CN103624080B - 微生物修复污染土的方法及其修复桩 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微生物修复污染土的方法及其修复桩，将搅拌技术与微生物修复技术相结合成桩，对污染场地进行修复治理，桩体包括原位污染土和修复液。该微生物修复桩施工流程包括：a.平整场地，测量放样；b.搅拌钻机定位，下沉注液搅拌；c.提升注液搅拌。微生物修复桩中的修复液促进微生物生长，微生物对微生物修复桩中的污染土进行修复；同时修复液扩散到微生物修复桩周边污染土中，促进微生物修复桩周边污染土中微生物的生长，从而对微生物修复桩周边污染土进行修复。本发明可应用于低渗透性污染土的微生物修复，可解决现有技术修复深度浅、在低渗透率土体中气体和营养物质扩散率低的问题，极大地提高了修复效率，同时缩短了施工时间。
Description
技术领域
本发明属于环境岩土工程技术领域，涉及一种利用微生物技术对污染土体进行修复的微生物修复污染土的方法及其修复桩。
背景技术
污染土修复按方法分为物理修复、化学修复和生物修复，按实施方式分为原位修复和异位修复。微生物修复属于生物修复技术领域，是利用土壤中的土著微生物或向污染土中投入经驯化的高效微生物，通过菌株的代谢活动降解土体中有机污染物或固定土体中无机污染物的过程。在适宜条件下，微生物可将有毒有害有机污染物完全降解成为无毒的副产品——二氧化碳、水、有机酸和甲烷。虽然微生物不能降解重金属等无机污染物，但可用于改变重金属价态，如将剧毒且移动性强的六价铬转变成毒性稍低且不易移动的三价铬。
微生物修复具有以下优点：1）可将有机污染物彻底降解成无毒害得副产品；2）施工机械设备简单；3）可在原位或异位实施，原位修复因避免了挖运土体造成污染物的曝露而更安全，同时不会对周围环境造成扰动；4）相对于其他修复技术，生物修复所需成本最低，仅约为传统物化修复的1/3～1/5；5）只要含水量足够大，生物修复技术可用于所有类型的土体，包括低渗透性土。鉴于上述优点，微生物修复技术已被广泛用于有机物污染土的修复中。
传统微生物原位修复技术包括生物通风法、生物强化技术和生物刺激。生物通风法主要通过真空设备或结合真空设备与鼓风设备，将夹带氮、磷等营养物质的气体强行注入土体中，驱使空气流过土体孔隙，促进营养物质在土体中的扩散以利于内原微生物的生长和代谢，然后将气体抽出，同时土体中的挥发性毒物也随之被去除。生物强化技术是向污染土中投入高效降解菌，同时提供微生物生长所需营养。生物刺激是通过定期向污染土中投加降解菌所需营养元素以及过氧化氢、氧气等电子受体，刺激微生物生长以增加微生物的生物量，从而加速降解污染物的目的。
土体深层搅拌技术起源于二十世纪六十年代的日本和瑞典，最早应用于岩土工程领域，国内于1977年正式将此项技术应用于岩土工程。此技术于二十世纪八十年代和九十年代分别被美国和欧洲国家扩展到环境岩土工程应用中。土体深层搅拌法是一种原位处理技术，所需注入的材料——通常为水泥——通过配备有螺旋钻头和搅拌叶片的空心钻杆被注入土体中，钻杆牵引至不同深度，旋转搅拌叶片将注入的材料与土体搅拌均匀。
传统的生物通风法、生物强化和生物刺激均为通过鼓风机或其他设备将夹带营养物质的气体经注入井强行注入土体中，驱使空气流过土体孔隙，带动营养物质在土体中扩散，从而促进微生物生长和代谢，以达污染物降解目的。这些技术存在的问题有：首先，注入井需开挖至受污染区，而开挖会产生弃土，尤其是受污染的弃土需经额外处理。其次，这些技术仅适用于非饱和土体中，一般修复深度较浅，且极大受制于土体渗透性，当受污染地层位于饱和区或受污染土层渗透系数较低或粘土含量较高时，这些方法将无法实施。再次，气体注入量不易控制，注入量过小，会导致修复不彻底；注入量过大，则可能会导致挥发性污染气体逸散到地面以上的大气中，造成进一步的污染。此外，通过注入井强行注入夹带营养物质的空气，会导致注入井处的营养物质浓度过高，不利于微生物生长。当污染物沿竖向分布范围较大，且浓度沿竖向变化较大时，传统方法无法针对不同深度的污染浓度注入适量修复气体。
