CN104110023A - 一种加速碳化处理铅污染地基装置及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加速碳化处理铅污染地基装置及操作方法，主要针对重金属铅污染场地，通过压缩机、导气管、空心钻杆以及喷气头等装置注入二氧化碳气体，二氧化碳气体溶于水后为碳酸根和碳酸氢根等离子，碳酸根离子与水泥固化土中钙离子反应生成碳酸钙，碳酸钙填充固化土孔隙内部，降低铅的有效扩散系数，并提高固化土强度，进而进一步增强重金属铅的固化/稳定化效果。与单纯采用水泥固化/稳定化技术处理铅污染场地相比，采用加速碳化技术后可以减少水泥用量，并进一步提高重金属铅的处理效果，具有明显的经济优势、环境效应和社会效应。

Description

一种加速碳化处理铅污染地基装置及操作方法

技术领域

本发明涉及重金属污染场地处理领域，更具体涉及一种利用加速碳化处理铅污染场地的操作方法。

背景技术

据2014年我国环境保护部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染调查公报》报道，目前全国土壤总的超标率为16.1％，其中轻微、轻度、中度和重度污染比例分比为11.2％、2.3％、1.5％和1.1％；耕地土壤点位超标率为19.4％，其中轻微、轻度、中度和重度污染比例分比为13.7％、2.8％、1.8％和1.1％，主要污染物为镉、镍、铜、砷、汞、铅和多环芳烃。全国耕地重金属污染在大城市、工矿区周边情况相当严重。全国工业、农业和生活三类污染源排放致污物中，重金属(镉、铬、砷、汞和铅)对排放区及其周边生态环境造成了极大危害，甚至直接危害到周边居民生命安全。我国居民发生群体性血铅超标中毒等事件屡见报道。

自上世纪70年代起，欧美发达国家开始了对污染地基土的治理研究，其中利用水泥等固化剂固化/稳定化重金属污染土的方法得到了高度重视，并且在相应的基础理论研究和工程实践都取得了丰富的成果。目前国内也开展了水泥固化/稳定化重金属污染场地的修复的研究，取得了较好的成果，但是水泥在生产过程中需要高温煅烧，煅烧温度约为1450℃，同时会释放出大量的二氧化碳气体，每生产1吨水泥需要向大气中排放0.85吨的二氧化碳气体。二氧化碳是导致温室效应的主要气体，国际社会对减少碳排放越来越重视，节能减排成为当今社会发展的主旋律。在重金属污染场地处理与修复中，如何减少水泥用量并保证处理效果是一个极需解决的关键问题。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种微纳米气泡处理可液化地基装置及操作方法，能够相对传统水泥固化/稳定化重金属铅污染场地传技术减少水泥用量。

技术方案：一种加速碳化处理重金属铅污染地基装置，包括喷气头、空心钻杆、导气管、压缩机、二氧化碳气源；所述喷气头连接在空心钻杆的底端，并通过钻机打入待加固的污染地层底部，所述压缩机连接二氧化碳气源，所述二氧化碳气源的输出端通过导气管与空心钻杆顶端相连接。

进一步的，所述装置还包括压力计和控制阀门，所述压力计与控制阀门设置在二氧化碳源和空心钻杆之间的导气管上。

进一步的，所述空心钻杆的直径为55～110mm。若直径过大，导致与其连接的喷气头直径过大造成钻孔困难，直径过小，无法与钻机连接。

进一步的，所述喷气头包括长110～220mm的钢管和高度为55～110mm实心钢锥组成，所述钢管的直径与空心钻杆直径相同且管壁梅花形设有若干直径为1～2mm的喷气孔，钢管高度为钢管直径的2倍，所述实心钢锥连接在钢管的一端，所述钢管与空心钻杆固定连接。高度为55～110mm实心钢锥是为提高钻空效率而设置；喷气孔直径选取1～2mm，为防止在喷气完成后较粗沙粒回流进入喷气头内部形成堵塞体，影响下次喷漆效果。

进一步的，所述导气管采用管径为55～110mm，管壁厚度为3.0～3.5mm，承压值大于300kPa的PVC管。VC管的管径与壁厚决定了承压值，其承压值在满足正常喷气要求的同时，还应满足在喷气不畅时压缩机自动加压导致管内压力升高的特殊情况，如喷气头堵塞等。

一种加速碳化处理重金属铅污染地基操作方法，包括如下操作步骤：

1)根据包括重金属铅污染地层的位置和深度的地质勘测结果，确定水泥搅拌桩固化/稳定化处理的深度；

2)采用水泥土搅拌桩工艺对重金属铅污染土层进行水泥固化/稳定化处理；

3)水泥固化/稳定化处理3～7天后钻孔定位；

4)埋设喷气头：利用钻机将端部带有喷气头(4)的空心钻杆(3)垂直或倾斜打入重金属铅污染地基底部后移去钻机，使喷气头(4)位于水泥搅拌桩内，并使空心钻杆(3)的顶部露出地表；

