巖土施工技術(shù)應(yīng)用于污染場(chǎng)地修復(fù)中的問題及研究

宋剛練

（1. 上海市地礦工程勘察院，上海 200072；2. 上海市地礦建設(shè)有限責(zé)任公司，上海 200436）

近年來，隨著我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展，產(chǎn)生了大量的污染場(chǎng)地，對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境有著無法估量的影響。因此，污染土壤及地下水修復(fù)技術(shù)的研究備受關(guān)注。目前，污染場(chǎng)地的修復(fù)可分為異位修復(fù)和原位修復(fù)兩種[1]。其中，原位修復(fù)是在污染場(chǎng)地上直接進(jìn)行處理，與異位修復(fù)比較，具有施工簡單、成本較低、對(duì)周邊環(huán)境擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，受到了廣泛的應(yīng)用[2-3]。

在原位修復(fù)技術(shù)應(yīng)用中，藥劑注入的效率及注入后藥劑與污染土壤的混合程度是影響原位修復(fù)工期和效果的重要因素。傳統(tǒng)的施工方法不能很好地將溶劑注入污染場(chǎng)地的準(zhǔn)確位置，特別是對(duì)深度較深，面積較大的污染場(chǎng)地修復(fù)，修復(fù)周期長、投資大，修復(fù)效率低。巖土施工技術(shù)（深層攪拌[4]、高壓旋噴[5]）應(yīng)用于污染場(chǎng)地原位化學(xué)修復(fù)中，能夠?qū)崿F(xiàn)污染土壤和修復(fù)藥劑的快速、高效、均勻混合（特別是深層污染土壤），并保證了污染土壤中污染物的高效去除。唐小龍等探究了直壓注射法、注射井法、高壓—旋噴注射法等藥劑投加與分散技術(shù)的適用性，控制參數(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)等，其中高壓—旋噴法在工程實(shí)踐中表現(xiàn)出了良好的修復(fù)效果[6]。邵樂等將原位還原穩(wěn)定化—高壓旋噴注射修復(fù)技術(shù)成功應(yīng)用于某鉻鹽廠中試，修復(fù)效果明顯[7]，適應(yīng)于類似污染場(chǎng)地的土壤修復(fù)項(xiàng)目，但修復(fù)后土體強(qiáng)度受到破壞，嚴(yán)重制約了該技術(shù)的推廣和應(yīng)用。高駿采用高壓旋噴注漿法和深層攪拌法對(duì)南京燕子磯老工業(yè)區(qū)有機(jī)物污染土壤進(jìn)行了修復(fù)，效果好、工期短、投資低[8]，值得應(yīng)用推廣，但修復(fù)后場(chǎng)地承載力不足的問題沒能得到解決。

基于以上背景，本研究針對(duì)巖土施工技術(shù)在污染場(chǎng)地修復(fù)中存在的問題進(jìn)行了深入的分析和探究，通過在修復(fù)藥劑中投加適量的固化劑，克服巖土施工設(shè)備對(duì)污染場(chǎng)地修復(fù)后地基承載力不足的缺點(diǎn)。從而提升巖土施工技術(shù)在上海地區(qū)低滲透性土層的污染場(chǎng)地中的應(yīng)用前景，也為上海地區(qū)原位修復(fù)工程的實(shí)施提供技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

供試土壤樣品取自上海市某有機(jī)污染場(chǎng)地，該污染場(chǎng)地主要以苯、氯苯、1,4-二氯苯等芳香烴污染為主。采集深度為50～100cm，采集的土壤樣品除去其中的石子等建筑垃圾后密封帶回實(shí)驗(yàn)室以備使用。

實(shí)驗(yàn)藥劑：選用國內(nèi)市場(chǎng)常用氧化劑過硫酸鈉（Na2S2O8，AR），蒸餾水自制。固化劑為普通的硅酸鹽水泥（P.O42.5）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

高壓旋噴和深層攪拌設(shè)備在污染場(chǎng)地進(jìn)行原位注入修復(fù)藥劑時(shí)，通過形成高壓噴射流沖擊破壞土層或利用攪拌鉆頭的強(qiáng)制攪拌作用實(shí)現(xiàn)修復(fù)藥劑與污染土壤的充分混合，與此同時(shí)土體的原始結(jié)構(gòu)受到了嚴(yán)重的破壞，并且修復(fù)藥劑是以一定比例的溶液注入，使得污染場(chǎng)地在達(dá)到修復(fù)目標(biāo)的同時(shí)，修復(fù)后的土體呈漿糊狀承載力極低，導(dǎo)致后續(xù)的施工機(jī)械無法進(jìn)入，對(duì)于場(chǎng)地的再開發(fā)利用帶來了極大的困難。因此，本節(jié)中通過在修復(fù)藥劑中添加一定比例的固化劑（水泥），保證在對(duì)污染土壤進(jìn)行修復(fù)的同時(shí)，提高修復(fù)后土體的承載力，滿足后期施工的需求，并探究了固化劑（水泥）對(duì)污染場(chǎng)地修復(fù)效果的影響。

