CN104624633B - 一种污染场地原位注药修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种污染场地原位注药修复方法，包括调查、布井和注药，布井完成后，通过压裂在井道周围的土层中形成砂层，形成砂层的同时，或形成砂层后，往砂层内注药，重复以上过程，形成多个处于井道不同高度的砂层。本发明通过压裂的方式将砂浆混合液高压泵入土壤中压裂形成土层裂隙，进而形成砂层，增大黏性土壤的渗透能力，加速修复药剂的渗透，促进污染物质的扩散迁移，从而提高修复效果。

Description

一种污染场地原位注药修复方法

技术领域

本发明涉及污染场地修复工程领域，尤其涉及一种污染场地原位注药修复方法。

背景技术

随着国家“退二进三”、“退城进园”、“产业转移”等政策的实施，全国几乎所有的大中城市正面临着重污染行业的大批企业关闭和搬迁问题，导致城市出现大量遗留、遗弃场地，相当数量的场地如果未经修复直接开发，将导致大量环境问题的产生。环保部发布的全国土壤污染调查数据显示，全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出，大量污染场地亟待修复。为彻底解决此类问题，国家及相关部委陆续出台多个关于土壤和地下水修复的政策、法规和标准，给场地修复行业带来技术、资金支持的同时也推动了土壤和地下水修复行业的进一步发展。

污染场地修复技术的筛选是污染场地修复工程的关键环节，决定着场地修复的成败，场地污染物类别的复杂性决定了采用的修复技术的多样性。目前，污染场地修复技术的种类繁多，主要可分为原位修复和异位修复两大类别，包括植物修复、高级化学氧化、气相抽提、多相抽提、土壤淋洗、微生物修复、固化稳定化、热脱附、焚烧、电动修复等。与异位修复技术相比，原位修复技术不需要建设昂贵的地面环境工程设施和对污染物进行远程运输就可以减轻或消除场地污染，操作维护比较简单，修复成本较低。此外，原位修复技术还可对深层污染土壤进行修复，对土壤的扰动小，适合规模较大的土壤深层污染修复。原位修复方法包括原位注药、原位抽提、原位土壤淋洗、曝气等技术。

原位注药技术是指通过打井等方式将修复药剂注入污染土壤中，通过生物、化学反应达到降解或消除污染物的目的。该技术相对简单并且操作实施方便，在土壤和地下水修复领域应用较广，主要包括：原位生物修复技术、原位化学氧化还原修复技术、原位生物-化学修复技术等。

但是，现有的原位注药修复技术对场地地质条件要求较高，需要待修复场地土壤具有良好的渗透性，从而实现良好的药剂扩散，达到预定修复效果，否则，易造成事倍功半，达不到修复目标。以某有机化工厂修复工程为例，该退役场地修复技术经论证后确定为原位化学氧化技术，修复施工以辐射半径5m布设注射药井，在修复三个月之后，对修复区域进行挖掘、取样发现，化学药剂扩散半径仅为0.5m，远未达到设计要求。

国内外也有类似修复案例证明，粘土、粉质粘土等土壤渗透系数低于5×10^-6m/s的污染土壤进行原位修复，修复效果均不太理想。该问题的存在使得原位修复技术的使用范围受到极大限制，有必要研发新的修复技术，提高原位修复效果。

申请公布号CN104275344A的专利文献公开了一种微爆炸法土壤修复方法，该方法将经过计算的安全用量的炸药预先封装成炸药包，或使用非炸药爆炸源，将其放入到封装容器，并填充土壤修复剂，待炸药和土壤修复剂封装完成后，采取几何布局，分散布置于污染土壤中，通过连续引爆，产生连续爆炸冲击波，使土壤在大范围内产生适当的松动和破裂，土壤修复剂会在冲击波的作用下通过短时蓬松的土壤迅速扩散到以爆炸源为中心的球形范围内，形成与污染土壤最大程度的混合，从而实现针对土壤渗透系数土壤的原位修复。但是，上述方法需要提前安装炸药包，增加了劳动量且存在安全性和再次污染的问题。

