林慧麗李彥偉張樹立梁仁剛付融冰

（1.杰瑞環(huán)?？萍加邢薰?；2.同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院）

近年來，隨著我國采礦業(yè)迅速發(fā)展，大量的礦山廢渣被剝離和排放到礦區(qū)環(huán)境中，這些廢渣的堆存不僅占用大量的土地，還會通過酸化、降雨淋濾等作用污染土壤、地下水及地表水。目前對于金屬礦區(qū)及周邊地區(qū)的重金屬污染土壤，行業(yè)內(nèi)通常采用固化穩(wěn)定化技術(shù)進行無害化治理。

固化穩(wěn)定化技術(shù)即將功能性藥劑與污染介質(zhì)混合，通過物理、化學(xué)作用實現(xiàn)對土壤中有毒物質(zhì)的固定，從而降低污染介質(zhì)的環(huán)境風(fēng)險，使其滿足使用環(huán)境要求標準的技術(shù)。固化作用即通過物理封閉等作用將有毒物質(zhì)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的顆粒狀或塊狀固體，進而減弱其向環(huán)境釋放的過程，該作用不涉及污染物與藥劑之間的化學(xué)反應(yīng)。穩(wěn)定化作用即利用藥劑或其生成物與有毒物質(zhì)間的有效化學(xué)反應(yīng)來改變土壤中污染物質(zhì)的賦存形態(tài)，將其由高活性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為低活性狀態(tài)，進而降低其環(huán)境危害性的過程。相較于其他技術(shù)，固化穩(wěn)定化技術(shù)在處理成本、使用便捷性、效果長效性、處理土壤可再利用性等方面優(yōu)勢明顯，是處理重金屬污染土壤的最有效手段之一［1-3］。

從1990—2015年美國超級基金項目每年應(yīng)用固化穩(wěn)定化技術(shù)的次數(shù)看，北美和歐洲土壤修復(fù)項目使用該技術(shù)的次數(shù)整體下降，該技術(shù)的應(yīng)用強度逐漸降低［4］，表明這些國家重金屬污染土壤處理工程已接近尾聲。

從場地修復(fù)的工程角度出發(fā)，固化穩(wěn)定化技術(shù)可分為原位和異位2種不同施工工藝，二者在成本、工期等方面存有較大差異。與原位技術(shù)相比，異位技術(shù)雖然在開挖、外運及施工設(shè)備的使用和維護等方面的成本較高，但其修復(fù)速度快、固化穩(wěn)定化效率高，同時由于污染土壤異位混合，不同地層土壤的修復(fù)均勻度較高，效果可控性好［5］。

本文對異位土壤修復(fù)技術(shù)中得到成功應(yīng)用的自行式重金屬污染土壤固化穩(wěn)定化一體機進行建模，對其內(nèi)部顆粒混拌效果進行仿真分析，為產(chǎn)品的優(yōu)化改進及相關(guān)研究提供技術(shù)參考。

1 設(shè)備工藝

目前，國內(nèi)土壤修復(fù)行業(yè)廣泛應(yīng)用的XF150型一體機采用履帶底盤，便于在各種場地間靈活移動，整體裝置還包括進料系統(tǒng)、吊機系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)、破碎混拌系統(tǒng)、出料系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、機架系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等，見圖1。

土壤從料斗進入后由鏈板進行線性傳送，先由平料機構(gòu)碾壓平整，在經(jīng)過加藥機構(gòu)下方時與添加的藥劑初步混合，然后依次經(jīng)過切土刀和3組混拌軸葉片的作用實現(xiàn)土壤與藥劑的深度混合，處理后的土壤經(jīng)出料輸送皮帶完成排料。

在用一體機對土壤進行固化穩(wěn)定化處理的過程中，土壤與所添加藥劑的混合程度直接影響土壤的整體修復(fù)效果，故本研究將選取設(shè)備中平料、切料及混料機構(gòu)的作用過程進行離散元系統(tǒng)的建模設(shè)計，重點研究土壤顆粒與藥劑顆粒間的混合行為。

針對不同工況，XF150型一體機通常配置4種作業(yè)模式，見表1；不同作業(yè)模式下的運動部件參數(shù)見表2。

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后續(xù)研究將以一體機常規(guī)M模式為對象進行模型設(shè)置與計算。

2 模型簡化

對于顆粒系統(tǒng)的離散元素法計算，經(jīng)常會面臨計算規(guī)模的問題，例如真實的土壤顆粒，其粒級通常在0.1 μm～3 mm，那么一體機內(nèi)的顆粒數(shù)量將高達109以上，1 dm3內(nèi)的顆粒數(shù)在106以上，而普通臺式機的求解量僅為幾萬個顆粒，運算承載條件相差甚遠。如果將顆粒放大數(shù)倍可明顯降低模型的計算量，但粒徑的改變將極大影響顆粒的慣性力、碰撞能、斯托克斯數(shù)、摩擦系數(shù)等各項物理特征，導(dǎo)致模型失真。

基于上述情況，本研究對一體機仿真模型進行了以下簡化：

（1）根據(jù)“相似理論”的設(shè)計方法，將一體機模型縮小為真實尺寸的1/20，土壤顆粒維持在真實粒徑范圍內(nèi)，以此來維持一體機內(nèi)土壤顆粒可靠的動力學(xué)性質(zhì)［6］。