5)二氧化碳注气系统的设置：利用导气管(5)将空心钻杆(3)、压缩机(9)和二氧化碳气源(8)连接起来，并在二氧化碳气源(8)与空心钻杆(3)之间设置控制阀门(7)和压力计(6)；

6)二氧化碳注气：启动压缩机(9)，将二氧化碳气体经过导气管(5)、空心钻杆(3)并由喷气头(4)注入水泥搅拌桩；

7)对每排钻孔(2)按所述步骤3)、4)、5)、6)进行操作；

8)操作结束。

进一步的，所述步骤3)中，钻孔(2)采用梅花形布置，钻孔(2)间距为1.0～2.0m。

进一步的，所述步骤4)中，喷气头(4)位于水泥搅拌桩内，并以污染土层下表面为水平轴线上下浮动范围小于0.1m。

进一步的，所述步骤6)中，二氧化碳气体采用间隙性方法注气：每6～12小时注气1次，每次持续30～60分钟。

有益效果：本发明针对传统水泥固化/稳定化处理重金属铅污染需采用大量的水泥的问题，提供了一种可以达到相同效果下减少水泥用量的方法。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)对水泥固化/稳定化后的重金属铅污染土进行加速碳化，具体为：通过钻杆，在一定压力下将二氧化碳气体注入到水泥固化/稳定化铅污染场地中，二氧化碳溶于水中生成碳酸后电解为碳酸根和碳酸氢根等离子，碳酸根离子与固化土中钙离子反应生成碳酸钙，生成物(碳酸钙)体积会比原反应物体积增加11％，碳酸钙填充固化土孔隙内部，水泥固化铅污染土碳化后强度提高10～60％；而重金属溶出试验结果表明，碳化后铅离子溶出量大幅降低，有效扩散系数降低1～2个数量级；

(2)与纯粹采用水泥处理重金属铅污染场地相比，在达到相同强度和降低重金属铅溶出量方面，对水泥处理重金属铅污染场地进行加速碳化处理，可以节省水泥用量，与场地的水泥处理重金属铅污染场地技术相比较，可以降低水泥用量，进而减少二氧化碳气体排放量，具有明显的经济优势和环境效应；

(3)本方法还可直接利用工业生产中排放的二氧化碳，碳化过程消耗大量的二氧化碳，进一步减少了引起温室效应的二氧化碳；

(4)由于二氧化碳气体通入水泥搅拌桩后二氧化碳会向上扩散，故在步骤4)中以污染土层下表面为水平轴线，喷气头打入水泥搅拌桩并停留在该水平轴线处，并可以在该水平轴线上下0.1m范围内浮动；由于仅需固化/稳定化重金属铅污染土层，这样设置配气头位置一方面可以有效利用通入的二氧化碳保证整个水泥搅拌桩均能参加反应；另一方便有效控制二氧化碳的通入量，避免与污染土层以外区域发生反应；

(5)加速碳化处理重金属铅污染地基，施工方法简单、成本低廉，节省了工程投资，具有显著经济效益、环境效应和社会效应。

附图说明

图1是钻孔布置示意图；

图2是加速碳化处理重金属铅污染土操作方法示意图；

图3是喷气头结构示意图；

其中有：待处理场地1，钻孔2，空心钻杆3，喷气头4，导气管5，压力计6，控制阀门7，二氧化碳气源8，压缩机9。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图2所示，一种加速碳化处理重金属铅污染场地装置，包括喷气头4、空心钻杆3、导气管5、压力计6、控制阀门7、压缩机9、二氧化碳气源8。其中，空心钻杆3的直径为55～110mm；如图3所示，喷气头4包括长110～220mm的钢管和高度为55～110mm实心钢锥组成，钢管的直径与空心钻杆5直径相同且管壁梅花形设有若干直径为1～2mm的喷气孔，钢管高度应为钢管直径的2倍，实心钢锥连接在钢管的一端，钢管的另一端通过螺纹与空心钻杆3连接；导气管5采用管径为55～110mm，管壁厚度为3.0～3.5mm，承压值大于300kPa的PVC管。

喷气头4连接在空心钻杆3的底端，并通过钻机打入待加固的污染地层底部；压缩机9连接二氧化碳气源8，二氧化碳气源8的输出端通过导气管5与空心钻杆顶端相连接；压力计6和控制阀门7设置在压缩机9和空心钻杆3之间的导气管5上。

