專利名稱：從細粒狀土壤、粘土和粉砂中去除污染物的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于從細粒狀土壤、粘土粉砂和沉積物顆粒中有效地去除污染物的設(shè)備和方法。
圖2是碰撞室的側(cè)視圖。
圖3是碰撞室蓋的俯視圖。
圖4是碰撞室上三分之一部分的局部剖視圖。
圖5是圖2和4中示出的噴嘴和高壓射流組件的詳圖。
在任何的生產(chǎn)制造區(qū)域都可以發(fā)現(xiàn)受污染的土壤。制造、使用或存儲化學(xué)品或油料的公司經(jīng)常會碰到例如儲罐泄漏或在運輸中遺灑等溢灑事件。使用地下儲罐的服務(wù)站或其他設(shè)施經(jīng)常在儲罐的周圍造成污染，因為在裝罐的過程中會有一點泄漏或溢灑。
被溢灑所污染的土壤是許多不同大小的顆粒的組合體。受污染土壤顆粒的大小可以大至大石塊，小至粒徑非常小的細粉和粘土。
有關(guān)的環(huán)境清潔協(xié)議常常號召將污染土壤按大小分成不同的部分。這種分離的依據(jù)是尺寸較大的土壤顆粒更容易清潔。因此，使粒徑大于約0.6毫米的顆粒與更小的顆粒分離。
一般采用本領(lǐng)域中已知的常規(guī)方式清潔較大的顆粒。污染土壤中粒徑較小的部分被運往適當(dāng)?shù)膬Υ婧吞幹迷O(shè)施。
這種方法沒有清潔所有的受污染的土壤顆粒。標(biāo)準(zhǔn)的做法只是將受污染的細顆粒部分轉(zhuǎn)移到一個儲存這種顆粒的設(shè)施而已。有時，污染土壤被作為有害廢物處理。
粒徑大于.063毫米的沙子、砂礫和石頭比較容易清潔。較小的土壤顆粒更難以清潔，因此一般將這些顆粒從土壤中去除并作為有害的或特別的廢物處理。因此，土壤清潔涉及減小污染土壤的總體積從較大的土壤顆粒上除去污染物和雜質(zhì)，以及分離細顆粒以待處置。
用于運輸和存儲污染土壤和粘土的處理費用很高。用于這種污染土壤和粉砂的處置場所數(shù)量受到現(xiàn)有的適合這種處置的土地數(shù)量的限制。另外，由于希望將污染物保持在基本封閉的系統(tǒng)中，使污染物不能泄漏到鄰近的地下水床中，這進一步限制了處置和存儲的選擇。
利用表面活性劑、加熱或機械工藝如攪拌來清潔土壤中的較大顆粒是本領(lǐng)域熟知的技術(shù)。這些方法可以單獨使用或組合使用，通過它們可以將污染物轉(zhuǎn)移到清洗液中，后者可以用許多種方法得到進一步處理以除去或減少液體中的化學(xué)污染物。
土壤清潔(這里涉及沉積物、土壤、細粉、粘土和大顆粒的清潔)基于分離和優(yōu)化針對特定顆粒大小范圍的處理的原則。土壤清潔可以被應(yīng)用到存在污染物的廣泛的行業(yè)或項目中。
這些方法對于從直徑小于約0.6毫米的顆粒上去除污染物是無效的。因此，熟知的從土壤或沉積物上去除污染物的技術(shù)只對較大的土壤顆粒有效?，F(xiàn)有技術(shù)要求將受污染的土壤分成兩個獨立的物流，即較大的顆粒(直徑大于約0.5毫米)和細粉及粘土。
尺寸較大的顆?？梢杂脴?biāo)準(zhǔn)方法有效地進行清潔，清洗過的土壤可以在處理后安全地放回原地。細?；蛐∮诩s0.63毫米的顆粒不能用標(biāo)準(zhǔn)方法清潔。使該粒徑范圍中的顆粒從污染土壤的整體中分離出來，然后在適當(dāng)?shù)臋C構(gòu)中進行處理或儲存。
因此，現(xiàn)有的土壤清潔技術(shù)僅僅對于大土壤顆粒有效。根本不能清潔較小的顆粒，而僅僅是將它們轉(zhuǎn)移到一個存貯機構(gòu)，例如經(jīng)授權(quán)的有害廢物處理設(shè)施中。這需要場地所有者或操作者為污染顆粒的運輸和儲存支付高額費用。對于處理設(shè)施，也必須十分小心地建造和監(jiān)視，以防止發(fā)生從處理場所向地下水中的泄露。實質(zhì)上，這僅僅是將問題從原來的污染場所轉(zhuǎn)移到一個儲存設(shè)施中。對污染土壤的處理針對清潔細粒土壤材料而言并不是成功的。
本發(fā)明有效地將污染物從污染土壤的整體中去除并避免了處置包括細粉和粘土在內(nèi)的污染土壤的問題。將這種設(shè)備用于污染場所避免了將大量的污染土壤當(dāng)作有害廢物進行處理。
污染土壤一般有呈三種典型狀態(tài)的污染物游離材料、表面吸附材料或小的或膠質(zhì)材料，其中污染物以物理的或電化學(xué)的方式與土壤中的細顆粒結(jié)合。通過利用顆粒尺寸分離來減少土壤污染的標(biāo)準(zhǔn)方法系基于這樣的事實絕大部分有機或無機的污染物傾向于與一般是粘土和粉砂的細粒狀土壤成分結(jié)合。去除并處理細粉和粘土將從土壤中除去大量的污染物。但是，這確實沒有清潔全部被污染的土壤。
土壤的去污需要了解其中結(jié)合污染物的土壤基體的性質(zhì)。一般而言，主要由大尺寸土壤顆粒組成的粗土壤基體是常規(guī)土壤清潔或清洗方法的理想對象。
污染的土壤一般通過包括按大小分離和洗滌較大顆粒的標(biāo)準(zhǔn)方法而經(jīng)受處理。適合用常規(guī)方法去除的污染物是半揮發(fā)性有機物化合物、殺蟲劑、聚氯代聯(lián)苯酚(PCB)、金屬、某些放射性核苷酸、以及聚芳烴或者直徑大于2毫米的土壤顆粒。揮發(fā)性有機化合物(VOC)不是特別適合于作為靶污染物處理材料，因為清潔過程中的一般是強烈的混合和材料處理可能造成揮發(fā)性有機化合物最終釋放到空氣中。
土壤清洗或去污方法常見的局限性是由于土壤基體的類型和所涉及的污染物而造成的。污染物一般粘附在細顆粒材料上或以較快的速度被其吸附。這是由細顆粒材料產(chǎn)生的復(fù)雜而強大的結(jié)合力所造成的。由于具有吸附結(jié)合力，粗顆粒材料也可以保持污染物，但是大顆粒材料一般更容易清潔，因為吸附結(jié)合力通常隨著顆粒尺寸的增大而變小。
