CN105964677A - 一种土壤及地下水原位化学氧化高压注射优化修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种土壤及地下水原位化学氧化高压注射优化修复方法，属于土壤及地下水原位修复方法技术领域。①现场试验确定典型地层的注射药剂扩散半径、单孔每延米最大注浆量及可注性参数；②加密补充调查、土壤及地下水数据分析，按空间分布划分为：四个浓度主分区，八个浓度亚分区；③通过优化各分区的单孔每延米注浆量、氧化剂配制浓度及配方的参数，实现各分区修复药剂投加比的优化，具体施工表现为注射过程调整高压注射钻杆的提升速度实现，最终达到降低修复地块药剂投加比参数的目的。本发明适用于有机污染土壤及地下水的重度、深层污染情形，可解决原位化学氧化修复工程中药剂成本较高、药剂残留的难题，具有较强的工程可操作性。

Description

一种土壤及地下水原位化学氧化高压注射优化修复方法

技术领域

本发明涉及一种土壤及地下水原位化学氧化高压注射优化修复方法，属于土壤及地下水原位修复方法技术领域。

背景技术

土壤及地下水环境是生态系统的重要组成部分，近年来，随着全球工业化进程，我国土壤污染日益严重，其中有机污染成为重要污染类型之一，不仅破坏生态环境本身，直接或间接危及环境和人体健康安全。更为严重的是，挥发性及半挥发性有机污染物在不饱和区域(包气带)会迁移至深层饱和区域(含水层)，尤其是对地下水资源构成威胁，造成严重后果。

目前常用的土壤及地下水修复工程技术分为原位修复与异位修复两种方式，异位修复因涉及污染土壤的清挖、运输、异地修复以及地下水的抽出处理，容易造成污染物的泄露和扩散。原位修复技术受到青睐的重要原因，是因其能解决深层土壤及地下水污染问题，避免了深基坑开挖、降水、二次污染等问题，安全性及经济性也大大提高。

美国自上世纪80年代中期以来，已经投入大量资金用于土壤及地下水修复，一些新的原位修复技术应运而生。原位化学氧化(In Situ Chemical Oxidation，ISCO)技术依靠向土壤及地下水投加化学氧化剂，将地下水里的污染物氧化成毒性相对较低的产物(如二氧化碳、水、或氯离子等)，从而达到修复目的，该类技术可同时处理多种污染物，处理效率较高，化学氧化一般不受污染物浓度限制。常用的化学氧化药剂包括芬顿试剂、高锰酸钾、臭氧、活化的过硫酸盐等，可修复土壤及地下水中的苯系物、硝基苯类、石油烃等有机污染物。影响原位化学氧化技术的因素包括：氧化剂在地下水中的扩散、氧化剂类别、氧化剂投加量、污染物类型及浓度等。

原位注入两个重要参数设计，a)注入点布孔方式及参数(机械成本)；b)药剂投加比设计(药剂成本)，药剂投加比设计是原位化学氧化修复最关键的设计参数之一。

由于挥发性/半挥发性(VOCs/SVOCs)类有机物的物理化学性质的特殊性，其在土壤及地下水中常以吸附态、溶解态、气相(饱和土层相对比例很小)、自由相等四种状态存在，同时存在一定程度的迁移和转化。因此，该类有机污染物在不同地层中分布均一性较差，考虑大部分有机污染物有一定的溶解性，在地下水中同时有一定的分布。污染物在土壤及地下水中运移规律与土层有机质含量、土层的渗透性、土层结构与性质(如土壤密度、密实度、孔隙度)、土层分层特点(如局部含薄夹层或透镜体等)、污染物的特性(溶解度、蒸气压、亨利常数、土-水分配系数等)相关。

根据《场地环境调查技术导则》(HJ25.1-2014)要求原场地调查采样单元最基本要求按不大于1600m²(40m×40m网格)设计，该单元规格对于后期修复工程设计远远不够，加之前期场地调查重视程度不足及费用紧张等因素，调查阶段投入工作量较少，大型土壤及地下水修复工程基于原场地调查所获得的污染数据信息欠缺，难以指导修复精细化施工，往往不足以支撑修复工程原位化学氧化工程工艺参数的优化设计，导致修复工程存在工期、成本等方面的压力和风险，尤其对于重度污染区域施工药剂投加设计具有很大的修复风险及经济风险。由于水文地质的复杂性、有机污染物浓度及分布的差异性，亟待通过加密补充调查，对大型污染场地重点地块/区域进行空间的浓度分区识别，从而指导工程修复设计参数的优化。