为了扩展生物修复在渗透系数较低的土体中的有效性，增强生物修复在较深地层中的应用，需将修复液与受污染土体充分混合，保证修复液与受污染土接触充分，从而有效降解污染物。
发明内容
技术问题：本发明提供一种能保证修复液与受污染土，特别是低渗透性污染土的充分混合，克服修复液在低渗透性土体中扩散率低的问题，并能将修复深度扩展到地下10~50米，削弱地下水位和复杂地层条件对施工过程的影响，提高微生物修复低渗透性深埋污染土体有效性的微生物修复污染土的方法及其修复桩。
技术方案：本发明的微生物修复污染土的方法，包括以下步骤：
1）平整场地，根据坐标基点在场地测放出钻孔桩位，钻孔按梅花形布置，钻孔为单孔桩钻孔或多联排桩钻孔；
2）施做导槽，搅拌钻机在钻孔桩位处定位，把修复液注入搅拌钻机钻杆中，然后启动搅拌钻机下沉搅拌，钻头下沉至受污染土层顶面深度时，开启液压泵将修复液注入土体中，边喷注边旋转钻杆，当钻头下沉至设计标高时，钻头停止下沉；
3）提升钻头及钻杆，同时继续喷注修复液，直至钻头提升至受污染土层顶面深度时，停止喷注修复液，将钻头提升出地表，完成一个微生物修复桩施工；
4）微生物修复桩中的修复液促进微生物生长，微生物对修复桩中的污染土进行修复；同时修复液渗透扩散到修复桩桩间范围内污染土中，促进微生物生长，微生物对修复桩桩间范围污染土进行修复。
本发明的微生物修复污染土的方法，当搅拌钻机采用单轴搅拌钻机，施工形成的微生物修复桩为单孔桩，钻孔按如下方式进行梅花形布置：同一排钻孔相邻中心间距为X=1.1~1.5D，两排钻孔纵向中心间距为Y=1.1~1.5D，两排钻孔错开的横向中心间距为X′=0.55~0.75D，其中D为钻孔直径。
本发明的微生物修复污染土的方法，当搅拌钻机采用多轴搅拌钻机，施工形成的微生物修复桩为多联排桩，多联排桩的钻孔桩位按照如下方式进行梅花形布置：同一排钻孔相邻中心间距为X1=L+0.1~0.5R，两排钻孔纵向中心间距为Y1=1.1~1.5R，两排钻孔错开的横向中心间距为X′1=L/2+0.05~0.25R，其中L为每幅多联排桩钻孔横截面长度，R为每幅多联排桩钻孔横截面宽度。
上述微生物修复污染土的方法中，步骤2）和3）中注入修复液的压力为500~800kPa，修复液为微生物营养液或微生物营养液与微生物菌株的混合液。
本发明的微生物修复桩，包括梅花形布置的钻孔，钻孔为单孔桩或多联排桩，钻孔中喷注有修复液。
本发明微生物修复桩的一种优选方案中，钻孔为单孔桩钻孔，钻孔的梅花形布置形式为：同一排钻孔相邻中心间距为X=1.1~1.5D，两排钻孔纵向中心间距为Y=1.1~1.5D，两排钻孔错开的横向中心间距为X′=0.55~0.75D，其中D为钻孔直径。
本发明微生物修复桩的一种优选方案中，钻孔为多联排桩钻孔，钻孔的梅花形布置形式为：同一排钻孔相邻中心间距为X1=L+0.1~0.5R，两排钻孔纵向中心间距为Y1=1.1~1.5R，两排钻孔错开的横向中心间距为X′1=L/2+0.05~0.25R，其中L为每幅多联排桩钻孔横截面长度，R为每幅多联排桩钻孔横截面宽度。
上述单孔桩钻孔的微生物修复桩，是按照上述微生物修复污染土的方法的步骤1）至步骤3）施工得到，特别是按照单孔桩方法施工得到的。