表I表I表示按常規(guī)篩分進行的顆粒分類。因為常規(guī)清潔方法的局限性，土壤清洗常規(guī)方法的應(yīng)用結(jié)果是細粉和粘土被送往處置或儲存場所。因此，使細粉與較大的土壤基體分離減小了需要處理的污染土壤的體積。但是，分離細粉和粘土并沒有解決問題，而只是造成了一個儲存問題。被污染的土壤必須被運走并儲存，其費用是根據(jù)污染物的類別從每立方碼20美元到200美元不等。
常規(guī)方法可以將相對未受污染的土壤部分與受污染較重的細粉分離。然后，可以利用生物活化處理或金屬螯合來處理所形成的細粉泥漿。粘土中的細粉基本上被處理成污染較小的污泥產(chǎn)物。這種方法一般將有機污染物聚集在污染的細粉泥漿中，其按重量計可構(gòu)成有機污染物的主要部分，而開始時只是總產(chǎn)量的一小部分。另外，這些細粒狀材料更難以脫水形成污泥餅，因為較小的顆粒具有親和力，可以吸附許多種材料，包括水和其他親水性污染物。
標(biāo)準(zhǔn)的土壤清洗過程是以預(yù)處理開始的，即用粉碎和分離設(shè)備分離土壤并按顆粒大小進行沉降。然后將土壤引導(dǎo)到振動篩中，但大小將土壤顆粒分成不同的顆粒流。使大于1到2毫米的材料在標(biāo)準(zhǔn)的大顆粒土壤清洗機中處理，這涉及到應(yīng)用加熱、攪拌和表面活性劑，以從較大的顆粒上分離被吸附的材料。而較小的顆粒則被處置。需要時可以在用于進行固液分離的旋風(fēng)分離器中使這些顆粒脫水。
經(jīng)常在清洗液中加入表面活性劑以加速清洗過程并幫助破壞污染物和被污染顆粒之間的吸附結(jié)合。但是，表面活性劑可能帶來另外的問題，因為表面活性劑有毒性。本領(lǐng)域中已知有許多從土壤顆粒上去除污染物的設(shè)備。這些設(shè)備并不能使細土壤顆粒、粘土、粉砂等去污。
在Kroon的美國專利4,415,368中公開了一種方法，其中使用一種噴管產(chǎn)生真空，該真空在理論上通過使顆粒經(jīng)過一個水幕簾來去除污染物。Kroon利用水幕將顆粒分離成其最小基本單位，從而打碎污染土壤塊。然后，在此方法中清洗較大的顆粒，通過絮凝分離較小顆粒和污染物。根據(jù)美國環(huán)境保護局于1993年2月出版的NATO報告-“用于污染土地和地下水的補救行動技術(shù)的論證，最終報告，1986-1991”(Demonstration of Remedial Action Technologiesfor Contaminated Land and Groundwater，F(xiàn)inal Report，1986-1991)，直徑小于0.03-0.05毫米的小顆粒在由Kroon提出的結(jié)構(gòu)和壓力下不能被水射流有效地清潔。
在Kroon的方法中，通過施加產(chǎn)生真空的水流而在理論上使污染物與土壤顆粒分離。水流的壓力是250巴，即約為3,500 psi(磅每平方英寸)。但是，這種方法不能有效地從粘土或細粒狀土壤上除去污染物。
Darley在美國專利3,764,008中公開了一種聯(lián)合使用噴射式旋風(fēng)分離器和文丘里(Venturi)裝置給沙子脫油的方法。Darley使用離心力從沙子中分離出含油廢物。這種方法要求數(shù)次通過設(shè)備，而只能去除部分污染物。但是，該方法不能像本發(fā)明那樣有效地從細顆粒上去除污染物。而且，所公開的設(shè)備不能有效地處理經(jīng)常會遇到的極細的沙粒，后者被歸類為沙子、粘土或粉砂。該工藝也不能使用與本發(fā)明相似的方法，即無論是從方法上、結(jié)構(gòu)上、還是結(jié)果上的相似。
其他的已知方法主要是通過加熱來揮發(fā)或焚燒污染物。這些方法的缺點是污染物可能被釋放到空氣中，而且焚燒法需要輸入大量的熱能，這在經(jīng)濟上不如本發(fā)明那么有效。
本發(fā)明的詳細描述本發(fā)明利用了能以機械方式從土壤、粉砂、粘土和細粉顆粒表面去除污染物的設(shè)備。將這些顆粒夾帶在液體載體中以形成泥漿。將液體載體引入一個來自預(yù)先安置好的噴嘴的排放液流的交叉區(qū)。這種排放液流可以只是水，也可以是混有表面活性劑的水。這些排放液流是從兩個或更多個基本上相對的噴嘴裝置排出的。將噴嘴裝置固定在一個框架上。該框架是用來支承噴嘴裝置的，它也有使得噴嘴裝置正確定位的功能。
噴嘴裝置在優(yōu)選地為2000psi至20000psi的壓力下排放液體。壓力的設(shè)置是根據(jù)被處理顆粒的大小和要從顆粒表面除去的污染物的類型來確定的。另外，可以利用單個噴嘴在約10000psi至20000psi下進行所需排放。
將待處理的土壤流注入或引入從噴嘴排放的清洗液流所在的區(qū)域或至少兩個噴嘴的排放液流交匯的區(qū)域。在該區(qū)域中，根據(jù)所使用的噴嘴裝置的數(shù)目，土壤顆粒受到大約4000psi至大約60000psi的總壓力。
如下文所述，在最優(yōu)選的實施方案中，使用的噴嘴裝置的總數(shù)是4個。但具體實施人員可能會發(fā)現(xiàn)，為了達到從小粒土壤、粉砂和沉積物顆粒的表面去除污染物的目的，使用1個、2個、3個、4個、5個或更多噴嘴裝置也可能是適合的和有效的。
還可以改進本發(fā)明以改變噴嘴裝置的排放流和泥漿的輸入流之間的碰撞角度。要注意，泥漿可以含有載體液，如水。還可以在預(yù)處理過程中或在碰撞室中的處理過程中向泥漿中加入表面活性劑。