现有的原位化学氧化修复药剂原位投加主要有两种方式：搅拌和注入/注射，其中原位注入/注射分为：Geoprobe钻头高压注射、建井注入(PVC注入井)、Chemgrout注浆技术、深层搅拌原位注浆技术以及其他岩土注浆技术等。

美国专利No.5,639,182“土壤原位修复方法”涉及一种原位土壤搅拌方法，它通过移动式履带行进的钻机，配备有可垂直钻进的叶轮钻头，可实现污染土壤的原位搅拌。所采用搅拌钻头为一体式叶轮钻头，因而搅拌深度受到了限制且阻力较大，其应用具有一定的局限性，仅适合于较松散地层的处理。搅拌技术难以实现垂直深度的药剂投加参数的调整。

原位钻头直压式注入是把配置好的药剂以一定压力通过注入钻头注入到污染土层并不断搅拌混匀污染土和氧化药剂从而修复污染土壤和地下水。在专利号为US2002/0143226A1和专利号为US006457905的美国专利中公开了两种化学氧化原位钻头注入修复系统，这两种修复系统都通过螺旋钻杆或注射钻头将化学氧化剂注入到污染土壤中。

建井注射技术：申请号为201410387735.4的“一种有机污染土壤和地下水原位修复装置及修复方法”、申请号为201410615166.4的“一种修复污染土壤和地下水的原位化学氧化注入装置”等中国发明专利中，提到一种建井注射原位化学氧化修复技术，修复前需在修复区域设置注射井的修复方法。这两种发明采用间歇式注射方式，在土层垂直深度方向无法控制和实现修复药剂投加比的优化设计及实施。

专利号No.US 2003/0069142的美国专利中公开了一种化学氧化注入井注入系统，该装置在装有固体粉末状药剂的筛管前段设置导流挡板，筛管内的药剂溶解后随着地下水流向通过导流挡板扩散到目标区域从而修复污染土壤和地下水。专利号为US2008/0174571A1的美国专利中公开了一种化学氧化原位注入井修复技术，该修复系统通过注入井向地下注入过氧化氢、臭氧及压缩空气氧化修复污染土壤和地下水。这两种发明均难以实现在垂直深度方向的药剂投加量的控制。

申请号为201510159423.2的“一种铬污染的原位修复方法”中国发明专利，药剂投加参数依据注射钻孔的覆盖面积所计算的搭接比(相邻注入点重叠的面积与注入点覆盖面积S的比值)及注射点布孔数量等参数获得，该计算方法的不足在于搭接比参数在工程实施中无法实测，同时药剂投加参数在垂直深度方向未考虑优化。

申请号为201410148583.2的“通过原位化学氧化去除水中氯烯烃的方法”中国发明专利，提到采用高锰酸钾在表面活性剂辅助下去除水中的有机物三氯乙烯(TCE)、四氯乙烯(PCE)去除率较高，但工程可操作性差，不适宜于土壤及地下水复合污染的情形。

以上修复技术应用过程需要一系列的原位修复系统和工艺方法，实现修复药剂的投加的优化。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前国内土壤及地下水原位修复工程项目中，普遍存在原场地调查污染数据不足，原位化学氧化修复施工中缺乏主要目标污染物的详细数据信息，难以解决重点污染地块的土壤及地下水修复原位注入布孔参数优化、注浆参数(药剂注射参数)优化、药剂(氧化剂)投加比优化设计问题。现有的原位化学氧化原位注入修复系统及方法，难以解决复杂有机污染地块的土壤及地下水的修复工程优化设计、修复药剂残留难题。进而提供一种土壤及地下水原位化学氧化高压注射优化修复方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种土壤及地下水原位化学氧化高压注射优化修复方法，

步骤一：现场试验确定原位化学氧化高压旋喷注射条件下，主要代表性地层的扩散半径、单孔每延米最大注浆量及可注性参数：

a)试验条件为：采用气、液二重管工艺，高压注浆泵注射压力25～30Mpa，空压机气泵压力0.7～0.8Mpa；注射药剂采用过硫酸盐(简称K药剂)及液碱活化剂配置的溶液；

b)按地层分布特点及规律确定原位注入修复扩散半径：根据前期扩散半径试验数据及经验值，确定所修复地块的原位注入修复药剂扩散半径，自上而下基于最不利地层的渗透性确定该地块的扩散半径；

c)最大药剂注射量(可注性)分析及可注性参数ɑ确定：移动孔隙率及可注性参数满足以下公式：

V_inj＝πR² ₀hθ_mov×1000 (1)

