一種土壤及地下水高壓旋噴與淺層攪拌聯合原位修複方法與流程

2023-05-27 11:12:16 4

本發明涉及一種土壤及地下水高壓旋噴與淺層攪拌聯合原位修複方法，屬於土壤及地下水原位修複方法技術領域。

背景技術：

土壤及地下水的揮發性及半揮發性(VOVs/SVOVs)有機汙染是我國汙染場地的重要汙染類型之一，由於VOVs/SVOVs具有一定的揮發性，為避免因開挖運輸造成二次汙染，原位修復技術逐步得到推廣和應用。

由於VOCs/SVOCs的物理化學性質的特殊性，其在土壤及地下水中常以固相(吸附態)、液相(溶解態)、氣相(飽和層可忽略)、自由相(非水相液體)等四種狀態存在及運移。大型化工汙染場地由於年代久遠，該類場地內重點地塊的土壤及地下水中有機汙染物分布極其複雜，淺層及其深層局部均有零星汙染源存在的可能，給原位修復帶來了難度和挑戰。

美國自上世紀80年代中期以來，已經投入大量資金用於土壤及地下水修復，原位化學氧化(In Situ Chemical Oxidation，ISCO)、原位化學還原(In Situ Chemical Reduction，ISCR)等新的原位修復技術應運而生。ISCO/ISCR技術依靠向土壤及地下水投加化學氧化劑/還原劑，將地下水裡的汙染物氧化成毒性相對較低的產物，從而達到修複目的，該類技術可同時處理多種汙染物，處理效率較高，一般不受汙染物濃度限制。

原位化學氧化、原位化學還原、原位微生物修復、原位加熱技術近年來得到了工程化應用。其中微生物修復技術僅對低～中濃度汙染場地有效，且微生物菌種對汙染物具有選擇性，很大程度上限制了該技術的應用；原位加熱技術具有對有機汙染源去除效率高的優勢，以蒸汽加熱和電阻加熱為代表，其本質是通過提高溫度從而提高汙染物的蒸氣壓或加熱至其沸點以上，通過土壤氣相抽提(SVE)或多相抽提(DPE)技術，將汙染物提升至地面後進行尾氣和廢水處理，因此，粘土層等低滲透層抽提效率低下，同時，對於飽和層的修復需要進行大範圍的止水帷幕及降水施工，因此修復成本極高，亦大大限制了該技術的應用。

針對重度汙染VOCs/SVOCs有機汙染場地土壤及地下水複合汙染，原位化學氧化、原位化學還原具有明顯優勢。常用的化學氧化藥劑包括芬頓試劑、高錳酸鉀、臭氧、活化的過硫酸鹽等，可修復土壤及地下水中的苯系物、硝基苯類、石油烴等有機汙染物。常用還原劑包括零價鐵、二價鐵、多硫化鈣等。

氧化劑/還原劑的投加目前主要有攪拌和注入/注射兩種形式，具體包括：注入井注入、原位鑽頭直壓式注入、深層攪拌注入、高壓旋噴注射、其他巖土注漿工藝等。

美國專利US 2002/0143226A1和US006457905公開了兩種化學氧化原位鑽頭注入修復系統，通過螺旋鑽杆或注射鑽頭將化學氧化劑注入到汙染土壤中，不能實現定深度修復。專利號為ZL201410387735.4(申請公布號CN104174643A、申請公布日2014年12月3日)的中國發明專利公開了「一種有機汙染土壤和地下水原位修復裝置及修複方法」、申請號為201410615166.4(申請公布號CN104438315A、申請公布日2015年3月25日)的「一種修復汙染土壤和地下水的原位化學氧化注入裝置」的中國發明專利申請，以及美國專利中No.US 2003/0069142公開了一種化學氧化注入井注入系統，以上專利所用技術均為通過注入井篩管添加藥劑溶液，缺點為粘土質土層擴散效果差，同時難以實現在垂直深度方向的藥劑投加量的控制。專利號為ZL201410148583.2(申請公布號CN103694562A、申請公布日2014年8月6日)、「通過原位化學氧化去除水中氯烯烴的方法」的發明專利，採用高錳酸鉀在表面活性劑輔助下去除水中的有機物三氯乙烯(TCE)、四氯乙烯(PCE)去除率較高，針對汙染物種類有限，不適宜於土壤及地下水複合汙染的情形。