將泥漿排放流導(dǎo)向噴嘴排放流的某個點。如果使用一個以上的噴嘴，應(yīng)將泥漿排放流導(dǎo)向這些噴嘴的交叉點。這可以通過調(diào)整噴嘴支承架以使噴嘴指向特定的方向、或通過改變土壤泥漿流的引入角度來實現(xiàn)。
來自噴嘴裝置的液流的匯合區(qū)是一個使被注入該區(qū)域的物體或顆粒將經(jīng)受很大作用力的區(qū)域。被引入該區(qū)域的污染顆粒會被除去污染物。絕大部分污染物看來位于土壤較小顆粒的表面上。因此，污染物和土壤顆粒之間的結(jié)合是吸附性的。這種結(jié)合很容易被破壞，因為這種結(jié)合主要是薄弱的電-機結(jié)合。這樣，就將通過機械方式使土壤顆粒與污染物分離。污染物顆粒保留在液體載體中，而土壤顆粒通過重力被導(dǎo)向碰撞容器的底部。按本領(lǐng)域熟知的方法，借助于一個排放機構(gòu)從所述底部排出載體、清潔的土壤顆粒和用過的清潔液。
這是借助于噴嘴裝置所排放的液體的作用力或來自噴嘴機構(gòu)的相對排放流的會聚區(qū)中的作用力而去除被清潔顆粒表面的污染物的。這種紊流必須足夠大。已發(fā)現(xiàn)，噴嘴的數(shù)量決定著噴嘴裝置的排放速率。
當(dāng)使用單個噴嘴時，發(fā)現(xiàn)約10000psi至約20000psi的排放造成約85％到約90％的污染物去除率。使用兩個或更多噴嘴可以提高污染物去除率。當(dāng)使用兩個或更多噴嘴時，約2000psi到約20000psi的噴嘴排放速率可以有效地去除約90％以上的污染物。
高壓清潔液的去污能力可以通過向清洗液中加入表面活性劑或向土壤泥漿流的載體中加入表面活性劑而得以增強。機械力與或者不與表面活性劑相互作用都足以達到從土壤顆粒上機械分離污染物的目的。
應(yīng)用本發(fā)明裝置的結(jié)果是粘土、細粉和粉砂的泥漿以約89％至約99％(或更高)的污染物去除率得到清洗。該清洗率范圍使得處理后的材料可以被當(dāng)作未受污染的土壤使用。
可以通過將處理后的材料再次引入清潔容器并重復(fù)上述操作循環(huán)來進行多個清潔循環(huán)。
使用本設(shè)備的一個特別的優(yōu)點是，利用本發(fā)明設(shè)備對多種污染物進行試驗，都得到了適用于任何地域的清潔土壤顆粒(粘土、細粉和粉砂)。污染物的去除非常徹底，不用再將這些材料交于任何有害廢物或其他特殊廢物處理站處理。
因此，該設(shè)備可以用來清潔這些較細的顆粒，并避免了處置的額外費用。據(jù)估計，使用本設(shè)備處理每立方碼的費用大大低于處置污染材料的費用，后者為每立方碼污染土壤4.00-350.00美元。這種處置必須在授權(quán)的有害或特殊廢物站來進行，而這需要按數(shù)個政府部門的規(guī)定運輸該材料。
本發(fā)明能夠從包括細粉和粘土的大多數(shù)基體中清除重質(zhì)烴類污染，包括原油、聚芳烴、燃油和柴油。本方法適合于大范圍的有機、無機和金屬化合物污染物，而此時粘土和粉砂經(jīng)常是主要的介質(zhì)，可以用本發(fā)明對此進行有效的去污或清潔。
本發(fā)明解決了廣泛推廣實施土壤清洗技術(shù)的三個障礙。這些障礙是不能處理大分子量的污染物或雜質(zhì)、不能清洗小沉積物如粉砂和粘土顆粒、以及巨大的投資成本和土壤清洗技術(shù)中所用的大型處理設(shè)備相對固定。
本發(fā)明還包括應(yīng)用合成的生物表面活性化學(xué)品(Biogenesis Inc.，Milwaukee，Wisconsin)，根據(jù)所遇到的污染物，可以選用這種化學(xué)品。這些生物表面活性化學(xué)品能夠在清洗結(jié)束后提供持續(xù)的補救作用，以更徹底地減低經(jīng)清洗的土壤產(chǎn)物中的污染物水平。
本發(fā)明是一種現(xiàn)場使用的技術(shù)，它可以用于被有機污染物和金屬污染的所有土壤類型。大于約0.5毫米的顆粒采用標(biāo)準(zhǔn)土壤清洗方法處理，這種處理所采用的液體隨后經(jīng)過進一步處理，以從該液體中去除污染物。粒度小于約0.5毫米的顆?？梢匀菀椎卦诒景l(fā)明的設(shè)備中得到處理，即本發(fā)明的土壤和沉積物清洗方法。
可以對清洗液(可以只是水)進行進一步的處理，然后將清洗過的土壤和沉積物送回到原地或做他用。
本發(fā)明的應(yīng)用可以結(jié)合著復(fù)雜的生物救濟性表面活性劑混合物，結(jié)合使用水、加熱、混合和摩擦，以清潔土壤顆粒。本領(lǐng)域中熟知，大顆粒清洗單元每小時可以清潔80立方碼以上。
在本發(fā)明中，可以在一個可移動的連續(xù)流單元中以大于80碼每小時的速度清潔沉積物和土壤顆粒(也稱之為細粉和粘土)，而無需額外地處置細粉和粘土。
設(shè)備需求包括顆粒篩分設(shè)備、罐、噴水和水處理設(shè)備以及生物反應(yīng)器，所用這些都是本領(lǐng)域中的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。作為本發(fā)明主題物的碰撞室允許操作者清潔細粉和粘土。
可以將沉積物清洗設(shè)備構(gòu)建成一個連續(xù)流單元。
可以使用Wentworth分類器或其他本領(lǐng)域中已知的系統(tǒng)完成顆粒大小的分離。唯一必須滿足的要求是顆粒的直徑應(yīng)小于約5毫米。設(shè)備結(jié)構(gòu)的描述在本說明書中，設(shè)備如

圖1-4中所示。該設(shè)備的結(jié)構(gòu)適用于清潔大量的取自污染區(qū)的土壤，所述污染區(qū)以前被用做工業(yè)場地。該區(qū)域中的污染土壤中有沙子、砂礫、壤土、細沙和粘土。