因此，有必要发明一种专门针对低渗透性土壤的原位土壤注药修复方法，以改善上述问题。

发明内容

本发明提供了一种污染场地原位注药修复方法，该方法能有效提高土壤的渗透系数、增强土壤的水力传导性能，加快修复药剂的扩散速度，进而提高原位注药修复的效果。

一种污染场地原位注药修复方法，包括调查、布井和注药，布井完成后，通过压裂在井道周围的土层中形成砂层，形成砂层的同时，或形成砂层后，往砂层内注药，重复以上过程，形成多个处于井道不同高度的砂层。

布井前，需对修复场地进行调查，调查场地的相关地质参数，具体包括：场地土壤的理化性质、污染物类型、场地污染区域分布等。通过上述地质参数，判断场地内污染物类型和污染程度，划分出不同污染程度区域；再根据场地现状和数据调查分析情况进行井点的布局，包括井点数量、位置和深度。对于污染严重的区域，可适当增加井点数量和缩短井点间距，对于轻污染区域，可减少井点数量和增加井点间距。所述的场地包括土壤和地下水。

根据调查情况，计划井点布局后，利用钻井钢管进行钻井，获得预期位置、数量和深度的井；布井完成后，通过压裂的方法在井道四周形成用于注药的砂层，进行压裂前，需要确定砂层的布局，确定砂层间的高度位置关系。所述布井不仅包含设计井点布局，还包含了打井的过程。

作为优选，相邻砂层之间的间距为0.3～1m时，最为适宜。

所述压裂的方法包括：

(1)往井道内设置延伸至底部的护管，所述护管在相应的砂层处设有出浆口；

(2)密封井道内壁与护管之间的间隙；

(3)将带注浆喷头的注浆管伸入护管内部，注浆管位于注浆喷头上方、下方附近的位置设有与护管配合的密封塞；

(4)通过注浆喷头高压泵入浆液，在井道周围的土层中形成砂层。

所述的护管为PVC管，管壁上设有与设计的砂层高度对应的出浆口，注浆管调节至不同的高度，可沿出浆口喷射浆液进入土层中；由于井道内壁与护管之间存在间隙，易造成浆液沿间隙落入井道内，堆积堵塞护管出浆口，以及造成井道漏气降低浆液压入土层时的压力，故压裂前需用砂石、混凝土将间隙密封；密封塞同样也是用于防止注浆喷头喷出的浆液落入井道内。

护管上出浆口的开设方式对砂层的形成半径有影响，作为优选，所述护管的同一周向上设有若干个条型开口。为便于护管的重复利用以及与砂层高度变动相配合，护管的轴向上等间距设置若干开口，开口的间距为5～15cm。在确定砂层高度后，可从所述开口中选择具体出浆口的位置。

作为优选，所述浆液含有修复药剂，形成砂层的同时往砂层内注药，修复药剂随之分散到土壤裂隙之中，有利于增加修复药剂与土壤的接触面积，提高修复药剂对土壤的修复效果。

作为优选，所述砂层的半径为2m～10m。

所述浆液包括砂石、凝胶剂、水；浆液中还可包括修复药剂，与浆液一同喷入土壤中。所述浆液中各组分的用量比例分别为：50～75wt％的砂石、5～25wt％的凝胶剂、5～25wt％的水，可根据具体情况酌情调整。修复药剂类型可根据不同的污染物质进行选择，一般包括化学氧化/还原药剂、生物药剂、生物-化学药剂。

浆液中砂石的粒径以及压裂过程中泵入浆液的压力对砂层半径和药剂辐射半径有影响，作为优选，所述砂石的粒径为0.2～5.0mm，压裂过程中，泵入浆液的压力为0.3～2.3MPa。

压裂过程中，实时监测砂层形成过程。可采用三维监测仪和斜度监测仪进行监测，通过实时监测判断砂层形成情况，确定是否需要再增加砂层。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过压裂的方式将砂石高压泵入土壤中形成土层裂隙，进而形成砂层，增大黏性土壤的渗透能力，加速修复药剂的渗透，促进污染物质的扩散迁移，从而提高土壤修复效果；

