污染場地原位修復注入設備的研制和應用

鄭瑾；張利賓，3；艾紹磊，3；李興春；杜顯元；高春陽

（1.石油石化污染物控制與處理國家重點實驗室；2.中國石油集團安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司；3.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司；北京 102206）

1 研發(fā)背景

土壤作為人類、動植物和微生物賴以生存的重要環(huán)境基礎(chǔ)，是自然界物質(zhì)和能量參與轉(zhuǎn)化、遷移和積累等循環(huán)過程的重要場所。然而，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，土壤污染問題日益突出。目前，土壤污染被視為與大氣污染、水污染齊驅(qū)的三大污染之一，已成為社會各界的關(guān)注熱點,根據(jù)環(huán)境保護部和國土資源部發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公告》顯示，我國土壤總超標率高達16.1%。近年來，污染土壤的原位修復由于無需對土方進行開挖、擾動小、成本低，得到廣泛應用，美國自80年代中期以來，已經(jīng)投入大量資金用于原位土壤修復，一些新的原位修復技術(shù)應運而生，如原位化學氧化、原位化學還原、原位微生物修復等。

原位注入修復技術(shù)中直壓式注入法因具有靈活性高，易于優(yōu)化注入點，對藥劑滲透裂隙的發(fā)展具有較強的控制力等優(yōu)點，逐漸被廣泛應用于污染土壤原位修復工程中。直壓式注入技術(shù)使用的主要設備包括直壓式鉆機、注入鉆具和藥劑泵入裝置。目前的設備開發(fā)主要集中在直壓式鉆機的國產(chǎn)化研發(fā)和注入鉆具的功能改進，提供藥劑供給的藥劑泵入設備在現(xiàn)場使用時存在機動化性能差、集成化程度低、智能化程度弱等問題，是制約該技術(shù)在現(xiàn)場高效應用的因素之一。因此本文設計研發(fā)了一種實用的注入設備，以保證原位修復的高效注入及參數(shù)優(yōu)化。該注入設備不僅集成了修復場地所需的必要設備，而且在性能上得到了大幅提升和改進。經(jīng)過現(xiàn)場驗證，注入設備運行穩(wěn)定、效果良好，修復效率與常規(guī)配置相比明顯得到提高。

2 總體方案設計

污染場地原位修復注入設備(以下簡稱注入設備)如圖1所示。該注入設備由移動橇、高壓注漿泵、氣路管匯、液路管匯、鉆具室、多參數(shù)監(jiān)測設備、加藥泵以及藥劑罐等組成。

圖1 污染場地原位修復注入設備

2.1 工藝流程說明

該注入設備工藝流程如圖2所示，使用加藥泵將配置好的生物藥劑、化學藥劑分別加入生物藥劑罐、化學藥劑罐進行存儲，使用攪拌器對生物藥劑和化學藥劑進行進一步的攪拌混合，為后續(xù)注入使用。

圖2 注入設備工藝流程圖

（1）藥劑注入：通過注漿泵或雙液注漿泵可分別將生物藥劑和化學藥劑分層壓裂注入地下土壤污染源，促進污染物的快速分解，達到土壤修復的預期效果。

（2）氣體注入：通過無油空壓機向土壤內(nèi)注入空氣，為地下土壤修復的微生物提供良好的好氧環(huán)境；同時可通過無油空壓機向生物藥劑罐和化學藥劑罐進行曝氣。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）該注入設備橇體根據(jù)專用拖車底盤設計，前橋通過轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)設備轉(zhuǎn)向功能，通過牽引車能夠在污染場地內(nèi)自由移動，設備機動性強。

（2）該注入設備將注入鉆具、藥劑罐、控制系統(tǒng)、注漿泵、注入管匯等集成設計，不僅具有很強的實用性和便利性，而且提高了作業(yè)效率。

（3）通過儀表傳感器和電動控制閥，實現(xiàn)對注入設備的自動監(jiān)測和控制，降低作業(yè)人員工作強度，提高設備智能化和操作性。

（4）系統(tǒng)設有15路水質(zhì)傳感器數(shù)據(jù)采集器，可同時監(jiān)測3口監(jiān)測井，每口井可監(jiān)測pH,電導率，水位，溶解氧，氧化還原電位5種參數(shù)，并及時上傳至PLC通訊模塊，自動繪制實時數(shù)據(jù)曲線，為工作人員數(shù)據(jù)分析提供強有力支撐。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

高壓注漿泵最大壓力：17MPa；

高壓注漿泵注入顆粒最大粒徑：1mm；

高壓注漿泵最大流量：60 L/min；

生物藥劑罐和化學藥劑罐體積：各1 m3；

清水罐體積：0.5 m3；

攪拌器轉(zhuǎn)速：150 rpm；

加藥泵最大流速：4.4 m3/h；

空壓機最高排氣壓力：0.8 MPa；

空壓機最大排氣量：480L/min；

設備尺寸：5500×2400×2980mm。

3 結(jié)構(gòu)設計

3.1 移動橇設計

移動橇主框架由Q345型材焊接而成，根據(jù)專用拖車底盤設計。橇底為輪式、兩橋結(jié)構(gòu)設計，前橋采用嵌入式轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)設計，實現(xiàn)移動橇的轉(zhuǎn)向功能；配置直徑650mm的實心輪胎，滿足10T的承載能力；在橇體前端設有牽引架，利用鉆機或叉車進行牽引，現(xiàn)場移動速度不大于8km/h；在橇體頂部四個角設計的吊耳，用于設備的吊裝。橇體上按照目視化管理要求設有清晰明確的操作標識和安全警示牌，確保人員安全，同時為了便于設備操作，移動橇內(nèi)空間布置合理，滿足人員操作以及維修要求。