（2）忽略進料、平料過程，僅在切土刀和混拌機構(gòu)前端構(gòu)造一定厚度（參考前方平料厚度）和體積的顆粒層，在添加一定量的藥劑顆粒后，土壤顆粒隨鏈板運動至末端進而降落至混拌區(qū)域內(nèi)。

建立的土壤固化穩(wěn)定化一體機幾何模型見圖2。

3 仿真設(shè)置

離散單元法的計算過程遵循力和位移的循環(huán)過程。對于一體機的M作業(yè)模式，暫不考慮土壤顆粒及藥劑顆粒間的粘附作用，故選擇Hertz-MindLin（no slip）built-in模型進行計算，根據(jù)文獻、測試結(jié)果及材料庫，土壤、藥劑以及設(shè)備機構(gòu)的物理特性和相互間的力學(xué)特性見表3、表4、表5［7］。

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4 仿真分析

針對M模式，截取不同時刻的仿真軟件顯示圖像，見圖3。

由圖3可以看出，一體機模型中的土壤顆粒（淺色）和藥劑顆粒（黑色）經(jīng)過鏈板傳送、切土刀剪切以及混拌軸葉片撞擊后，呈一定規(guī)律落于出料皮帶上。對降落靜止后的顆粒進行混合均勻度分析需將顆粒層所在區(qū)域劃分成若干網(wǎng)格單元，見圖4。

在已劃分的各網(wǎng)格單元中，統(tǒng)計藥劑顆粒占總顆粒數(shù)的百分比，計算出所有百分比的標準差作為衡量顆?；旌铣潭鹊闹笜?。針對圖4劃分的網(wǎng)格單元對應(yīng)料層表面及厚度范圍內(nèi)的顆粒混合均勻度，將有效的182組單元數(shù)據(jù)導(dǎo)出，并計算標準差為0.371。

下面調(diào)取模型中幾何體運動部件的受力計算數(shù)據(jù)繪制折線圖，以計算時間為x軸，所受合力為y軸，導(dǎo)出圖線見圖5。

分析圖5可知：①切土刀在顆粒運動過程中與顆粒間幾乎沒有產(chǎn)生接觸力，表明當(dāng)物料的松散度和流動性較好時，物料顆粒在進料鏈板的末端順流而下，切土刀基本沒有產(chǎn)生剪切作用；②在混拌系統(tǒng)內(nèi)，混拌軸1的受力程度最弱，接觸力主要由混拌軸2、混拌軸3承擔(dān)，且由于混拌軸2位于顆粒自由下落的路徑上，其受力的頻次最高，混拌軸1和混拌軸3主要用于截擊被混拌軸2撞擊后高速線性運動的顆粒；③根據(jù)“相似理論”推算，模型中計算出的接觸力應(yīng)為實際接觸力的0.053。

顆?；旌鲜菍α?、剪切和擴散過程共同作用的結(jié)果，對于一體機而言，其運動部件對顆粒的剪切混合作用占據(jù)主導(dǎo)地位。在3個混拌軸的高速旋轉(zhuǎn)作用下，所有顆粒的運動軌跡呈近似正態(tài)分布，即中間集中、兩邊分散（圖6）。分析其原因，中間顆粒集中降落是由于這一區(qū)域?qū)?yīng)于混拌系統(tǒng)的夾擊路徑；兩側(cè)顆粒稀薄是由于混拌軸采用交錯式葉片，被混拌軸2擊出的顆?？赡軓幕彀栎S1和混拌軸3間或混拌軸3下方的間隙中穿過，同時被混拌軸3擊出的顆粒也可能從混拌軸2下方的間隙中穿過，還有部分顆粒是被3個混拌軸根部“粘住”后再甩出的。

5 優(yōu)化設(shè)計

基于一體機模型在M模式下的仿真計算和分析，提出了一種初步優(yōu)化方案，針對沙土類物料，改進思路為將“先加藥后混拌”改為“邊加藥邊混拌”，從初始條件上改善均勻性，設(shè)計細節(jié)如下：

（1）現(xiàn)有模型中混拌系統(tǒng)在x軸方向上的寬度略小于進料鏈板的寬度，這可能會造成鏈板兩側(cè)邊緣處的物料自鏈板末端下落后無法與混拌系統(tǒng)的葉片接觸，因此，優(yōu)化方案將進料鏈板的寬度縮小至與混拌軸的寬度相等，避免邊緣物料的自由下落。

（2）將切土刀去掉，將藥添裝置移至原有切土刀附近。

（3）擴大藥添裝置出口的藥劑灑落寬度，使其能覆蓋鏈板上整個土壤層的寬度，這一條件在實際設(shè)備中可嘗試通過特殊設(shè)計的布料結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)（圖7）。

完成上述結(jié)構(gòu)調(diào)整與計算，針對出料皮帶上的顆粒層分布仍采用劃分網(wǎng)格單元的方法進行均勻度分析，計算出標準差STDEV為0.270，比原M模式下的0.371降低至0.270，可見優(yōu)化方案對物料混合的均勻度有明顯改善。

6 結(jié)論

基于“相似理論”，利用離散元分析軟件，針對重金屬污染土壤固化穩(wěn)定化一體機內(nèi)部顆?；彀柽^程進行了計算分析，可知其主要通過運動部件的剪切作用實現(xiàn)顆?；旌希⑨槍Ψ抡娼Y(jié)果，采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計的方法進行取樣和標準差計算，對礦區(qū)土壤修復(fù)設(shè)備的性能分析和優(yōu)化設(shè)計具有實際指導(dǎo)意義。