專利號為ZL201310413766.8(申請公布號CN103464455A、申請公布日2013年12月25日)的中國發明專利公開了「一種採用高錳酸鉀與雙氧水復配進行有機汙染土壤化學氧化修復的方法」，實際上是一種採用噴灑高錳酸鉀與雙氧水復配藥劑進行有機汙染土壤的異位化學氧化修複方法，存在缺陷為高錳酸鉀現場安全性隱患大、雙氧水未添加緩釋藥劑，自身分解率高造成較大的藥劑損耗。

申請號為201610461742.3(申請公布號CN105964677A、申請公布日2016年9月28日)的「一種土壤及地下水原位化學氧化高壓注射優化修複方法」發明專利申請，採用高壓旋噴注射技術可解決深層重度汙染，但對於局部淺層、深層含有零星點源汙染的情形具有不足之處，淺層均質性差，注射難以達到充分的混合效果。專利號為ZL201510108244.6(申請公布號CN104624634A、申請公布日2015年5月20日)的發明專利公開了「一種有機汙染土壤的化學氧化修複方法」及申請號為201410831123.X(申請公布號CN104624629A、申請公布日2015年5月20日)的發明專利申請公開了「一種採用雙向攪拌注入法修復有機物汙染場地的方法」等專利技術，通過鑽杆添加修復藥劑，實質為深層攪拌技術，無法解決深層夾心層存在汙染源的定深度修復問題。

以上專利技術所採用的單一修復工藝無法完全解決複雜重度汙染場地的汙染治理難題，迫切需要切實可行的聯合修復工藝技術。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決目前國內土壤及地下水原位修復工程中，重度汙染地塊的土壤及地下水中有機汙染物分布濃度差異大的情形，尤其是針對深層及淺層局部土壤點源零星汙染、重度土水複合有機汙染，修復工期要求緊迫的項目，解決淺層(以雜填土層為主)或深層汙染土壤中局部零星含有汙染源的補充修復難題，節約施工周期。進而提供一種土壤及地下水高壓旋噴與淺層攪拌聯合原位修複方法。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種土壤及地下水高壓旋噴與淺層攪拌聯合原位修複方法，步驟如下，

步驟一、高壓旋噴原位注射點布點、測量定位及引孔

對所要修復的重度汙染地塊進行場地平整壓實、布點、測量定位後引孔。

步驟二、深層的高壓旋噴注射，分為1～3輪注射

採用氣、液二重管工藝，注射藥劑壓力20～30Mpa，氣泵壓力：0.4～0.8Mpa。

第一輪注射(C+N1+N2藥劑)

第一輪注射C藥劑與緩釋劑、pH調節劑的混合溶液。

第一輪注射C藥劑投加比為0.8％～1.2％(純過氧化氫佔土壤溼重的質量百分比)，投加C藥劑濃度為5％～15％，C藥劑與緩釋劑、pH調節劑的質量比為1:0.10～0.25:0.02～0.08。