上述多联排桩钻孔的微生物修复桩，是按照上述微生物修复污染土的方法的步骤1）至步骤3）施工得到，特别是按照多联排桩方法施工得到的。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明的微生物修复污染土的方法及其修复桩，综合微生物修复技术和土体深层搅拌技术。桩体包括原位污染土和修复液，可由桩体中修复液提供微生物生长所需养分，从而促进微生物生长并降解污染物，达到修复污染土的目的。同时，按梅花形布桩，桩体中修复液可渗透扩散到桩体周围桩间范围内的污染土中，促进桩体周围桩间范围内污染土中微生物的生长，从而修复桩体周围桩间范围内的污染土。与传统技术相比，其优越性体现在：1）搅拌成桩技术使修复液的分布不受地下水位及土体渗透性限制，对饱和区以及低渗透性土体仍然适用，且修复深度加深，根据钻杆长度，可深达10~50米；2）不需开挖土体，不产生弃土，尤其不会使受污染土暴露在空气中，防止了污染物对人体及空气的二次污染；3）修复液以液体方式注入，单钻孔注入量易于控制，安全性更高，避免了传统方法因向土体中强行鼓入大量空气，而造成挥发性有毒气体逸散到地面以上；4）通过梅花形排列的微生物修复桩对污染土进行修复，不需通过注入井扩散营养物质，因此修复液与土体混合更均匀，不会发生营养物质浓度过高而不利于微生物生长的现象；4）钻进搅拌成桩过程中，可根据不同深度污染物浓度变化灵活调整修复液的注入量，保证修复效果的同时合理节约了修复液用量，降低了修复成本；5）施工速度快，20~30分钟可完成一个钻孔；6）通过搅拌成桩，对周围环境扰动小，不会造成周围土体破坏及地下水位大幅升降。本发明简便且易推广，可大大提高生物修复效果，扩展生物修复在低渗透性土体中的可行性，具有广阔应用前景。
附图说明
图1为本发明中施工工艺流程图。
图2为本发明中钻孔布置的示意图。
图3为本发明中三联排钻孔布置的示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的技术方案做进一步详细的描述。本发明中提及的深层地层是指地表以下埋深大于5m的土层。
微生物修复污染土的方法及其修复桩，桩体包括原位污染土和修复液，其施工流程为：
1）平整场地，根据坐标基点在场地按如下布置方法测放出钻孔桩位：钻孔按梅花形布置，同一排钻孔相邻中心间距为X=1.1~1.5D，两排钻孔纵向中心间距为Y=1.1~1.5D，两排钻孔错开的横向中心间距为X′=0.55~0.75D，其中D为钻孔直径。
2）施做导槽，搅拌钻机在钻孔桩位处定位，施工中垂直偏差控制在5‰以内。把修复液注入搅拌钻机钻杆中，同时监控、调节供液流量及压力。然后启动搅拌钻机下沉搅拌，钻头下沉至受污染土层顶面深度时，开启液压泵将修复液注入土体中，边喷注边旋转钻杆，当钻头下沉至设计标高时，钻头停止下沉。桩端应就地持续喷液搅拌10秒以上。
3）提升钻头及钻杆，同时继续喷注修复液，直至钻头提升至受污染土层顶面深度时，停止喷注修复液，将钻头提升出地表，完成一个微生物修复桩施工。将搅拌钻机钻头及钻杆上粘附的土体清洗干净；重复上述1~8步骤，进行下一根桩的施工。
4）微生物修复桩中的修复液促进微生物生长，微生物对修复桩中的污染土进行修复；同时修复液渗透扩散到修复桩桩间范围内污染土中，促进微生物生长，微生物对修复桩桩间范围污染土进行修复。
本发明的一个优选方案中，搅拌钻机采用多轴搅拌钻机，施工形成的微生物修复桩为多联排桩，多联排桩的钻孔桩位按照如下布置方式确定：钻孔按梅花形布置，同一排钻孔相邻中心间距为X1=L+0.1~0.5R，两排钻孔纵向中心间距为Y1=1.1~1.5R，两排钻孔错开的横向中心间距为X′1=L/2+0.05~0.25R，其中L为每幅多联排桩钻孔横截面长度，R为每幅多联排桩钻孔横截面宽度。