V_v＝πR² ₀hθ₁×1000 (2)

α＝(θ_m/θ₁)×100％ (3)

其中，V_inj——最大注浆量L/m；V_v——单位含水层孔隙体积，L/m；R₀——药剂有效扩散半径，m；h——单孔延米注浆段，取h＝1m；θ₁——总孔隙率，无量纲；θ_m——移动孔隙率，由于地下水流动而获得的激活孔隙体积，无量纲；ɑ——可注性参数，移动孔隙率占总孔隙率的比例，该值越高说明可注性越高，％，该参数为单轮注射单孔注浆量的设计提供了设计理论依据；

步骤二：注入点布设：依据原场地调查数据(土层钻孔柱状图、地下水监测井钻孔柱状图，工程地质剖面图)，按三角形法布设原位注入点(钻孔)的布孔参数L(孔距，垂直地下水流动方向)、B(排距，沿着地下水流动方向)，确定修复地块的布孔密度(个点/100m²)；

步骤三：补充加密调查：有机污染场地修复前若重点污染地块的污染浓度数据不足以支持原位化学氧化修复的优化设计，则需进行加密调查，加密调查网格设置遵循以下两条原则：

a)补充加密调查网格小于原场地调查网格，补充加密调查网格为原场地调查网格(一般为40m*40m)的1/2～1/4(如采用20*20m～10m*10m)，根据场地污染分布复杂情况取值(场地越复杂，取较小值)；

b)网格划分满足条件a)的情况下，同时考虑原位注入高压旋喷注射注入点布孔排距设置，采用若干排距整数倍，便于后期原位修复施工优化设计及分区施工；

步骤四：土壤及地下水调查结果分析：综合原场地调查、补充加密调查的主要目标污染物的浓度数据进行分析，统计按步骤三确定的单个网格区域的土壤目标污染物的浓度范围及规律，确定单个网格的主要目标污染的特征浓度(能反映该区域浓度普遍水平)数据范围以及在垂直深度的分布特点和规律；

步骤五：细化分区、注浆参数(药剂配方、氧化剂浓度、单孔注浆量、药剂综合投加比)优化：

空间分区基于平面及深度分区，同时考虑修复深度、高压旋喷注浆钻杆参数、地下水分布特点，细化分区为：四个主浓度分区，八个亚浓度分区，具体为：

a)平面星级分区(浓度主分区)：依据步骤四确定的调查分析结论，将确定单个网格的主要目标污染物的特征浓度统计归类合并，按土壤中污染物的空间浓度差异原位注入点施工区域划分按主要目标污染物浓度由低到高依次分为：*、**、***、****浓度分区，共计四个主浓度分区，四个主浓度分区注浆参数优化为：同一主分区采用相同的氧化剂浓度、注射药剂溶液/浆液配方；

b)垂直深度两段分区(浓度亚分区)：按垂直浓度显著差异划分为两个深度区间(按H1深度将修复深度H划分为上下两段)，主分区第一亚层(下段，H～H1)，主分区第二亚层(上段，H1～0)；四个主浓度分区注浆参数优化为：同一主分区采用相同的氧化剂浓度、注射药剂溶液/浆液配方；八个亚浓度分区注浆参数优化为：同一主分区每个钻孔采用相同的单孔注浆量，自下而上第一亚层和第二亚层采用不同的单孔每延米注浆量，施工中通过调节高压注射旋喷钻杆提升速度实现；

步骤六：按主分区进行原位化学氧化原位注入(高压旋喷注射)修复操作及分区施工，其步骤如下：

a)高压旋喷原位注射施工条件同步骤一中所述a)试验条件；根据各主分区代表性污染物浓度，设计相应的单孔注浆量(m³/孔)及每延米注浆量(L/m)，施工中各主分区注入点分别单独编号，便于施工记录及识别；