第一輪注射，在完成步驟一的引孔後啟動。

第二輪注射K藥劑，

第一輪注射完畢藥劑反應兩天後，啟動第二輪注射K藥劑，反應一周。

第二輪注射K藥劑投加比為1％～2％(過硫酸鹽佔土壤溼重的質量百分比)，投加K藥劑濃度為10％～30％。

所述第一輪注射的C藥劑作為第二輪注射K藥劑的活化劑，強化了K藥劑的氧化能力。

第三輪注射K+B藥劑，藥劑反應1～2個月。

第三輪注射在第一輪注射C藥劑完成後兩周啟動，至此，第一輪注射C藥劑基本消耗完。

第三輪注射，採用B藥劑為25％～32％濃度的液鹼溶液，與K藥劑以混合溶液形式同時注入土壤及地下水中，K:B的質量比為1:0.2～2.0。

第三輪注射K藥劑投加比為0.5％～2.7％，投加K藥劑濃度為10％～30％。

三輪高壓旋噴注射藥劑完畢，立即用清水清洗鑽具及高噴鑽杆。

步驟三、淺層的原位攪拌，分為1～2輪施工

a)淺層攪拌分區、測量定位：即網格化分區後測量定位；

b)第一輪淺層原位攪拌(C，F+N1+N2藥劑)：

在步驟二第三輪注射K+B藥劑後，開始第一輪淺層攪拌，投加C藥劑(過氧化氫)溶液及催化劑+緩釋劑+pH值調節劑溶配的混合溶液；

c)第二輪淺層攪拌(C，F+N1+N2藥劑)：

第二輪投加藥劑次序及濃度參數同第一輪淺層攪拌。

在第二輪淺層攪拌完成2～4h後進行表層固化，採用水泥與膨潤土材料進行固化，固化深度不超過1.5m，兩周後淺層達到採樣條件。

步驟三的淺層攪拌最大修復深度≤4m。

步驟四、藥劑反應及地下水監測

完成步驟二所述第三輪注射後，K藥劑完全反應需1～2個月，完成步驟三所述淺層攪拌兩輪攪拌後C藥劑充分反應需1～2周，同時表層地面固化達到了採樣條件後設置地下水監測井，定期監測地下水中的K殘留和pH值參數。

步驟五、自檢及驗收

待高壓旋噴及淺層攪拌均達到充分反應條件，開始採集土壤及地下水樣品，對土壤及地下水中目標汙染物濃度進行檢測，以驗證修復效果。

步驟一中，布點方式及布孔參數(孔距、排距、藥劑擴散半徑)，依據深層高壓旋噴注射修複方法所涉及地層的滲透性參數通過現場試驗確定；所述引孔採用氣動潛孔錘衝擊迴轉成孔工藝，孔徑110mm，孔深穿透淺層攪拌修復深度範圍或至穿透原有基礎為止，通常3～5m深度即可。

步驟二中，C藥劑為過氧化氫，緩釋劑為檸檬酸鈉，簡稱N1藥劑，pH值調節劑為檸檬酸，簡稱N2藥劑，K藥劑為過硫酸鹽，B藥劑為25％～32％濃度的液鹼溶液。

步驟二中，深層區域的高壓旋噴注射局部最高投加比為：C藥劑為1.6％～2.4％；K藥劑為1％～5.4％；最大修復深度＞4m(一般不超過25m)，所述注射深度範圍可以為定深度注射或4m以下修復深度全範圍注射。

步驟二中，三輪注射根據目標汙染物代表性濃度的高低，進行調整，局部存在汙染源的部位，需注射2～3輪，濃度相對較輕部位啟動第三輪注射即可。

步驟三中，網格化分區的單個網格面積為5m×5m。

步驟三中，催化劑為硫酸亞鐵，簡稱F藥劑。

步驟三中，第一輪淺層攪拌，藥劑投加次序為：F+N1+N2→C或F+N1+N2與C同時投加。採用C藥劑投加濃度為10％～15％，所述F+N1+N2混合溶液，濃度為20％～40％，F:N1:N2的質量比為1:1.5～2.5:0.2～0.8。

步驟三中，兩輪攪拌根據目標汙染物代表性濃度的高低，進行調整，局部存在汙染源的部位，需攪拌兩輪，濃度相對較輕部位攪拌一輪即可。

步驟三中，水泥與膨潤土材料進行固化，水泥投加量為土壤溼重的10％～15％，膨潤土投加量為土壤溼重的5％～10％。

本發明的深層高壓旋噴注射——淺層原位攪拌的聯合修復工藝主要用於有機汙染場地重度地塊的土壤及地下水的原位化學氧化修復，尤其作為重度汙染地塊局部含有零星汙染源點源汙染主體修復或補充修復的重要技術手段。同樣，採用相應的還原藥劑本方法可應用於存在有機、重金屬汙染源(如六價鉻)的重度地塊的原位化學還原修復。

