。水力压裂技术将高压水流、气动压裂技术将高压气体，通过注射井注入地下，也低渗透性介质中形成裂纹缝隙，从刷增加提取介质与污染物的接触面积．强化其他一些原位浸提技术的提取效果。通常，压裂技术用于帮助处理那些非水溶性液态物质，地下没有裂痕的情况下，这些物质通常是很难去除的。环境修复原理与技术经验表明，限制土壤蒸气浸提技术应用效果的因素主要有：①下层土壤的异质性会引起气流分配的不均匀；②低渗透性的土壤难于进