一种加速碳化处理重金属铅污染场地的操作方法，操作步骤如下：

1)平整场地：对待处理场地1进行平整，基本上做到中间略高，四周略低；

2)根据地质勘测结果，了解重金属铅污染地层的位置和深度，确定水泥搅拌桩固化/稳定处理是深度，同时确定空心钻杆3的钻孔深度；

3)采用传统的水泥土搅拌桩工艺对污染土层进行水泥固化/稳定化处理；水泥搅拌桩处理深度应大于勘察确定的污染土层厚度0.5m；

4)水泥固化/稳定化处理完毕3～7天后钻孔定位：如图1所示，钻孔2采用梅花形布置，钻孔2间距为1.0～2.0m；

5)埋设喷气头：利用钻机将端部带有喷气头4的空心钻杆3垂直打入重金属铅污染地基底部后移去钻机，使喷气头4位于水泥搅拌桩内，并使空心钻杆3的顶部露出地表；其中，喷气头4位于水泥搅拌桩内，并以污染土层下表面为水平轴线上下浮动范围小于0.1m；

6)二氧化碳注气系统的设置：利用导气管5将空心钻杆3、压缩机9和二氧化碳气源8连接起来，并在二氧化碳气源8与空心钻杆3之间设置控制阀门7和压力计6；

7)二氧化碳注气：启动压缩机9，将二氧化碳气体经过导气管5、空心钻杆3并由喷气头4注入水泥搅拌桩；二氧化碳气体采用间隙性方法注气；每6～12小时注气1次，每次持续30～60分钟；

8)对每排钻孔2按步骤3、4、5、6进行操作；

9)操作结束。

步骤5)中，针对地表有建筑物的重金属铅污染土地层处理时，可以利用钻机将端部带有喷气头的空心钻杆倾斜打入重金属铅污染地基后进行二氧化碳的注气步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种加速碳化处理重金属铅污染地基装置，其特征在于：包括喷气头(4)、空心钻杆(3)、导气管(5)、压缩机(9)、二氧化碳气源(8)；所述喷气头(4)连接在空心钻杆(3)的底端，并通过钻机打入待加固的污染地层底部，所述压缩机(9)连接二氧化碳气源(8)，所述二氧化碳气源(8)的输出端通过导气管(5)与空心钻杆(3)顶端相连接。

2.根据权利要求1所述的一种加速碳化处理重金属铅污染地基装置，其特征在于：所述装置还包括压力计(6)和控制阀门(7)，所述压力计(6)与控制阀门(7)设置在二氧化碳源(8)和空心钻杆(3)之间的导气管(5)上。

3.根据权利要求1所述的一种加速碳化处理重金属铅污染地基装置，其特征在于：所述空心钻杆(5)的直径为55～110mm。

4.根据权利要求1所述的一种加速碳化处理重金属铅污染地基装置，其特征在于：所述喷气头(4)包括长110～220mm的钢管和高度为55～110mm实心钢锥组成，所述钢管的直径与空心钻杆(3)直径相同且管壁梅花形设有若干直径为1～2mm的喷气孔，钢管高度为钢管直径的2倍，所述实心钢锥连接在钢管的一端，所述钢管与空心钻杆(3)固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种加速碳化处理重金属铅污染地基装置，其特征在于：所述导气管(5)采用管径为55～110mm，管壁厚度为3.0～3.5mm，承压值大于300kPa的PVC管。

6.一种加速碳化处理重金属铅污染地基操作方法，其特征在于，包括如下操作步骤：

1)根据包括重金属铅污染地层的位置和深度的地质勘测结果，确定水泥搅拌桩固化/稳定化处理的深度；

2)采用水泥土搅拌桩工艺对重金属铅污染土层进行水泥固化/稳定化处理；

3)水泥固化/稳定化处理3～7天后钻孔定位；

4)埋设喷气头：利用钻机将端部带有喷气头(4)的空心钻杆(3)垂直或倾斜打入重金属铅污染地基底部后移去钻机，使喷气头(4)位于水泥搅拌桩内，并使空心钻杆(3)的顶部露出地表；

5)二氧化碳注气系统的设置：利用导气管(5)将空心钻杆(3)、压缩机(9)和二氧化碳气源(8)连接起来，并在二氧化碳气源(8)与空心钻杆(3)之间设置控制阀门(7)和压力计(6)；

6)二氧化碳注气：启动压缩机(9)，将二氧化碳气体经过导气管(5)、空心钻杆(3)并由喷气头(4)注入水泥搅拌桩；

7)对每排钻孔(2)按所述步骤3)、4)、5)、6)进行操作；

8)操作结束。

7.根据权利要求6所述的一种加速碳化处理重金属铅污染地基操作方法，其特征在于，所述步骤3)中，钻孔(2)采用梅花形布置，钻孔(2)间距为1.0～2.0m。

8.根据权利要求6所述的一种加速碳化处理重金属铅污染地基操作方法，其特征在于，所述步骤4)中，喷气头(4)位于水泥搅拌桩内，并以污染土层下表面为水平轴线上下浮动范围小于0.1m。

9.根据权利要求6所述的一种加速碳化处理重金属铅污染地基操作方法，其特征在于，所述步骤6)中，二氧化碳气体采用间隙性方法注气：每6～12小时注气1次，每次持续30～60分钟。