(2)本发明方法施工成本低，操作简单，可广泛应用于粘土含量较高的低渗透性土壤以及固有建筑物覆盖范围内的地下污染土壤。

附图说明

图1为实施例1中采用两种方法布井实际影响半径的对比结果图；

A：传统方法；B：本发明方法；

图2为采用本发明方法形成的砂层示意图；

1：井；2：砂层；

图3为本发明方法的施工示意图；

1：井；2：砂层；3：护管；

图4为实施例1形成的实际砂层的平面关系图；

1：井；2：砂层；

图5为护管和注浆管的结构示意图；

3：护管；4：注浆管；5：密封塞；6：注浆喷头；7：出浆口；8：间隙。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本发明做进一步详述。

实施例1

在某化工厂退役场地进行中试试验。

一、采用本发明污染场地原位注药修复方法，具体步骤如下：

(1)进行场地修复调查，确定试验区域为200m²，场地主要污染物为多环芳烃等污染物，污染物浓度最高达1300mg/kg，污染深度为3～8m，场地土壤渗透系数为4.5×10^-7m/s。

(2)设计井的数量为4口，每个井的深度为8m，初步设计药剂的辐射半径为3m；根据污染检测数据，设置砂层的层数和间距，砂层的标高从地面至下依次为：3m、4m、4.5m、6m、6.5m、8m。

(3)安装、连接本实施例所需的装置，分别为混合装置、注射装置和监测装置，其中，混合装置由混合浆罐和搅拌机组成，用于混合修复药剂、凝胶剂、砂石、水，获得浆液；注射装置由护管、注浆管、连接管道和注浆泵组成，注浆管通过连接管道与注浆泵连接，用于喷射浆液，注浆泵与混合装置连接；监测装置包括三维监测仪、斜度监测仪。在打井点周围预先布设均匀检测点位，将监测仪安装连接数据传导中心。在砂层构建过程中，通过监测仪收集实时数据，再分析、判断砂层形成状况。

(4)将浆液原料注入混合浆罐中，原料分别为50wt％的粒径2.0mm的建筑用砂石、25wt％的凝胶剂纤维素衍生物和25wt％的水，并在浆液中混合了修复药剂高锰酸钾。

(5)在预打井点位处先利用钻井钢管打成预计深度(3m)的井，取出钻井钢管，将以PVC管为材料的护管3(如图3所示)安装至井中，且一直延伸至井底，护管3侧壁上设有出浆口。护管3的轴向上设有等间距的多个开口，开口间距为10cm，该开口为条型开口，在护管3的同一周向上共设有三个开口，可根据预设的砂层高度，从开口中选择具体出浆口的位置。如图5所示，由于井道内壁与护管之间存在间隙8，故压裂前用砂石混凝土将间隙密封，即为封井。该间隙靠近地面的部分用混凝土密封，其他部位采用砂石填充，避免压裂注浆时漏气漏浆。封井后将带有注浆喷头6的注浆管4伸入护管3内，注浆喷头6的上方、下方均设有与护管配合的密封塞5。注浆管4伸至预设砂层标高处(如，首先伸到标高3m处)，在预设砂层高度通过注浆管4附带的注浆喷头6高压泵入浆液，多次连续喷射形成以护管为轴周向辐射的砂层(如图2所示)。

(6)先将注浆管调节到标高为3m的土层①(如图3所示)，控制浆液压入的压力为1.8MPa，进行压裂喷射，形成砂层，结束后再依次将注浆管调节到不同标高的土层②、③、④上，形成多个砂层。从地面至下与不同标高砂层对应的压力依次为：1.8MPa、1.3MPa、1.4MPa、1.6MPa、1.9MPa、2.2MPa。

(7)压裂过程与注药过程同时进行的过程中，通过砂层监测仪实时收集数据，分析砂层形成状况。

修复55天后，在预设监测点进行取样分析，污染物去除率达95％，砂层辐射半径达4～7m，该区域土壤渗透系数得到极大改善，砂层渗透系数为3×10^-4m/s，砂层之间土壤由于受压裂产生了裂隙，土壤平均渗透系数提高到4×10^-5m/s，渗透能力提高了100多倍，达到预定修复目标。