沉積物清洗系統(tǒng)被構(gòu)建成兩個基本區(qū)域。這些區(qū)域在第一部分中用于進行沉積物篩分和待處理土壤的準(zhǔn)備，在第二部分中用于在清潔容器中清潔土壤顆粒。
在第一步中，參見圖1，先按顆粒大小對被污染材料(也稱為沉積物)進行分離。該材料取自沉積物池塘10并通過淤泥管線14被泵送到濕法篩分設(shè)備4中。所用的濕篩進料泵11是美國威斯康星州Liquid Waste Technology ofSomerset的Pit Hog 900型液壓泵。借助于濕篩進料泵11，使淤泥沿著淤泥管14移動。當(dāng)淤泥材料經(jīng)過濕篩4(Vibro-Energy Separator LSZ4S461 SWECO Inc.，F(xiàn)lorence KY.)處理后，直徑大于約0.5毫米的材料被分離出來。更小的材料通過細粉粘土軟管49被運送到細粉粘土儲存罐50中?？梢允褂迷诰€混合器以防止材料沉降并幫助移動(50-FT-2 Inliner型，加拿大多倫多省的GreyLightnin公司)。大尺寸的材料用本領(lǐng)域熟知的常規(guī)方法處理。
在細粉粘土混合室50中，用混合器組件2(Litnin，V5P55 VEKTOR Mixer型，11.8英寸的渦輪，Litnin公司，Rochester，NY)攪拌材料。該混合器組件是本領(lǐng)域熟知的。向細粉粘土混合物中加入水，形成泥漿。然后細粉粘土泥漿通過一個細粉粘土進料計量器51從細粉粘土罐50流向碰撞室進料泵21，在此它通過細粉粘土通道22被泵入碰撞室20。
本方法的第二步發(fā)生在碰撞室20中，在這里發(fā)生污染物脫除。在進入碰撞室1時，細粉粘土泥漿經(jīng)過噴嘴裝置24之噴流的交叉點。然后，處理過的泥漿借助于重力滴到碰撞室20中的處理后泥漿存儲罐25中。此后，用混合器組件2慢慢地攪拌碰撞室20混合區(qū)中的泥漿，以保持經(jīng)清潔的材料懸浮在載液中。這通過用混合器2(Litnin，V5P55 VEKTOR Litnin，Rochester，NY)實現(xiàn)。然后，通過重力或輔助進料泵31，經(jīng)排出裝置304、繼而經(jīng)出口軟管31，將處理過的土壤從碰撞混合容器中移出。
噴嘴裝置24上裝有一個噴嘴調(diào)節(jié)臂407。該噴嘴調(diào)節(jié)臂407由固定在噴嘴頸套402上的噴嘴桿401組成。該組件固定在噴嘴框架400上。噴嘴桿401可以參照任何其他噴嘴24的水平(如果使用一個以上的噴嘴)來調(diào)節(jié)。另外，可以調(diào)節(jié)噴嘴裝置24，使得噴嘴裝置或其中任何一個的排放流相對于來自泥漿輸入管231的排放流處于一個特定的角度。這些調(diào)節(jié)部件要設(shè)計得使操作者可以調(diào)節(jié)噴嘴排放流的角度。噴嘴調(diào)節(jié)臂407和噴嘴錨固調(diào)節(jié)托架341成一體地固定在噴嘴支承角撐板342上。然后，可以使噴嘴支承裝置的各種元件可調(diào)節(jié)地裝配在噴嘴桿401上，這形成用于在清潔容器內(nèi)保持噴嘴裝置處于理想高度并具有特定角度的框架裝置的一部分。
噴嘴調(diào)節(jié)機構(gòu)由不銹鋼制成。噴嘴桿由碳素鋼制成。本發(fā)明中用于排放清潔液的噴嘴頭是本領(lǐng)域所熟知的。
排放清潔液的噴嘴500得自Elmhurst(Illinois)的Quality SprayProducts，型號為1/4M6.5-7E型硬質(zhì)合金噴霧嘴。這是一種高壓噴嘴，用于根據(jù)噴嘴裝置500的結(jié)構(gòu)、待除去的污染物和本設(shè)備所清潔的被污染材料的性質(zhì)在位于2000psi到20000psi之間的理想壓力下排放清潔液。
噴嘴調(diào)節(jié)框架400(和定位裝置)使操作者得以選擇適當(dāng)?shù)膰娮煅b置排放流相對于沉積物進料排放頭231的交叉角度，所述排放頭231要安裝成使沉積物進料排放流優(yōu)選地位于噴嘴裝置500排放流的交叉平面上方。但是，根據(jù)特定的條件限制和設(shè)計喜好，操作者可能希望沉積物從設(shè)備的頂部流入。沉積物流入裝置的位置對于本設(shè)備的功能并不是關(guān)鍵的，只要該沉積物流入裝置能讓操作者使沉積物輸入流23中的泥漿通過噴嘴裝置500排放流的交叉平面，如圖3和4所示。
在本設(shè)備的操作中，操作者可能希望對處理過的材料進行額外的清洗循環(huán)?？梢允惯@種處理過一次的材料再循環(huán)通過相同的碰撞室20或引入到第二或第三單元進行額外的處理循環(huán)。但是，經(jīng)測定，如果清洗循環(huán)被優(yōu)化，這種額外的處理循環(huán)在大部分情況下是不必要的。
這種優(yōu)化可以通過如下的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)通過調(diào)節(jié)噴嘴框架的適當(dāng)元件來調(diào)節(jié)由噴嘴裝置排放流所形成的平面的角度，調(diào)節(jié)泥漿進料流的溫度。還可以調(diào)節(jié)清潔液的溫度以提高去污效力。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可將清潔液的溫度提高至約100°F。
如果不需要額外的處理循環(huán)，就將處理過的材料經(jīng)處理后淤泥管33泵入旋風(fēng)分離器30中。該旋風(fēng)分離器是本領(lǐng)域所熟知的，如(Encyclon公司，Kenosha，WI)。在旋風(fēng)分離器30中完成水/污泥分離后，將得到的固體送入固體收集箱40中，然后通過固體轉(zhuǎn)移泵42或其他適宜的機構(gòu)轉(zhuǎn)運到固體存貯器44中。
