高壓旋噴注射修復(fù)技術(shù)的改進(jìn)及應(yīng)用

湯 喬

(常州市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，江蘇 常州 213001)

1 概述

近年來(lái)，我國(guó)場(chǎng)地污染問(wèn)題逐步凸顯，對(duì)生態(tài)環(huán)境、食品安全和人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。據(jù)報(bào)道我國(guó)面積超過(guò)1萬(wàn)m2的污染場(chǎng)地超過(guò)50萬(wàn)塊，其中大部分集中在長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲和東北老工業(yè)基地等重點(diǎn)區(qū)域[2]。與農(nóng)業(yè)耕地表層污染有所不同，工業(yè)污染場(chǎng)地的污染深度最大可達(dá)數(shù)十米，下伏土層和地下水也會(huì)受到污染物影響。這些污染造成的損失非常巨大，如何對(duì)其進(jìn)行處理和控制，使之既滿足環(huán)境安全需要又達(dá)到再開(kāi)發(fā)利用功能，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)城市可持續(xù)發(fā)展所必須解決的重大課題[3]。

當(dāng)前，退役工業(yè)場(chǎng)地遺留的污染土壤及地下水污染問(wèn)題較為嚴(yán)重。對(duì)于滲透性較好的污染土層，利用鉆探架設(shè)注液井將藥劑注入污染土層進(jìn)行一系列反應(yīng)即可完成對(duì)土壤和地下水的原位修復(fù)。但是對(duì)于蘇南地區(qū)普遍存在的中低滲透土層，修復(fù)藥劑的滲透效率和傳質(zhì)效率大大降低，簡(jiǎn)單的施工工藝已經(jīng)無(wú)法產(chǎn)生較好的修復(fù)效果[4]。因此，當(dāng)前污染場(chǎng)地修復(fù)的難點(diǎn)在于開(kāi)發(fā)符合中-低滲透土層的修復(fù)技術(shù)體系，為中-低滲透土層的污染場(chǎng)地修復(fù)提供理論與技術(shù)支撐。

高壓旋噴技術(shù)在一定程度上解決低滲土壤治理效果差問(wèn)題。高壓旋噴輔以土壤助滲劑能對(duì)地下土體產(chǎn)生擾動(dòng)形成土壤重塑區(qū)，可顯著提高土壤滲透系數(shù)，進(jìn)而增強(qiáng)原位修復(fù)藥劑在土壤中的傳質(zhì)效率[5]。但是高壓旋噴注射只能短時(shí)間噴射化學(xué)藥劑，不能持續(xù)穩(wěn)定注射化學(xué)試劑，很難控制化學(xué)試劑劑量，導(dǎo)致治理不徹底引發(fā)污染物解吸反彈或治理過(guò)度引發(fā)二次污染。同時(shí)直接使用高壓旋噴技術(shù)注射藥劑對(duì)高壓旋噴設(shè)備腐蝕性較大，不可持續(xù)[6]。

加壓注射-抽提聯(lián)用技術(shù)能使修復(fù)藥劑在污染土層中形成穩(wěn)定的壓差，可實(shí)現(xiàn)污染場(chǎng)地的長(zhǎng)期、持續(xù)、穩(wěn)壓修復(fù)。蘇南地區(qū)的非均質(zhì)土層滲透系數(shù)較低，適于采用壓力注射井與多相抽提井結(jié)合的方式進(jìn)行原位修復(fù)[7]。但由于地層的界面效應(yīng)，修復(fù)藥劑在這種非均質(zhì)地層中的滲透效率和傳質(zhì)效率不高，不能與污染物充分混合[8]。

因此，本文通過(guò)將上述兩種技術(shù)相結(jié)合，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，利用高壓旋噴對(duì)土壤的擾動(dòng)作用，形成大面積的土壤重塑區(qū)提高土壤滲透系數(shù)，再通過(guò)建立抽、注井形成土層長(zhǎng)效修復(fù)的藥劑擴(kuò)散通道和壓力差，加速藥劑的擴(kuò)散速率并增加藥劑的影響范圍，提升中-低滲透污染場(chǎng)地的修復(fù)效果[9]。

2 應(yīng)用方法

在進(jìn)行污染土層修復(fù)前，首先要根據(jù)污染場(chǎng)地調(diào)查的情況建立污染場(chǎng)地修復(fù)模型。根據(jù)污染場(chǎng)地修復(fù)模型，確定污染場(chǎng)地修復(fù)單元的布置位置和布置數(shù)量。每個(gè)基本單元由4口注液井和1口抽取井組成，平面布置為4口注液井組成正方形，抽取井放置在正方形中心，如圖1所示。

定位并鉆探形成注液井后，利用高壓旋噴對(duì)污染土體注射高壓水、氣，破壞土層原狀結(jié)構(gòu)，切削成泥餅狀結(jié)構(gòu)，形成直徑大于700 mm重塑土區(qū)域。以便草木灰+砂均勻的摻入低滲透污染物土體中，重塑區(qū)域的直徑是注液井的14倍以上，單井修復(fù)面積擴(kuò)大200倍以上。