b)同一浓度主分区(同一星级)的各浓度亚分区必须采用同一药剂配方，即注射药剂溶液/浆液采用同一氧化剂浓度(氧化剂浓度固定)；

c)不同浓度主分区的各浓度亚分区采用不同药剂配方(各配方也可相同)，即注射药剂溶液/浆液采用不同氧化剂浓度(也可相同)；

d)各浓度亚分区的单孔每延米注浆量(L/m)参数优化为：*(V1，V2)、**(V3，V4)、***(V5，V6)、****(V7，V8)，即根据垂直污染分布情况每个主浓度分区单孔每延米注浆量(L/m)采用两个不同取值的参数(二者可取相同值)；施工中表现为完成单孔下段(H～H1)药剂注射操作后，需调整高压注浆钻杆的提升速度后，完成单孔上段(H1～0)的药剂注射操作；

e)不同主分区投入不同的原位注入高压旋喷设备进行施工，同一设备不可在不同主分区之间交叉作业；

步骤七：原位化学氧化高压旋喷注射分区药剂综合投加比的优化：

a)单孔注浆量参数优化过程及特征：按主分区优化为：*(V1，V2)、**(V3，V4)、***(V5，V6)、****(V7，V8)，V1～V8取值根据步骤一所确定的可注性参数范围来调整，并通过药剂配比、注射氧化剂配置浓度来反算优化，以满足理论计算药剂投加比设计值的要求；

b)各分区药剂投加比按如下公式计算：

*分区：

$C1\%=\frac{N1*K1\%*\[V1*(H-H1)+V2*H1\]}{V*1*A1*H*\mathrm{\ρ}}---\left(4\right)$

**分区:

$C2\%=\frac{N2*K2\%*\[V3*(H-H1)+V4*H1\]}{V*A2*H*\mathrm{\ρ}}---\left(5\right)$

***分区:

$C3\%=\frac{N3*K3\%*\[V5*(H-H1)+V6*H1\]}{V*1*A3*H*\mathrm{\ρ}}---\left(6\right)$

****分区:

$C4\%=\frac{N4*K4\%*\[V7*(H-H1)+V8*H1\]}{V*1*A4*H*\mathrm{\ρ}}---\left(7\right)$

其中，A、A1、A2、A3、A4分别为整个研究地块、*、**、***、****主分区对应修复面积，单位：m²；N1，N2，N3，N4分别为*、**、***、****主分区对应高压旋喷原位注入点数量，暂按注射一轮考虑，单位：个点(钻孔)；V1、V3、V5、V7依次为*、**、***、****主分区第一亚层(下段，H～H1)单孔每延米注浆量参数，单位：L/m；V2、V4、V6、V8依次为*、**、***、****主分区第二亚层(上段，H1～0)单孔每延米注浆量参数，单位：L/m；K1％、K2％、K3％、K4％依次为*、**、***、****主分区对应的氧化剂(过硫酸盐，简称K药剂)对应配置浓度(质量百分比)，单位：无量纲，四个主分区采用药剂配方为配方1～配方4，配置氧化剂溶液比重假设为1，单位：无量纲；V为配药站单罐药剂溶液的体积，单位：m³，一般取3m³；ρ为土壤密度，单位：t/m³，一般取值1.6～1.8t/m³；

c)整个地块氧化剂的综合投加比按以下公式计算：

$C0\%=\frac{C1\%*A1+C2\%*A2+C3\%*A3+C4\%*A4}{A}---\left(8\right).$

所述步骤一中，现场试验确定的原位化学氧化高压旋喷注射修复的单孔每延米注浆量参数范围：粘土类(如粉质粘土)取值为150～400L/m；砂土类(如粉细砂)取值为500～1200L/m；可移动孔隙率参数范围：粘土类(如粉质粘土)取值为0.06～0.16；砂土类(如粉细砂)取值为0.02～0.05；可注性参数范围：粘土类(如粉质粘土)取值为20％～52％；砂土类(如粉细砂)取值为6％～15％。

所述步骤七中，各分区氧化剂的投加比参数计算，a)根据步骤四所获得的主要目标污染物的特征浓度与K药剂氧化反应的摩尔比计算获得理论值，同时综合考虑地下水中污染物的浓度分布、土水分配系数、土壤的化学氧化SOD值的影响因素，通过反算微调获得各星级分区注浆量参数(单孔注浆量及每延米注浆量，L/m)，理论值优化为设计值；b)各星级分区注浆参数的优化，实际是反算过程，根据各分区主要目标污染物的特征浓度，理论计算后进行配药站药剂配比、单孔注浆参数的优化和调整，便于施工操作方便，单孔注浆量优化为500L的整数倍。