本發明的有益效果是：

一、本發明的引孔——深層高壓旋噴注射——淺層原位攪拌的系統，相對於土壤淋洗、熱解吸、原位加熱等系統，不需要複雜的輔助設備(如底泥脫水、水處理、熱氧化室、尾氣處理等)，其所用引孔鑽機、高壓注射鑽機及注射設備、淺層攪拌機械易得，現場安裝快捷、施工操作簡便。

二、本發明的深層高壓旋噴注射——淺層攪拌聯合原位修複方法，充分考慮了土壤及地下水的水文地質條件及機械設備作業能力，淺層由於以滲透性差異大的雜填土為主、深層分布有多層土質及賦存地下水。淺層採用高壓注射容易造成返漿、藥劑浪費，且修復效果難以保證；而深層存在局部點源汙染的情形，超出了淺層攪拌機械作業深度範圍。因此，單一修復工藝難以解決重度汙染地塊的土壤及地下水有機汙染問題。

三、本發明的深層高壓旋噴注射——淺層攪拌聯合原位修複方法，相對於異位開挖進行水泥窯協同共處置技術，既避免了因深基坑開挖存在的安全隱患，又有效杜絕了因單獨抽出處理地下水及運輸VOCs/SVOCs汙染土壤產生的二次汙染問題。

四、本發明的深層高壓旋噴注射——淺層攪拌聯合原位修複方法，相對於原位加熱技術，成本較低，可針對局部點源汙染深度範圍，進行淺層原位多次攪拌或深層局部多輪注射，達到良好的修復效果。由於汙染汙染場地地下水埋藏淺且豐富，半揮發性有機汙染物沸點相對較高、蒸氣壓低，一般需加熱至較高溫度(如120℃～180℃)才具備原位加熱後氣化抽提的可能，同時，飽和層修復需布設大面積的止水帷幕，因此修復費用極高。

五、本發明的深層高壓旋噴注射——淺層攪拌聯合原位修複方法，相對於原位抽提——洗脫技術，具有工期較短、效果顯著、可適應各種地層的優勢，一般在數月即可完成修復。而受到土壤滲透性的制約，粘土層(如粉質粘土)的原位衝洗需數年才能完成，在低滲透汙染場地不具有可行性。

六、本發明的深層高壓旋噴注射——淺層攪拌聯合原位修複方法，深層採用多輪注射，先注射反應周期較短的C藥劑，後注射反應周期較長的K藥劑，一方面C藥劑殘留可作為後期注射K藥劑的活化劑，另一方面在強化修復效果的同時提高了藥劑的利用率。淺層採用C藥劑，考慮多次攪拌後固化快速達到採樣條件，節約工期。該組合工藝修復藥劑局部投加比由單輪K注射投加比3％左右提高至5％左右，有效解決了局部點源汙染的藥劑投加量問題，同時解決了修復周期與修復效果的矛盾問題。

七、本發明的深層高壓旋噴注射——淺層攪拌聯合原位修複方法，其中深層高壓高壓旋噴注射優於深層攪拌技術，可應用於深層局部含有汙染源的複雜重度場地，通過定深度多次注射，提高注射量，解決深層局部零星點源汙染問題。而深層攪拌為自上而下的機械攪拌，存在擴散半徑小、擾動非汙染層導致汙染擴散等缺陷。