破壞土層形成重塑區(qū)后，相同位置在噴射水、氣同時(shí)注入草木灰+砂。在高壓噴射流的沖擊力、離心力和重力等作用下，草木灰+砂與低滲透污染物土體充分混合，改變低滲透污染土體顆粒級(jí)配，增加重塑區(qū)域土體的滲透性。解決了在低滲透污染土體難以注入化學(xué)藥劑，化學(xué)藥劑影響范圍小的問(wèn)題。

高壓旋噴成孔后，在孔內(nèi)放置直徑為50 mm的注液管，在污染土體重塑區(qū)域內(nèi)的注液管上開(kāi)小孔。以便氧化、還原、萃取化學(xué)試劑、微生物持續(xù)穩(wěn)定注入污染土體。注液管注液可以持續(xù)穩(wěn)定向污染土體注入化學(xué)藥劑，還可以根據(jù)抽取井的污染物檢測(cè)情況來(lái)及時(shí)調(diào)整化學(xué)藥劑用量。解決了高壓旋噴難以控制化學(xué)藥劑劑量——化學(xué)藥劑使用過(guò)量，造成二次污染，化學(xué)藥劑使用過(guò)少，污染物解吸反彈等問(wèn)題；避免了化學(xué)藥劑對(duì)高壓旋噴設(shè)備的腐蝕性。

以同樣的鉆孔及高壓旋噴方法形成抽提井后，在抽提井內(nèi)放置直徑為150 mm PVC管，在PVC管上開(kāi)小孔，開(kāi)孔位置在污染土體重塑區(qū)域內(nèi)，在PVC管與鉆孔之間放置過(guò)濾材料石英砂，石英砂剛好包裹住開(kāi)孔部位，在石英砂上面設(shè)置隔水、隔氣材料膨潤(rùn)土，以便抽水、氣形成負(fù)壓，抽水、氣井結(jié)構(gòu)如圖2所示。

通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)抽提井溶液，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控修復(fù)效果，有效控制用藥劑量，避免污染物解吸反彈、二次污染；注液井和抽取井之間存在壓力差，增加了滲透范圍，加快了滲透速率，提高了化學(xué)藥劑與污染物反應(yīng)速率；控制了化學(xué)藥劑滲透范圍，避免形成二次污染；在重塑土草木灰+砂和壓力差的影響下，修復(fù)面積較抽提井相比擴(kuò)大了100多倍，滲透的范圍和提升能力明顯提高。

本方法采用高壓旋噴向土體注入水、氣，破壞直徑大約為700 mm污染土體原狀結(jié)構(gòu)，形成泥餅狀結(jié)構(gòu)，以便注入草木灰+砂均勻摻入污染土體，改變土體的顆粒級(jí)配，增加土體的滲透系數(shù)。采用注液管向滲透性改善重塑土體持續(xù)穩(wěn)定的注入化學(xué)藥劑，使化學(xué)藥劑與土體污染物有充分反應(yīng)時(shí)間。抽提井采用抽取形成負(fù)壓，加大注液井與抽取井的壓力差，加快化學(xué)藥劑滲透速率，增加反應(yīng)速率和滲透范圍，達(dá)到增加修復(fù)范圍，大大縮短修復(fù)周期，還能控制化學(xué)藥劑劑量、滲透路徑、滲透范圍，避免形成二次污染。具體流程如圖3所示。

3 實(shí)際應(yīng)用

常州地區(qū)天馬工地經(jīng)場(chǎng)地調(diào)查后發(fā)現(xiàn)其主要污染物為氯、苯等有機(jī)質(zhì)污染，通過(guò)傳統(tǒng)高壓旋噴注射的原位修復(fù)方式一直未能達(dá)到修復(fù)要求，原因是修復(fù)藥劑的作用時(shí)間短，短期內(nèi)經(jīng)修復(fù)的局部區(qū)域污染濃度達(dá)到管控要求，但經(jīng)過(guò)一個(gè)月的污染監(jiān)測(cè)，該區(qū)域污染濃度再次超標(biāo)，與此同時(shí)，施工過(guò)程中使用的高壓旋噴器械腐蝕嚴(yán)重，成本高昂。后來(lái)該工地采用了本文提出的高壓旋噴注液的改進(jìn)方法，以高壓旋噴施工工藝對(duì)污染土層進(jìn)行重塑改造，增加了其滲透性，再以注射抽提技術(shù)對(duì)污染土層進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定注藥修復(fù)，使污染場(chǎng)地的氯苯污染物濃度達(dá)到管控值以下。經(jīng)過(guò)對(duì)場(chǎng)地長(zhǎng)期的污染監(jiān)測(cè)，場(chǎng)地未發(fā)生污染濃度再次增加的現(xiàn)象，修復(fù)效果長(zhǎng)期有效。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)高壓旋噴注射技術(shù)作用時(shí)間短、藥劑量難以控制、設(shè)備腐蝕嚴(yán)重等問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。通過(guò)將高壓旋噴工藝與高壓注射抽提技術(shù)相結(jié)合，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，完成對(duì)污染土層的長(zhǎng)期、高效、穩(wěn)定修復(fù)。利用該技術(shù)在常州地區(qū)天馬工地進(jìn)行針對(duì)應(yīng)用，以較低的成本解決了天馬場(chǎng)地低滲透土層的修復(fù)難題。通過(guò)對(duì)場(chǎng)地的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，場(chǎng)地內(nèi)污染濃度未出現(xiàn)再次增加的現(xiàn)象，修復(fù)效果長(zhǎng)期有效。