本发明的有益效果是：

一、饱和土壤/地下水的原位注入的最大注浆量问题，实质是可注性问题，即如何确定特定场地饱和层的移动孔隙率及可注性参数。由于土层结构、渗透性的显著差异，导致原位注入过程不同地层的可注性参数显著不同。可注性参数为药剂投加比的优化设计提供了理论依据，可注性参数的上限即为药剂可配置最大浓度(最高配比)情形下单轮注射最大药剂投加比，高于该极限的情形，需启动第二轮注射(需重新进行原位注入机械施工，相应的高压注射机械费用增加)。通过地层分析优化确定扩散半径及布孔参数，补充加密调查网格，细化分区(平面分区，深度分区)，注射参数优化，最终实现修复药剂综合投加比的降低，保证修复效果的同时提高经济性。

二、药剂投加比的优化具体通过调整各星际分区的原位注入点(钻孔)的注浆参数，单孔注浆量、每延米注浆量、各分区修复药剂(氧化剂+活化剂)的配方及配比来进行。通过各分区投加比的优化，从而实现整个地块的药剂综合投加比的优化。由于污染物在饱和土层(包括含水层)中的分布规律的差异性，因此，制定针对土层分布规律、污染物分布规律的精细化分区，按具有明显不同规律的各分区采用阶梯式修复药剂投加比的优化，同时考虑各土层、主要目标修复污染物浓度在空间(平面及垂直)的分布规律，垂直浓度进行划分。从而实现各分区药剂投加比的优化，最终显著降低整个地块的药剂综合投加比，保证修复效果的同时，降低原位修复的药剂成本。

三、氧化剂综合投加比的优化意义：一方面提高经济性降低药剂成本，一方面保证修复效果的同时防止药剂过量残留。

(1)K药剂氧化优势，相比双氧水(安全性，分解快，地下水中持续时间短)、高锰酸钾(安全性差)、臭氧(气体，扩散受限)。

(2)K药剂活化选择：液碱优势在于，持续时间长，无二次污染，最终酸碱度接近中性而二价铁氧化容易产生三价铁沉淀，加热原位处置能耗大，双氧水反应太快，不能持续。

(3)优化应用对象：针对土壤及地下水重点污染地块，有两重意义，一方面修复面积修复深度大，一方面污染程度高、差异，具备优化设计的必要性。

四、分区设计考虑主要目标污染物的浓度的空间分布差异、分段设计考虑含水层分布、原位注入钻杆参数，便于施工操作等因素，深度分两个档次优化，若优化为分N段施工，理论上可行，但不具有可操作性。调整每延米注射量(通过调节钻速及提升速度实现)，从而达到按深度优化药剂参数的功能。注射井很难按深度精确控制药剂投加参数，因此注射过程容易形成优先流动和短路。

附图说明

图1为本发明一种土壤及地下水原位化学氧化高压注射优化修复方法流程图。

图2为本发明的实施例1的原位化学氧化原位注入修复优化分区示意图(补充调查加密网格参数为：19.2m*19.2m)。

图2中的附图标记：1为*修复分区，2为***修复分区，3为****修复分区，4为*修复分区内高压旋喷原位注入点，5为***修复分区内高压旋喷原位注入点，6为****修复分区内高压旋喷原位注入点，7为地下水流向，a为补充加密网格宽度参数，单位：m；L1、L2、L3分别为*、***、****修复分区的原位注入孔距参数(垂直地下水流向)，单位：m；B1、B2、B3分别为*、***、****修复分区的原位注入排距参数(沿地下水流向)，单位：m。

图3为本发明的实施例1的原位化学氧化原位注入优化修复土壤修复效果对比图(*分区)、(K药剂综合投加比1.03％)。

图4为本发明的实施例1的原位化学氧化原位注入优化修复土壤修复效果对比图(***分区)、(K药剂综合投加比2.05％)。

图5为本发明的实施例1的原位化学氧化原位注入优化修复土壤修复效果对比图(****分区)、(K药剂综合投加比2.73％)。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

一种土壤及地下水原位化学氧化高压注射优化修复方法，包括以下步骤：

(1)针对土壤/地下水重点污染地块/区域，现场试验确定原位化学氧化高压旋喷原位注射条件下，主要代表性地层的扩散半径、单孔每延米最大注浆量及可注性参数：

a)试验条件为：采用气、液二重管工艺，高压注浆泵注射压力25～30Mpa，空压机气泵压力0.7～0.8Mpa。

b)按地层分布特点及规律确定原位注入修复扩散半径：根据前期扩散半径试验数据及经验值，确定所修复地块的原位注入修复药剂扩散半径，自上而下基于最不利地层的渗透性确定该地块的扩散半径。(实施例1，N3-1主要地层及最不利地层为粉质粘土，因此选择粉质粘土为主的扩散半径0.9m，进行布点设计)。

c)最大药剂注射量(可注性)分析及可注性参数ɑ确定：

移动孔隙率及可注性参数推导如下：

V_inj＝πR² ₀hθ_mov×1000 (1)