分別稱取200g污染土樣，投加不同比例的過硫酸鈉及水泥，待攪拌均勻后，養(yǎng)護(hù)一周送樣對(duì)污染土壤中有機(jī)污染物的濃度進(jìn)行檢測(cè)。方案一為按照1%比例添加過硫酸鈉的土樣，共設(shè)2個(gè)分組；方案二為按照3%比例添加過硫酸鈉的土樣，共設(shè)5個(gè)分組；方案三為按照5%比例添加過硫酸鈉的土樣，共設(shè)2個(gè)分組；方案四為按照7%比例添加過硫酸鈉的土樣，共設(shè)2個(gè)分組，方案五為按照9%比例添加過硫酸鈉的土樣，共設(shè)2個(gè)分組。具體樣品分組見表1。

表1 固化劑對(duì)過硫酸鈉氧化效果影響參數(shù)設(shè)置Table 1 Effect of curing agent on the oxidation effect of sodium persulfate

2 結(jié)果與討論

2.1 固化劑（水泥）對(duì)過硫酸鈉氧化性能的影響

本節(jié)通過小試實(shí)驗(yàn)研究了固化劑（水泥）的投加對(duì)修復(fù)藥劑修復(fù)效果的影響，其中不同投加量的過硫酸鈉對(duì)氯苯降解率的具體變化如圖1所示。

從圖1中可以看出，隨著氧化劑過硫酸鈉的濃度不斷增加，其對(duì)污染土壤中氯苯的降解率也不斷地增加，當(dāng)過硫酸鈉的投加量在7%左右時(shí)，氧化劑對(duì)氯苯的降解率能夠達(dá)到90%以上。并且隨著氧化劑投加量的繼續(xù)增加，氯苯的降解率沒有明顯的變化，因此在考慮成本的情況下，7%的氧化劑投加量比較合適。

并且從圖1中還可以看出，在氧化劑投加量相同時(shí)，投加固化劑（水泥）的氧化劑對(duì)氯苯的降解率曲線始終高于單一氧化劑對(duì)氯苯的降解率曲線，說明固化劑（水泥）的加入，在一定程度上促進(jìn)了氧化劑對(duì)氯苯的降解，原因可能是由于固化劑（水泥）偏堿性，過硫酸鈉最佳的反應(yīng)環(huán)境為弱堿性，而在過硫酸鈉氧化有機(jī)物的過程中會(huì)產(chǎn)生H+，使溶液的pH值變小，固化劑（水泥）的加入適當(dāng)?shù)貜浹a(bǔ)了過硫酸鈉的分解使溶液pH的下降，有利于過硫酸鈉發(fā)揮更有效的氧化作用。同時(shí)固化劑（水泥）在與氧化藥劑混合的過程中，能夠放出一部分熱量，相當(dāng)于在氧化劑降解氯苯的過程中起到了熱激活的作用，從而也能提高過硫酸鈉對(duì)氯苯的降解效果。

圖1 不同氧化劑投加量對(duì)氯苯降解率的影響Fig.1 Effect of different oxidant dosages on the degradation rate of chlorobenzene

從圖2中可以看出，隨著氧化劑過硫酸鈉的濃度不斷增加，其對(duì)污染土壤中氯苯的降解率也不斷地增加。并且從圖2中還可以看出，在氧化劑投加量相同時(shí)，投加固化劑（水泥）的氧化劑對(duì)1,4-二氯苯的降解率曲線始終高于單一氧化劑對(duì)1,4-二氯苯的降解率曲線，說明固化劑（水泥）的加入，在一定程度上促進(jìn)了氧化劑對(duì)1,4-二氯苯的降解。原因可能為P.O42.5型硅酸鹽水泥偏堿性，一定程度上可以作為過硫酸鈉的堿激活劑，在其作用下過硫酸鈉活化分解成具有強(qiáng)氧化性的硫酸根自由基（SO42-）。該硫酸根自由基氧化還原電位（E）可達(dá)到+2.6V，遠(yuǎn)超過硫酸鈉在沒有活化劑參與情況下的2.1V氧化還原電位，故對(duì)1,4-二氯苯等有機(jī)污染的降解效果更明顯。