本发明中，钻孔布孔间距与土体渗透系数有关，随渗透系数增大，桩间距宜适当增大。以步骤1）和步骤5）中确定的间距为基准，间距增加倍数如下表：
| 渗透系数（cm/s） | 增大倍数 |
| 10-9～10-8 | 1.0 |
| 10-7～10-6 | 1.05 |
| 10-5～10-4 | 1.1 |
| 10-3～10-2 | 1.15 |
本发明中，步骤2）和3）中注入修复液的压力为500~800kPa，修复液为微生物营养液或微生物营养液与微生物菌株的混合液。
本发明的微生物修复桩，是按照上述微生物修复污染土的方法中步骤1）至步骤3）施工得到。
实施例1：
一种用于苯污染场地的微生物修复桩修复法，平整场地，施做导槽，将搅拌钻机定位在孔位上，启动搅拌钻机，钻头下沉，钻杆带动搅拌叶片旋转，同时通过钻杆内的液相输送管向土中注入修复液。启动搅拌钻机电动机，钻头下沉至受污染土层顶面深度时，开启液压泵将制备的修复液注入土体中，边喷注液体边旋转钻杆，当钻头下沉至设计标高时，钻头停止下沉。提升钻头及钻杆，直至钻头提升至受污染土层顶面深度时，停止喷注修复液，继续将钻头及钻杆提升出地面，完成一个微生物修复桩施工。将搅拌钻机钻头及钻杆上粘附的土体清洗干净，重复上述步骤，进行下一根桩的施工。
本实施例中需要修复的土体为苯污染的低渗透率土，且含水量高，埋深大于10米。修复手段为土著厌氧菌降解污染物。营养液为除氧的8.0mM硫酸钠溶液，具体方法如下：
平整场地，施做导槽，将搅拌钻机定位在孔位上，用氮气充满整个输送系统，启动搅拌钻机电动机，钻头下沉，钻杆带动搅拌叶片旋转，钻头下沉至受污染土层顶面深度时，开启液压泵将制备的硫酸钠溶液注入土体中，边喷注液体边旋转钻杆，注入压力为550kPa。储液罐中流出的硫酸钠体积用氮气填充。当钻头下沉至设计标高时，钻头停止下沉。
提升钻头及钻杆，直至钻头提升至受污染土层顶面深度时，停止喷注硫酸钠溶液，继续将钻头及钻杆提升出地面，完成一个钻孔施工。钻孔按梅花形布置，同一排钻孔相邻中心间距为X=1.1~1.5D，两排钻孔纵向中心间距为Y=1.1~1.5D，两排钻孔错开的横向中心间距为X′=0.55~0.75D，其中D为钻孔直径。
苯是芳香烃族中最受关注的污染物之一，致癌性强，自然衰减速率慢，微生物降解是苯污染修复的有效发法。微生物修复适用于所有类型土体，然而当污染土体渗透性较差，含水量较高时，常规的注入方法无法保证营养液在土体中的均匀分布，从而限制了微生物修复的应用范围，削弱了修复效果。
实施例2：
一种石油工业污染场地的微生物修复桩修复法，平整场地，施做导槽，将搅拌钻机定位在孔位上，启动搅拌钻机，钻头下沉，钻杆带动搅拌叶片旋转，同时通过钻杆内的液相输送管向土中注入修复液。启动搅拌钻机电动机，钻头下沉至受污染土层顶面深度时，开启液压泵将制备的修复液注入土体中，边喷注液体边旋转钻杆，当钻头下沉至设计标高时，钻头停止下沉。提升钻头及钻杆，直至钻头提升至受污染土层顶面深度时，停止喷注修复液，继续将钻头及钻杆提升出地面，完成一个微生物修复桩施工。将搅拌钻机钻头及钻杆上粘附的土体清洗干净，重复上述步骤，进行下一根桩的施工。
本实施例中需要修复的土体为石油工业污染的低渗透率土，且含水量高，埋深大于10米。修复手段为好氧培养菌降解污染物，降解菌通过固液比为1:25的牛粪浆培养而得，营养液为0.1mg/mL硫酸铵、0.2mg/mL葡萄糖、0.1mg/mL磷酸氢二钾、0.1mg/mL磷酸二氢钾，具体方法如下：
平整场地，施做导槽，将搅拌钻机定位在孔位上，启动搅拌钻机电动机，钻头下沉，钻杆带动搅拌叶片旋转，钻头下沉至受污染土层顶面深度时，开启液压泵通过钻杆内液相输送管向土中注入营养液和负载降解菌的牛粪浆，边喷注液体边旋转钻杆，注入压力为600kPa。当钻头下沉至设计标高时，钻头停止下沉。