在旋風(fēng)分離器30中分離出的水經(jīng)液體轉(zhuǎn)移泵41被泵入液體存貯罐43中待隨后處理，或者可經(jīng)額外的管線再循環(huán)經(jīng)過土壤清洗工藝，所述額外管線可由操作者根據(jù)本發(fā)明實施的需要來設(shè)置。
在本實例中，清潔材料是水，這可以是來自城市水源的普通自來水并通過泵17泵入?？梢詫⑺訜岬郊s100°F到約160°F。已確定，清潔液的溫度可以在凝固溫度以上至約200°F，或從約33°F到約200°F。
另外，清潔液如水可以與來自表面活性劑給料器6的、定量的選定表面活性劑混合。在本發(fā)明中使用的表面活性劑是來自Biogenesis公司(Milwaukee，WI.)的生物表面活性劑。
表面活性劑/清潔液混合物可以通過表面活性劑進料管180泵入或者可通過隨后向管18的水中注射而隨后引入。這樣就加入了定量的表面活性劑，它與水一起來提高清潔液的清潔效力。
然后將單獨的水或水-表面活性劑混合物17引流過高壓活塞泵9，在此，壓力被提高到約2000psi至最高約20000psi的范圍內(nèi)。高壓水或水與表面活性劑的混合物通過一個高壓管線16被導(dǎo)向噴嘴組件24。安裝噴嘴組件24，使得單獨的自來水或混有表面活性劑的自來水17的噴霧在碰撞室20中與來自泥漿輸入管23的液流相碰撞。
參見圖2，這是碰撞室組件的主視圖，可以看到支架301支承著碰撞室20的主體。還設(shè)置了裝有欄桿302的走道303，以用于操作者調(diào)節(jié)和觀察。在碰撞室20的頂部，高壓管線16通過法蘭308相互配合并穿過碰撞室蓋307。
碰撞室蓋7通過法蘭306成一體地裝配在碰撞室20的主體上。
碰撞室20還裝配有水平傳感器303，后者被設(shè)計用來保證碰撞室20維持水平，以發(fā)揮噴嘴組件24的最佳性能。碰撞室裝置與混合器組件2(本領(lǐng)域中的標(biāo)準(zhǔn)件)裝配在一起。該混合器組件2用于防止處理后的固體分離成沉重的污泥和水。利用混合器組件2可以保證細粉和其他固體不沉降，從而使混合物保持泥漿狀。
通過隔離閥304將處理過的材料導(dǎo)入碰撞室組件20的混合室1中。閥304是本領(lǐng)域所熟知的類型。然后，通過泵機構(gòu)31將處理后的泥漿導(dǎo)向旋風(fēng)分離器30或者通過管線組件16再循環(huán)經(jīng)過碰撞室20。提供一個電子控制板305以便于安裝在支架元件301上。該電子控制板305用于控制泵，如泵31。還設(shè)有一個窺視孔窗330，它安裝在碰撞室20的側(cè)面。提供窺視孔窗組件330是為了讓操作者觀察表面活性劑-水混合物或水與細粉粘土泥漿相互作用的過程。
現(xiàn)在參看圖3，這是碰撞室的俯視圖，其中示出了蓋子307。這里，高壓管線16位于碰撞室的頂部，其中高壓管線通過承插焊接318與噴嘴機構(gòu)24相連接，承插焊接318成一體地與高壓表面活性劑軟管319鄰接。表面活性劑-水輸送系統(tǒng)到高壓噴嘴24的其他配置可容易地由本領(lǐng)域的技術(shù)人員確定。
碰撞室蓋307通過安裝法蘭306固定在碰撞室主體上。在這種配置中，噴嘴(24)固定在蓋子307上。圖3的視圖顯示了高壓進料管319的配置，它定位在碰撞室20的蓋子307之上。幾個高壓進料管319的交叉點是法蘭320，它保持高壓進料管319相對于第二高壓進料管319處于穩(wěn)定。操作者可以選擇使用只有兩個相對噴嘴24的配置，如果希望如此的話。這樣只需要一個高壓進料管319。高壓進料管319通過承插焊接318固定在噴嘴組件上。噴嘴組件24在圖4中進一步描述。
圖4是碰撞室20最上部分的局部視圖。該圖示出了閥和噴嘴組件24，后者通過固定架340、支承角撐板342固定在碰撞室蓋307上，所述角撐板通過六邊形螺母和螺栓403成一體地固定。噴嘴組件與調(diào)節(jié)裝置341配合，后者使得操作者能夠?qū)娮旖M件24保持在水平位置。泥漿通過泥漿輸入管23被引入碰撞室。在被泵入碰撞室以后，泥漿被進一步向上引導(dǎo)并從泥漿輸入噴嘴231排出泥漿輸入管23，然后泥漿被導(dǎo)入噴嘴裝置24排放流的交叉區(qū)。泥漿是在壓力下被引入碰撞室的，該壓力只需讓其從泥漿輸入噴嘴231流出就足以讓泥漿實際到達與噴嘴24的排放流足夠接近的區(qū)域，從而使得清潔液有效地作用于泥漿，以從泥漿中除去污染物。
這種流速足以讓泥漿向上噴射至噴嘴組件24的排放流的交叉點，在這里進行泥漿的清洗或清潔。
在圖4中還有一個石英玻璃窗330，它安裝在碰撞室20的側(cè)壁201中，目的在于讓操作者看到清洗過程。不管泥漿的特性如何，清潔液(水或水與表面活性劑的混合物)的持續(xù)輸入迅速清潔了玻璃，在泥漿通過管23的流動暫時中斷時，或泥漿大部分是液體時，清洗泥漿的過程也會造成對碰撞室20的側(cè)壁201的向下沖洗。
圖5示出了最優(yōu)選實施方案的噴嘴組件。該組件的特征在于保持四個噴嘴桿401中的每一個的支架和角撐板能穩(wěn)定地相互作用。每個噴嘴桿401通過噴嘴頸套402裝在噴嘴500上。噴嘴頸套402然后通過六邊形螺母404成一體地裝配在高壓表面活性劑管線16上。
噴嘴角撐板托架342被安置在噴嘴500的排放水平面之上，以便不妨礙從噴嘴500的流出。