附圖說明

圖1為本發明一種土壤及地下水高壓旋噴與深層攪拌的原位化學氧化聯合修復工作原理示意圖。

圖2為圖1中的A1A2A3A4剖面放大圖。

圖3為圖1中的B1B2B3B4剖面放大圖。

圖4為實施例1某重度汙染N3-1土壤/地下水地塊土壤修復效果圖。

圖5為實施例2某重度汙染N3-1土壤/地下水地塊土壤修復效果圖。

圖中的附圖標記，1為待作業淺層攪拌標準單元網格，2為高壓旋噴注射點，3為藥劑C溶液，4為藥劑F+N1+N2混合溶液，5為壓縮空氣流入口，6為高壓藥劑液流入口，7為正在作業淺層攪拌標準單元網格，8為地下水位線，9為引孔段，10為第n+1個汙染源，11為淺層攪拌土壤及地下水與藥劑混合區，12為高壓旋噴注射孔藥劑噴射終點，13為注漿段(藥劑注射)，14為高壓旋噴注射藥劑擴散區，15為第n個汙染源，16為藥劑與土壤和地下水混合(含汙染源)，17為第二個汙染源，18為壓縮空氣噴出流，19為高壓藥劑液流噴出口、20為第一個汙染源，21為高壓旋噴注射孔藥劑噴射起點，22為地面，23為雜填土層(汙染層)，24為粉質粘土層(汙染層)，25為高壓旋噴注射修復頂面，26為粉細砂(汙染層)，27為粉質粘土層(汙染層)，28為高壓旋噴注射修復底面，29為粉質粘土層(非汙染層)，a為淺層攪拌標準網格邊長，b為高壓旋噴注射點排距，c為孔距，L1為汙染源1代表深度範圍，L2為汙染源2代表深度範圍，Ln為汙染源n代表深度範圍，R為高壓旋噴注射藥劑擴散半徑，H1為淺層的原位攪拌最大修復深度，H2為深層高壓旋噴注射最大深度。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明做進一步的詳細說明：本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式，但本發明的保護範圍不限於下述實施例。

如圖1～圖5所示，本實施例所涉及的一種土壤及地下水高壓旋噴與淺層攪拌聯合原位修複方法，包括以下步驟：

步驟一、高壓旋噴原位注射點布點、測量定位及引孔

對所修復的重度汙染地塊進行場地平整壓實、布點、測量定位後引孔。

所述布點方式及布孔參數(孔距、排距、藥劑擴散半徑)，依據深層高壓旋噴注射修復地層粉質粘土層24、粉細砂26，選擇以低滲透性的粉質粘土層24的擴散半徑作為高壓旋噴注射藥劑擴散半徑R，相應確定其布孔參數：孔距c、排距b。

所述引孔採用氣動潛孔錘衝擊迴轉成孔工藝，孔徑110mm，孔深穿透淺層攪拌涉及雜填土層23、粉質粘土層24，深度為4m。

步驟二、深層的高壓旋噴注射，分為1～3輪注射

採用氣、液二重管工藝，注射藥劑壓力20～30Mpa，修復藥劑液流自高壓藥劑液流入口輸送至高壓藥劑液流噴出口19；氣泵壓力：0.4～0.8Mpa，壓縮空氣自壓縮空氣流入口5輸送至壓縮空氣噴出流18。

第一輪注射：

第一輪注射C藥劑C+N1+N2的混合溶液。

第二輪注射：

第二輪注射K藥劑。

第一輪注射完畢藥劑反應兩天後，啟動第二輪注射K藥劑，反應一周。

第三輪注射：

第三輪注射K+B藥劑，藥劑反應1～2個月。

所述三輪注射藥劑自下而上噴射，由高壓旋噴注射孔藥劑噴射起點21噴射至高壓旋噴注射孔藥劑噴射終點12結束單孔作業。

所述三輪注射藥劑注射量根據第一個汙染源20、第二個汙染源17、…、第n+1個汙染源10對應的所代表深度範圍L1、L2、Ln內的土壤中的目標汙染物的濃度調整單孔每延米注漿量。

所述深層高壓注射修復深度範圍為H2～H1(實施例1中為4～12m)，粉質粘土層(非汙染層)26以下層位為隔水層不進行注射。

步驟三、淺層的原位攪拌，分為1～2輪施工

a)淺層攪拌分區、測量定位：網格化分區(優選5m×5m)後測量定位，攪拌分區分為待作業淺層攪拌標準單元網格1、正在作業淺層攪拌標準單元網格7；修復深度為0～4m，地面22以下1m為地下水位線8，即0～1m為非飽和層，1～4m為飽和層；