二、在该中试试验开始前，曾采用传统的原位注药修复方法进行场地的修复，修复方法为：

(1)进行场地修复调查，确定场地主要为多环芳烃等污染物，污染物浓度最高达1300mg/kg，污染深度为3～8m，场地土壤渗透系数为4.5×10^-7m/s；

(2)设计井的数量为4口，每个井的深度为8m，初步设计药剂的辐射半径为3m；

(3)在预打井点位处先利用钻井钢管打成预计深度(3m)的井，取出钻井钢管，通过注射装置将修复药剂注入井内，进行药剂修复。

修复两个月后经检测发现污染物浓度无显著下降，通过开挖发现，原设计注药井辐射半径为3m，而实际影响半径仅达到0.2～0.6m，原修复技术不能满足修复达标要求。

本发明实施例是在传统的原位注药修复方法进行场地修复后效果不佳的情况下进行的二次修复，如图1所示，传统修复方法下药剂辐射半径仅为A所示，即半径仅为0.2～0.6m，而采用本实施例方法修复后的药剂辐射半径为B所示，即半径达4～7m。由于涂层受力并非完全均一、各处涂层紧密度不同，所以图2和图3所示仅为砂层的示意图，实际压裂形成的砂层平面并非完全平行，图4为本实施例压裂后实际形成的砂层位置关系示意图。

实施例2

某退役农药厂场地，经调查污染面积为3200m²，土壤类型以粘土为主，渗透系数仅有8×10^-9m/s，污染物主要为苯和苯系物，苯最大污染浓度为89mg/kg，甲苯最大污染浓度为1930mg/kg，主要污染深度为地下2～8m。

通过详细调查发现，场内污染物受地下水影响，已扩散至场外某构筑物地表以下，但该构筑物尚在使用，不允许破坏。为避免对现有构筑物的破坏，在构筑物外围采取四边布设井，井辐射半径设计为6m，井深度则根据调查数据进行相应的调整。

具体步骤如下：

(1)设计井的数量为29口，每个井的深度为8m，初步设计药剂的辐射半径为6m；根据污染检测数据，设置砂层的层数和间距，砂层的标高从地面至下依次为：2m、2.5m、3.5m、4m、4.5m、5.5m、6.5m、7.5m、8m。

(2)安装、连接本实施例所需的装置，分别为混合装置、注射装置和监测装置，其中，混合装置由混合浆罐和搅拌机组成，用于混合修复药剂、凝胶剂、砂石、水，获得浆液；注射装置由护管、注浆管、连接管道和注浆泵组成，注浆管通过连接管道与注浆泵连接，用于喷射浆液，注浆泵与混合装置连接；监测装置包括三维监测仪、斜度监测仪。在打井点周围预先布设均匀检测点位，将监测仪安装连接数据传导中心。在砂层构建过程中，通过监测仪收集实时数据，再分析、判断砂层形成状况。

(3)将浆液原料注入混合浆罐中，原料分别为75wt％的粒径2.5mm的建筑用砂石、10wt％凝胶剂纤维素衍生物和15wt％的水。

(4)在预打井点位处先利用钻井钢管打成预计深度(3m)的井，取出钻井钢管，将以PVC管为材料的护管3(如图3所示)安装至井中，且一直延伸至井底，护管3侧壁上设有出浆口。护管3的轴向上设有等间距的多个开口，开口间距为8cm，该开口为条型开口，在护管3的同一周向上共设有三个开口，可根据预设的砂层高度，从开口中选择具体出浆口的位置。如图5所示，由于井道内壁与护管之间存在间隙8，故压裂前用砂石混凝土将间隙密封，即为封井。该间隙靠近地面的部分用混凝土密封，其他部位采用砂石填充，避免压裂注浆时漏气漏浆。封井后将带有注浆喷头6的注浆管4伸入护管3内，注浆喷头6的上方、下方均设有与护管配合的密封塞5。注浆管4伸至预设砂层标高处(如，首先伸到标高3m处)，在预设砂层高度通过注浆管4附带的注浆喷头6高压泵入浆液，多次连续喷射形成以护管为轴周向辐射的砂层(如图2所示)。