圖2 不同氧化劑投加量對(duì)1,4-二氯苯降解率的影響Fig.2 Effect of different oxidant dosages on the degradation rate of 1,4-dichlorobenzene

2.2 不同投加量的氧化劑對(duì)污染物氧化效果的評(píng)估

本節(jié)通過小試實(shí)驗(yàn)研究了不同投加量的氧化劑對(duì)苯降解率的影響。從圖3可以看出，隨著氧化劑過硫酸鈉的濃度不斷增加，其對(duì)污染土壤中苯的降解率也不斷地增加。并且，在氧化劑投加量相同時(shí)，投加固化劑（水泥）的氧化劑對(duì)苯的降解率曲線始終高于單一氧化劑對(duì)苯的降解率曲線，說明固化劑（水泥）的加入，在一定程度上促進(jìn)了氧化劑對(duì)苯的降解。同時(shí)，本污染場(chǎng)地中對(duì)苯的修復(fù)目標(biāo)值為0.9mg/kg，圖3也顯示，單一的過硫酸鈉和添加水泥的過硫酸鈉對(duì)苯的降解效果均達(dá)到了修復(fù)目標(biāo)值的要求。

2.3 不同投加量的固化劑（水泥）對(duì)污染物氧化效果的影響

從圖4中可以看出，隨著過硫酸鈉中水泥添加比例的逐漸上升，污染土壤中氯苯、1,4-二氯苯等有機(jī)污染物濃度也在不斷下降，其趨勢(shì)主要分3個(gè)區(qū)間段：先快速下降、再緩慢下降、最后趨于平緩。其中上述污染物濃度在0～3%水泥區(qū)間段的下降趨勢(shì)異常顯著，在3%～6%水泥區(qū)間段的下降趨勢(shì)較為適中，而最后在6%～13%水泥區(qū)間段的下降趨勢(shì)則慢慢趨于平緩，說明當(dāng)固化劑濃度高于6%時(shí)，其對(duì)污染物的去除效果影響不大。

圖3 不同比例氧化劑投加量對(duì)苯降解率的影響Fig.3 Effect of different proportions of oxidant dosage on the degradation of benzene

圖4 不同比例水泥對(duì)污染物降解效果的影響Fig.4 Effect of different proportions of cement on the degradation of pollutants

通過參照袁寶 等對(duì)水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的研究[9]可以看出，隨水泥摻量增大，水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大，水泥摻量由2%增大到10%，水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值由676kPa 增大到1514kPa。這主要是由于隨水泥摻量增加，水泥水化作用和火山灰反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)土體的填充和擠密作用加強(qiáng)，從而提高了水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。本研究中水泥摻量為6%，水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度能達(dá)到1000kPa左右，滿足修復(fù)后場(chǎng)地再開發(fā)利用中對(duì)地基承載力的要求。因此，在工程應(yīng)用中固化劑水泥的添加比例應(yīng)控制在6%左右。

3 總結(jié)

本文在綜合之前研究成果的基礎(chǔ)上，開展了高壓旋噴和深層攪拌設(shè)備在污染場(chǎng)地修復(fù)中應(yīng)用的研究，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可得出以下結(jié)論：

（1）通過開展小試實(shí)驗(yàn)研究得出，加入的固化劑（水泥）能夠作為氧化藥劑過硫酸鈉的堿激活劑和熱活化劑，進(jìn)而提高過硫酸鈉對(duì)污染土壤中有機(jī)物的氧化性能。

（2）巖土施工設(shè)備應(yīng)用于污染場(chǎng)地原位修復(fù)中，能夠?qū)崿F(xiàn)修復(fù)藥劑與污染物的快速、高效混合，通過小試試驗(yàn)結(jié)果可以看出，添加6%固化劑的過硫酸鈉對(duì)污染土壤中有機(jī)物的去除效果均滿足場(chǎng)地修復(fù)目標(biāo)值的要求。

（3）為了提高修復(fù)后土體的承載力，本研究中水泥摻量為6%，水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度能達(dá)到1000kPa左右，滿足修復(fù)后場(chǎng)地再開發(fā)利用中對(duì)地基承載力的要求。

（4）本文提出了巖土施工技術(shù)應(yīng)用于污染場(chǎng)地原位修復(fù)中修復(fù)后場(chǎng)地承載力不足的問題及相應(yīng)的解決對(duì)策和建議，為巖土施工技術(shù)在全國污染場(chǎng)地修復(fù)工程中的大力推廣提供了可靠的保證。