b)第一輪淺層原位攪拌

在第三輪注射K+B藥劑後，開始第一輪淺層攪拌，投加C藥劑溶液及F+N1+N2溶配的混合溶液；

所述第一輪淺層攪拌，藥劑投加次序為：F+N1+N2→C。

所述兩輪淺層攪拌藥劑C溶液3、藥劑F+N1+N2混合溶液4分別由相應配藥站提供投加所攪拌區域，並通過由挖機+專業淺層攪拌頭組裝的淺層攪拌機械設備進行作業，使其在淺層攪拌土壤及地下水與藥劑混合區11進行反應。

c)第二輪淺層攪拌

第二輪投加藥劑次序及濃度參數同第一輪淺層攪拌。

所述表層固化在第二輪淺層攪拌完成2～4h後進行，採用水泥與膨潤土材料進行固化，固化深度不超過1.5m，兩周後淺層達到採樣條件。

所述步驟三的淺層攪拌最大修復深度為H1(實施例1中為4m)。

步驟三所述兩輪攪拌根據目標汙染物代表性濃度的高低，進行調整，局部存在汙染源的部位(第n+1個汙染源10)，需攪拌兩輪，濃度相對較輕部位攪拌一輪即可。

步驟四、藥劑反應及地下水監測

完成步驟二所述第三輪注射後，K藥劑完全反應需1～2個月，完成步驟三所述淺層攪拌兩輪攪拌後C藥劑充分反應需1～2周，待表層地面固化也達到採樣條件後設置地下水監測井，定期監測地下水中的K殘留、pH值參數。

步驟五、自檢及驗收

最後一輪高壓旋噴注射完成1～2個月，開始採集土壤及地下水樣品，對土壤及地下水中目標汙染物氯苯、對/鄰硝基氯化苯濃度進行檢測，以驗證修復效果。

實施例1

本實施例為有機汙染土壤/地下水修復工程中重點汙染地塊/區域的原位化學氧化技術應用深層高壓旋噴注射——淺層原位攪拌的聯合修復工藝實現修復藥劑(氧化劑K、C)投加的方法，本實施例中沒有特別說明的操作，參照發明內容中已經給出的方法進行，在此不再贅述。

本實施例具體如下所述：

以南京某化工廠土壤及地下水修復工程為例，該項目土壤修復工程量25.8萬方、地下水修復工程量17萬平，土壤及地下水中的目標汙染物為氯苯、對/鄰硝基氯化苯(以下簡稱「對/鄰硝」)等VOCs/SVOCs類有機物。其中重度汙染地塊(N3-1、N3-2地塊)所佔比重較大，土壤修復工程量佔78.73％，與之同時修復的地下水修復工程量佔10.00％，也是本項目的難點和重點。針對重度汙染地塊主體修復採用單一的高壓旋噴注射原位化學氧化(注射K藥劑)修復工藝難以完全達標的情形，考慮該地塊地下水埋藏淺(1m)，淺層含有雜填土和粉質粘土兩層汙染土層、深層4～12m深度內分布有粉細砂及粉質粘土兩層汙染土層，且淺層或深層局部含有零星汙染源(對/鄰硝＞1000ppm)，補充修復採用了本發明方法。

實施例2

本實施例對實施例1中針對局部重度土壤的目標汙染物氯苯、對/鄰硝基氯化苯(簡稱對/鄰硝)的高壓旋噴注射與淺層攪拌聯合原位修複方法的修復效果進行評價。

主體修復採用了注射一輪K藥劑的工藝方案，第一輪驗收發現局部存在零星汙染源超標較為嚴重，因此，補充修復採用本發明方法，即：深層4～12m深度採用高壓旋噴注射工藝，0～4m深度採用淺層原位攪拌工藝。如圖4、圖5所示，局部3m、9m位置存在汙染源(對/鄰硝＞1000ppm)，採用多輪注射及攪拌後，土壤中的主要目標汙染物氯苯、對/鄰硝均達標，修復效果顯著，同時採用組合藥劑節約了工期。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，這些具體實施方式都是基於本發明整體構思下的不同實現方式，而且本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。