提升钻头及钻杆，直至钻头提升至受污染土层顶面深度时，停止喷注营养液和负载降解菌的牛粪浆，继续将钻头及钻杆提升出地面，完成一个钻孔施工。钻孔为三联排钻孔，按梅花形布置，同一排钻孔相邻中心间距为X1=L+0.1~0.5R，两排钻孔纵向中心间距为Y1=1.1~1.5R，两排钻孔错开的横向中心间距为X′1=L/2+0.05~0.25R，其中L为每幅三联排桩钻孔横截面长度，R为每幅三联排桩钻孔横截面宽度。
微生物修复适用于所有类型土体，然而当污染土体渗透性较差，含水量较高时，常规的注入方法无法保证营养液在土体中的均匀分布，从而限制了微生物修复的应用范围，削弱了修复效果。
Claims (4)
1.一种微生物修复污染土的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1）平整场地，根据坐标基点在场地测放出钻孔桩位，钻孔按梅花形布置，所述钻孔为单孔桩钻孔或多联排桩钻孔；
2）施做导槽，搅拌钻机在钻孔桩位处定位，把修复液注入搅拌钻机钻杆中，然后启动搅拌钻机下沉搅拌，钻头下沉至受污染土层顶面深度时，开启液压泵将修复液注入土体中，边喷注边旋转钻杆，当钻头下沉至设计标高时，钻头停止下沉；
3）提升钻头及钻杆，同时继续喷注修复液，直至钻头提升至受污染土层顶面深度时，停止喷注修复液，将钻头提升出地表，完成一个微生物修复桩施工；
4）微生物修复桩中的修复液促进微生物生长，微生物对修复桩中的污染土进行修复；同时修复液渗透扩散到修复桩桩间范围内污染土中，促进微生物生长，微生物对修复桩桩间范围污染土进行修复；
所述搅拌钻机采用单轴搅拌钻机或多轴搅拌钻机，当采用单轴搅拌钻机时，施工形成的微生物修复桩为单孔桩，钻孔按如下方式进行梅花形布置：同一排钻孔相邻中心间距为X=1.1~1.5D，两排钻孔纵向中心间距为Y=1.1~1.5D，两排钻孔错开的横向中心间距为X′=0.55~0.75D，其中D为钻孔直径；
当所述搅拌钻机采用多轴搅拌钻机时，施工形成的微生物修复桩为多联排桩，所述多联排桩的钻孔桩位按照如下方式进行梅花形布置：同一排钻孔相邻中心间距为X1=L+0.1~0.5R，两排钻孔纵向中心间距为Y1=1.1~1.5R，两排钻孔错开的横向中心间距为X′1=L/2+0.05~0.25R，其中L为每幅多联排桩钻孔横截面长度，R为每幅多联排桩钻孔横截面宽度。
2.根据权利要求1所述微生物修复污染土的方法，其特征在于，所述步骤2）和3）中注入修复液的压力为500~800kPa，所述修复液为微生物营养液或微生物营养液与微生物菌株的混合液。
3.一种微生物修复桩，其特征在于，该修复桩包括梅花形布置的钻孔，所述钻孔为单孔桩或多联排桩，钻孔中喷注有修复液；
当所述钻孔为单孔桩钻孔时，钻孔的梅花形布置形式为：同一排钻孔相邻中心间距为X=1.1~1.5D，两排钻孔纵向中心间距为Y=1.1~1.5D，两排钻孔错开的横向中心间距为X′=0.55~0.75D，其中D为钻孔直径；
当所述钻孔为多联排桩钻孔时，钻孔的梅花形布置形式为：同一排钻孔相邻中心间距为X1=L+0.1~0.5R，两排钻孔纵向中心间距为Y1=1.1~1.5R，两排钻孔错开的横向中心间距为X′1=L/2+0.05~0.25R，其中L为每幅多联排桩钻孔横截面长度，R为每幅多联排桩钻孔横截面宽度。
4.根据权利要求3所述一种微生物修复桩，其特征在于，该修复桩按照权利要求1或2所述方法的步骤1）至步骤3）施工得到。
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