3.2 藥劑罐設計

藥劑罐使用不銹鋼型材進行制作并進行加固，結(jié)構(gòu)上分內(nèi)、中、外3層，其中內(nèi)層又分為三個罐體，分別為生物藥劑罐、化學藥劑罐和清水罐。

生物藥劑罐和化學藥劑罐主要用于藥劑的配置，清水罐可對其他罐體和管路進行反沖洗或補充清水；各罐體底部安裝的排污管線，便于對罐體內(nèi)部清理，達到近零排放。中層腔體內(nèi)充滿清水，通過電熱棒對腔體內(nèi)的清水進行加熱，充當水浴的作用，從而使內(nèi)層罐體內(nèi)的液體溫度控制在所設定的溫度范圍內(nèi)。外層填充了保溫棉，防止內(nèi)層熱量外散，起到保溫的作用。

藥劑罐罐體上的遠傳液位計，安裝有電子傳感器，可實現(xiàn)液位高低數(shù)據(jù)的監(jiān)控及自動報警；同時與注漿泵、加藥泵進行功能互鎖，實現(xiàn)注漿泵、加藥泵的自動開機和停機，起到保護設備的作用。

藥劑罐的罐體上部的補液泵，根據(jù)水浴腔內(nèi)的機械式液位計，當液位低于下限時，補液泵自動啟動，從清水罐內(nèi)吸取清水，為水浴腔進行補液，防止加熱棒發(fā)生干燒現(xiàn)象。當液位高于上限時，自動停止補水。

3.3 液路系統(tǒng)設計

液路系統(tǒng)主要由藥劑罐、輸入管匯、電動球閥、高壓注漿泵、輸出管匯、安全閥、流量計等組成。核心設備為高壓注漿泵，其作用是將藥劑罐內(nèi)的藥劑通過液路管匯高壓輸出至污染源。液路系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 液路系統(tǒng)原理圖

3.4 氣路系統(tǒng)設計

氣路系統(tǒng)主要由無油空壓機、輸出管匯、流量計、減壓閥、電動球閥等組成。核心設備為無油空壓機，其作用一是將氣體通過氣路管匯輸出至污染源，二是為生物藥劑罐或化學藥劑罐進行曝氣，增加藥劑含氧量，提高藥劑的活性。

3.5 控制系統(tǒng)設計

該控制系統(tǒng)設計的界面分別是設備流程控制界面、參數(shù)設定界面、實時曲線界面、歷史曲線界面、報警記錄界面和數(shù)據(jù)報表界面。在這些界面上，一是設計了高壓注漿泵、無油空壓機、加藥泵、補液泵、電熱棒和攪拌器的啟停功能；二是設計了高壓注漿泵和無油空壓機的壓力、流量、累計注入量和累計運行時間參數(shù)的實時顯示功能；三是設計了液路系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)運行流程動態(tài)顯示功能；四是設計了溫度、液位等報警參數(shù)的設定功能；五是設計了實時監(jiān)測pH、電導率、水位等功能。設備整體實現(xiàn)了人機交互、無人值守，提高了設備的智能化和自動化。

3.6 監(jiān)測單元

如圖4所示，建立在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)采集儀對監(jiān)測井內(nèi)的水位、pH、電導率、溶解氧及ORP等參數(shù)實現(xiàn)在線監(jiān)測，可連續(xù)讀取監(jiān)測井的實時數(shù)據(jù)，可以獲取藥劑注入后所影響的范圍，預估藥劑達到的時間，結(jié)合藥劑在地下水中的遷移規(guī)律，考察藥劑擴散分布的均勻性。

圖4 在線監(jiān)測系統(tǒng)

4 試驗及應用

注入設備分別在某廢棄油庫和某煉油廠污染場地進行了現(xiàn)場試驗如圖5所示。在運行過程中，設備控制系統(tǒng)、高壓注漿泵、無油空壓機、加藥泵、電動球閥、加熱棒等電器元件正常運行；液路系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)及整機運行穩(wěn)定可靠，未發(fā)生任何故障。設備最大試驗壓力達到5.5MPa，最大流量達到60L/min，累計注液量380m3，累計注氣量約200000L，累計運行時間150h。試驗過程數(shù)據(jù)自動記錄并繪制曲線，實際測定的技術(shù)參數(shù)指標基本滿足設計要求如表1所示，是目前國內(nèi)先進的場地污染修復設備。

表1 指標對比表

8 藥劑罐控溫范圍 室溫～30℃室溫～30℃ 滿足

圖5 污染場地現(xiàn)場試驗圖（左：某廢棄油庫；右：某煉油廠）

5 結(jié)論與展望

綜上所述，該注入設備具備以下優(yōu)點。

（1）機動化設計：設備根據(jù)專用拖車底盤設計，具備轉(zhuǎn)向、減震以及剎車等專用功能，利用配套的鉆機對其進行牽引，可在待修復的污染場地內(nèi)穩(wěn)定行駛，修復作業(yè)面積廣，設備機動性能強；

（2）集成化設計；設備根據(jù)修復需求，將目前場地修復使用的無油空壓機、高壓注漿泵、藥劑罐、鉆具等專用設備與工藝流程集成于移動橇上，采用標準化設計，實現(xiàn)了設備集成化、工藝集成化、控制集成化，能夠使設備結(jié)構(gòu)布置更緊湊，工藝流程更完整，施工效率更高效；

（3）智能化設計：設備不僅能夠控制各設備的自動運行，實現(xiàn)藥劑自動配置和各設備間的聯(lián)動控制，還能夠?qū)⒍鄥?shù)監(jiān)測設備數(shù)據(jù)和運行實時參數(shù)同步顯示在可視化觸摸屏上。通過上述先進的自動化、智能化技術(shù)，實現(xiàn)“人機交互”和“機器換人”。