(5)先将注浆管调节到标高为2m的土层①(如图3所示)，控制浆液压入的压力为1.2MPa，进行压裂喷射，形成砂层，结束后再依次将注浆管调节到不同标高的土层上，形成多个砂层。随着标高值的增加，浆液压入的压力随之增加，从地面至下标高对应的压力依次为：1.2MPa、1.0MPa、0.8MPa、1.8MPa、1.2MPa、1.4MPa、1.3MPa、1.5MPa、1.8MPa。

(6)通过砂层监测仪实时收集数据，分析砂层形成状况，并进行相应补充。

(7)压裂过程结束后，将药剂储存装置与注射装置连接，向砂层喷射修复药剂Fenton试剂。

结果表明：药剂影响半径达到6.5m，注药修复4个月，主要污染物浓度下降75％，注药修复6个月，主要污染物去除率达97％，修复达标。

进一步分析发现，该修复区域的平均土壤渗透系数提高到5×10^-7m/s，渗透性能提高300倍，极大的改善了本区域土壤修复通径。另外，本发明技术也可在不破坏固有构筑物的同时，对其覆盖范围内的地下污染物进行针对性修复。

Claims (1)

1.一种污染场地原位注药修复方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)进行场地修复调查，所述污染场地的土壤类型为粘土，所受污染物为苯和苯系物，污染深度为2～8m；

(2)设计井的数量为29口，每个井的深度为8m，药剂的辐射半径为6m；设置砂层的层数和间距，砂层的标高从地面至下依次为：2m、2.5m、3.5m、4m、4.5m、5.5m、6.5m、7.5m、8m；

(3)安装、连接所需的装置，分别为混合装置、注射装置和监测装置，其中，混合装置由混合浆罐和搅拌机组成，用于混合修复药剂、凝胶剂、砂石、水，获得浆液；注射装置由护管、注浆管、连接管道和注浆泵组成，注浆管通过连接管道与注浆泵连接，用于喷射浆液，注浆泵与混合装置连接；监测装置包括三维监测仪、斜度监测仪；在打井点周围预先布设均匀检测点位，将监测仪安装连接数据传导中心；在砂层构建过程中，通过监测仪收集实时数据，再分析、判断砂层形成状况；

(4)将浆液原料注入混合浆罐中，原料分别为75wt％的粒径2.5mm的建筑用砂石、10wt％凝胶剂纤维素衍生物和15wt％的水；

(5)在预打井点位处先利用钻井钢管打成3m深度的井，取出钻井钢管，将以PVC管为材料的护管安装至井中，且一直延伸至井底，护管侧壁上设有出浆口；护管的轴向上设有等间距的多个开口，开口间距为8cm，该开口为条型开口，在护管的同一周向上共设有三个开口；由于井道内壁与护管之间存在间隙，故压裂前用砂石混凝土将间隙密封；该间隙靠近地面的部分用混凝土密封，其他部位采用砂石填充，避免压裂注浆时漏气漏浆；封井后将带有注浆喷头的注浆管伸入护管内，注浆喷头的上方、下方均设有与护管配合的密封塞；注浆管伸至预设砂层标高处在预设砂层高度通过注浆管附带的注浆喷头高压泵入浆液，多次连续喷射形成以护管为轴周向辐射的砂层；

(6)先将注浆管调节到标高为2m的土层，控制浆液压入的压力为1.2MPa，进行压裂喷射，形成砂层，结束后再依次将注浆管调节到不同标高的土层上，形成多个砂层；随着标高值的增加，浆液压入的压力随之增加，从地面至下标高对应的压力依次为：1.2MPa、1.0MPa、0.8MPa、1.8MPa、1.2MPa、1.4MPa、1.3MPa、1.5MPa、1.8MPa；

(7)通过砂层监测仪实时收集数据，分析砂层形成状况，并进行相应补充；

(8)压裂过程结束后，将药剂储存装置与注射装置连接，向砂层喷射修复药剂Fenton试剂。