噴嘴桿401與噴嘴角撐板343和342一起形成一個框架，它將噴嘴結(jié)構(gòu)24懸置在碰撞室20中。噴嘴桿401與本領(lǐng)域中廣為人知的調(diào)節(jié)裝置相連接，這是。這樣，通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)托架341，很容易調(diào)節(jié)噴嘴桿401。
如圖4所示，圖5的整個結(jié)構(gòu)安裝在碰撞室20上。用于定位噴嘴機構(gòu)的其它結(jié)構(gòu)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。圖中所顯示的特定配置可以在不影響設(shè)備效率的情況下被改變。
定位噴嘴組件24，從而使每個噴嘴500的排出液排放在一個與所有其他噴嘴500大約等高的點上。這種排放形成一個幾何形狀接近平面的水層。在接近排放區(qū)中央的點上，形成了一個噴嘴的水射流的交叉區(qū)。來自泥漿輸入噴嘴231的排出物將被引入該區(qū)域。由噴嘴500的排放液所確定的平面與泥漿輸入噴嘴231之間的角度可能影響本設(shè)備的操作效率。
從噴嘴500排出的清潔液可以僅僅是水、水與表面活性劑的混合物、熱水、或熱水加自來水。清潔液加自來水可以是混合物，或者將表面活性劑注入到清潔液管12中，它將清潔液從高壓活塞泵9傳送到噴嘴進料管319中，然后到達噴嘴500。
以上描述中的條件和參數(shù)已經(jīng)用于本設(shè)備的應(yīng)用中，這在以下實施例中進一步說明。
選擇被4000ppm以上聚芳烴(PAH)污染的沉積物用于清潔。該污染的沉積物主要(81％)是平均粒徑小于38微米的中等粉砂。首先處理沉積物以分離大顆粒材料。將大顆粒材料轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)的大顆粒清洗機中進行處理。通過鐵格篩的材料流向粉碎機，然后進入預(yù)處理罐。將被粉碎的材料混合、加熱并與水和生物表面活性劑化學(xué)品混合。這樣就形成了泥漿。
然后將泥漿傳送給振動篩分離器，它將顆粒篩分為兩組。直徑大于0.5毫米的材料被轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)的大顆粒土壤清洗機中。0.5毫米和更小的材料繼續(xù)流向沉積物清洗機的進料斗。泥漿從這里被泵到沉積物混合室中，在此用由2％生物表面活性劑(Biogenesis，Milwaukee，WI)和自來水組成的溶液對其進行處理。這完成了初步解除污染物和顆粒之間的結(jié)合。將泥漿加熱到160°F。
在加熱泥漿后，將水和表面活性劑的混合物(在本實施例中稱之為料漿)排到碰撞室中，其中料漿被注入到四個噴嘴裝置的交叉區(qū)中。
隨后，處理后的泥漿借助于重力被收集到碰撞室的下部中，在材料經(jīng)處理后落在了碰撞室的底部。
將三套碰撞室/碰撞洗滌器串聯(lián)以進行連續(xù)的洗滌。處理過的泥漿然后流經(jīng)旋風(fēng)分離器組件，以分離大小在5到10微米以上的固體。使游離的液體流向一臺離心機，以進行最后的固一液分離。
將固體送至清潔固體堆，而對所有的液體進行廢水處理，以除去有機和無機污染物。使經(jīng)去污的水再循環(huán)回處理工藝中。測試處理后的沉積物和細粉，以便確定清洗效率。經(jīng)測定，應(yīng)用本發(fā)明方法的清洗效率大于90％的去除率。
在實施例2-7中使用了下述一般條件。
選擇能通過10、50、100和200篩目的顆粒。試驗污染物是潤滑油，將其施加在顆粒上并讓其保持在顆粒上約12小時。選擇潤滑油作為中等分子量有機污染物的代表。在所有這些條件下，預(yù)計較小分子量污染物的去除率將高一些，而更大分子量污染物的去除效率將稍微低一些。
但在本發(fā)明的所有應(yīng)用中可以預(yù)期，當(dāng)以最大效率使用該設(shè)備完成特定的污染物去除任務(wù)時，清潔效率將高于90％。
選用的清潔液是水。在以下實施例中，沒有向清潔液中加入任何表面活性劑或其他清潔化學(xué)品，以便不影響對設(shè)備機械效率的評價。但可以向清潔液中加入表面活性劑，以提高上述本發(fā)明的效率。
如從實施例1所見，在清潔液中使用清潔化學(xué)品或?qū)⑵浠旌显谕寥篮统练e物泥漿中，將會提高污染物的去除效率。
在以下的每個實施例中，來自排放清潔液的噴嘴的液流基本上形成一個平面。每個噴嘴固定在設(shè)備的框架元件上，而且噴嘴的排放部分指向設(shè)備的中心點。
噴嘴裝置的排放流在設(shè)備中處于基本相同的高度，由其確定的平面在以下實施例中被稱為α。如果α等于零，則由噴嘴裝置排放流確定的平面和沉積物泥漿輸入流的方向平行，即沿相同方向流動。在這種情況下，在沉積物進口流和噴嘴裝置的排放流之間沒有碰撞。如果噴嘴裝置的排放流和沉積物輸入流之間的角度為90度，則噴嘴排放方向和沉積物的方向幾乎是垂直的。隨著排放流角度的增大，輸入流和噴嘴流于是彼此直接相對。
可以對噴嘴裝置和沉積物流入裝置排放流之間的角度做進一步的調(diào)節(jié)。最優(yōu)選的是，使基本上排放到同一個平面上的噴嘴裝置液流與沉積物進流入排放流之間的角度約為30度。
在下列的每個實施例中，噴嘴的數(shù)目從一個排放噴嘴到四個排放噴嘴地變化。從這些結(jié)果可以得出噴嘴裝置的排放在四個噴嘴裝置時是最優(yōu)的。以一個噴嘴裝置的排放流獲得的去除率或效率是最低的。
在以下的每個實施例中，已表明噴嘴排放流所確定的平面與沉積物輸入流的排出方向之間的角度對決定本發(fā)明的效率是很重要的。當(dāng)由噴嘴排放流確定的平面與沉積物輸入流之間的角度增大至30度時，得到了最佳的結(jié)果。
以上信息用于以下的每個實施例中。
在每個噴嘴的排放壓力為6000psi、8000psi和12000psi時進行試驗。經(jīng)測定，當(dāng)粒度小于50篩目、噴嘴裝置的排出壓力在8000到12000psi時，對通過200篩目的顆粒產(chǎn)生99％的去污效率。見表1。
表1
實施例3在本實施例中，所使用的噴嘴的數(shù)目為4個，每個噴嘴排放清潔液的壓力為6000psi。由噴嘴裝置的排放流所確定的平面與輸入流之間的排放角度保持在90度。
在本實施例中，在100°F上下的范圍內(nèi)測試清潔液的溫度。這些溫度對于大顆粒和小顆粒的效力均較低(見表2)。表2
經(jīng)測定，當(dāng)去除如本實施例所用之油類的污染物時，溫度必須維持在100到160°F之間才能對通過200篩目的顆粒獲得99％的效率。本設(shè)備的其他應(yīng)用可以使用更高或更低的清潔液最佳溫度，這取決于污染物的類型和在泥漿中處理的顆粒的平均大小。
在本實施例中，無論顆粒大小如何，噴嘴數(shù)目的增加導(dǎo)致效率接近直線的提高。但是，噴嘴裝置的排放流與輸入流之間的角度α等于45度時，無論試驗的顆粒大小如何，僅產(chǎn)生約90％的去污率。因此可以確定，45度的排放角度可能是對于200目材料的效率的較低限。見表3。表3
實施例5在本實施例中，噴嘴裝置的排放壓力保持在6000 psi。清洗液的溫度保持在100°F。
在本實施例中，噴嘴裝置排放流和輸入流之間的交叉角度從45度增加到90度。對于最小粒度，這使污染物去除效率急劇提高。在本實施例中，使用3個或4個噴嘴對所有粒度的顆粒取得了約95％到約97％的去除率。見表4。表4
實施例6在本實施例中，噴嘴裝置的排放壓力還保持在6000psi。清洗液的溫度保持在100°F。在本實施例中，噴嘴裝置的排放點與輸入流之間的角度從90度增加到135度，與實施例5獲得的結(jié)果相比，這時污染物去除率的提高不太顯著。見表5。
表5
實施例7本實施例中，改變噴嘴裝置排放流之間的角度和在沉積物流入方向與決定噴嘴裝置的液流方向的出入口之間確定的角度。在本實施例中，噴嘴裝置的排放壓力保持在6000psi。如從表8中可以看到的那樣，噴嘴液流與沉積物流入物之間的角度增加約30度時效果很有限。
如表6中所示，當(dāng)由噴嘴排放流確定的平面與沉積物流入物之間的角度增加到30度時，獲得了最佳結(jié)果。
表6
表7
表8
在不脫離這里所公開的本發(fā)明的前提下，可以對本發(fā)明的設(shè)備和方法進行其他變化和調(diào)整。
權(quán)利要求
1.一種用于凈化被污染顆粒的設(shè)備，其中顆粒的大小為直徑小于約5毫米，該顆粒被夾帶在液體載體中以形成泥漿，而且該設(shè)備處于一個基本封閉的容器中，該容器裝有用于固定一個框架的機構(gòu)，所述框架具有固定在所述容器中的噴嘴承載機構(gòu)，該設(shè)備包括(a)成一體地固定在框架上的至少一個高壓噴嘴，每個噴嘴具有在約2000psi到約20000 psi下排放液體的能力；(b)一個泥漿入口，其中將該泥漿入口定位成將泥漿輸入流排放到每個所述噴嘴的排放區(qū)中；(c)用于將來自每個噴嘴的排放流引導(dǎo)到在所述噴嘴間的大約中點處的會聚區(qū)中的機構(gòu)；(d)成一體地固定在所述框架和每個所述噴嘴上的調(diào)節(jié)機構(gòu)，其中所述調(diào)節(jié)機構(gòu)允許將每個所述噴嘴的排放流引導(dǎo)到與泥漿入口裝置排放流交叉的特定點上；(e)用于將噴嘴裝置的排放流調(diào)節(jié)成一個基本為平面的構(gòu)形的機構(gòu)；(f)用于將所述泥漿注入所述排放區(qū)的機構(gòu)，由此噴嘴的排放流得以從所述污染顆粒上除去污染物；以及(g)用于調(diào)節(jié)所述噴嘴的排放流從而使所述噴嘴裝置與泥漿的交叉角度在0度和180度之間的機構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征為，有至少兩個噴嘴裝置安置在框架上。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征為，三個噴嘴裝置相互以大約相等的距離安置在框架上。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征為，四個噴嘴裝置相互以大約相等的距離安置在框架上。
5.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征為，五個噴嘴裝置相互以大約相等的距離安置在框架上。
6.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征為，六個噴嘴裝置相互以大約相等的距離安置在框架上。
7.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征為，單個噴嘴裝置在約10000psi到約20000psi下排放液體。
8.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征為，單個噴嘴裝置以相對于泥漿輸入流排放流成大約10度到大約180度的角度排放液體。
9.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征為，噴嘴裝置的排放流與土壤泥漿之間的交叉角度在30度和90度之間。
10.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征為，噴嘴裝置的排放流與土壤泥漿之間的交叉角度在約10度和約100度之間。
11.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征為，噴嘴裝置的排放流與泥漿輸入流之間的交叉角度約為90度。
12.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征為，噴嘴裝置的排放流與泥漿輸入流之間的交叉角度約為30度。
13.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征為，每個噴嘴以約5000psi到約15000psi的壓力排放液體。
14.如權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征為，每個噴嘴以約5000psi到約15000psi的壓力排放液體。
15.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征為，至少兩個所述噴嘴的排放點之間的距離為約12厘米到約52厘米。
16.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征為，從所述噴嘴排出的液體的溫度為約35°F到約200°F。
17.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征為，從所述噴嘴排出的液體的溫度約為100°F。
18.一種用于凈化污染土壤的方法，包括以下步驟(a)選擇土壤顆粒直徑小于約5毫米的污染土壤；(b)提供用于將所述污染土壤顆粒與液體載體結(jié)合以形成泥漿的機構(gòu)；(c)進一步提供用于碰撞至少兩股清洗液流的機構(gòu)，每股液流來自一個噴嘴排放機構(gòu)，使該排放機構(gòu)互相之間基本相對，以便在所述液流的交叉區(qū)附近形成一個紊流區(qū)；(d)提供用于將所述泥漿注入所述清洗液排放流的所述交叉區(qū)中的機構(gòu)；以及(e)提供這樣的機構(gòu)，它在所述泥漿通過所述清洗液流的交叉區(qū)后收集所述泥漿，并在所述顆粒離開所述清洗液流的交叉區(qū)后將泥漿分離成液體和顆粒部分。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征為，由所述噴嘴排放的液體是水。
21.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征為，由所述噴嘴排放的液體是水和表面活性劑的混合物，而且液體中表面活性劑的含量為約0.1％到約5％。
22.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征為，泥漿含有按重量計約為5％到50％的固體。
23.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征為，泥漿含有按重量計約為35％的固體。
24.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征為，所述泥漿的溫度為約33°F到約200°F。
25.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征為，所述泥漿的溫度為約100°F到約160°F。
26.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征為，噴嘴的數(shù)目為4。
27.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征為，泥漿與表面活性劑混合，其中含有約49％的水、約50％的土壤和約1％的表面活性劑。
28.一種用于從被污染的細粒土壤、粘土和粉砂中分離污染物的設(shè)備，其中將所述設(shè)備容放在一個基本封閉的容器中，裝有所述設(shè)備的所述容器包括(a)一個裝有至少一個高壓噴嘴的框架；所述框架成一體地安裝在所述容器中；(b)所述框架具有固定在其上的用于調(diào)節(jié)所述噴嘴的排放角度的調(diào)節(jié)機構(gòu)；(c)所述噴嘴裝置，其中所述噴嘴被定位成使所述噴嘴的排放流以正確的角度指向待處理泥漿的流動方向；(d)所述噴嘴裝置進一步與一個液體源相連接；(e)所述液體在壓力下被輸送給所述噴嘴裝置；(f)用于輸送泥漿到所述噴嘴裝置排放流的交叉點的機構(gòu)，所述泥漿含有處于載液中的直徑小于約5毫米的顆粒材料；以及(g)用于在粒狀材料通過所述噴嘴的排放點以后收集所述粒狀材料和所述液體的機構(gòu)。
29.如權(quán)利要求28所述的設(shè)備，其特征為，噴嘴的數(shù)目為至少2個。
30.如權(quán)利要求29所述的裝置，其特征為，每個所述噴嘴的排放壓力為約2000psi到約20000psi。
全文摘要
本申請的公開內(nèi)容涉及用于從土壤、沉積物、細沙和粘土中去除各種污染物的方法和裝置。在本申請的裝置中,由直徑小于約5毫米的顆粒組成的被污染材料從噴嘴(231)被注入到一個或數(shù)個噴嘴(500)的排放區(qū)中。將這些噴嘴(500)定位,以在約2000psi到約20000psi的壓力下排放液體或清潔流體。然后收集被清潔的材料并將之分離成液體和固體。當(dāng)用本裝置清潔后,所述固體可以被返回原地點,而沒有污染周圍區(qū)域的危險,并且免去了處置被污染土壤的處置費用。
文檔編號B09C1/10GK1371310SQ00812204
公開日2002年9月25日 申請日期2000年8月22日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月30日
發(fā)明者墨森·C·阿米蘭 申請人:生物起源事業(yè)公司