V_v＝πR² ₀hθ₁×1000 (2)

α＝(θ_m/θ₁)×100％ (3)

其中，V_inj——最大注浆量L/m；V_v——单位含水层孔隙体积，L/m；R₀——药剂有效扩散半径，m；h——单孔延米注浆段，取h＝1m；θ₁——总孔隙率，无量纲；θ_m——移动孔隙率，由于地下水流动而获得的激活孔隙体积，无量纲；ɑ——可注性参数，移动孔隙率占总孔隙率的比例，该值越高说明可注性越高，％，该参数为单轮注射单孔注浆量的设计提供了设计理论依据。

单孔每延米注浆量参数范围：粘土类(如粉质粘土)取值为150～400L/m；砂土类(如粉细砂)取值为500～1200L/m。

可移动孔隙率参数范围：粘土类(如粉质粘土)取值为0.06～0.16；砂土类(如粉细砂)取值为0.02～0.05。

可注性参数范围：粘土类(如粉质粘土)取值为20％～52％；砂土类(如粉细砂)取值为6％～15％。

(2)注入点布设：依据原场地调查数据(土层钻孔柱状图、地下水监测井钻孔柱状图，工程地质剖面图)，按三角形法布设原位注入点(钻孔)的布孔参数L(孔距，垂直地下水流动方向)、B(排距，沿着地下水流动方向)，确定修复地块的布孔密度(个点/100m²)。

(3)补充加密调查：有机污染场地修复前若重点污染地块的污染浓度数据不足以支持原位化学氧化修复的优化设计，则需进行加密调查。加密调查网格设置遵循以下两条原则：

a)补充加密调查网格小于原场地调查网格，补充加密调查网格为原场地调查网格(一般为40m*40m)的1/2～1/4为宜(如采用20*20m～10m*10m)，根据场地污染分布复杂情况取值(场地越复杂，取较小值)；

b)网格划分满足条件a)的情况下，同时考虑原位注入高压旋喷注射注入点布孔排距设置，可采用若干排距整数倍，保证单个加密调查网格内均布原位注入点，便于后期原位修复施工优化设计及分区施工。

(4)土壤及地下水调查结果分析：综合原场地调查、补充加密调查的主要目标污染物的浓度数据进行分析，统计按步骤三确定的单个网格区域的土壤目标污染物的浓度范围及规律，确定单个网格的主要目标污染的特征浓度(能反映该区域浓度普遍水平)数据范围以及在垂直深度的分布特点和规律。

(5)细化分区、注浆参数(药剂配方、氧化剂浓度、单孔注浆量、综合药剂投加比)参数优化及精细化原位注入修复施工：

空间分区基于平面及深度分区，同时考虑修复深度、高压旋喷注浆钻杆参数(如单根钻杆规格为3m)、地下水分布特点。细化分区为：四个主浓度分区，八个亚浓度分区。

a)平面星级分区(浓度主分区)：依据步骤(4)确定的调查分析结论，将确定单个网格的主要目标污染的特征浓度统计归类合并，按土壤中污染物的空间浓度差异原位注入点施工区域划分按主要目标污染物浓度由低到高依次分为：*浓度分区(R1，L1，B1，布孔密度1)、**浓度分区(R2，L2，B2，布孔密度2)、***浓度分区(R3，L3，B3，布孔密度3)、****浓度分区(R4，L4，B4，布孔密度4)，共计四个级别。四个主分区修复面积分别为A1～A4。修复面积满足以下公式：

A＝A1+A2+A3+A4 (1)

其中，A、A1、A2、A3、A4分别为整个研究地块、*、**、***、****主分区对应修复面积，单位：m²；

布孔密度定义为以下公式：

其中，N1、N2、N3、N4分别为*、**、***、****主分区对应原位注入高压旋喷注射点数量，暂按注射一轮考虑，单位：个点(钻孔)。

b)垂直深度两段分区(浓度亚分区)：按垂直浓度显著差异划分为两个深度区间，主分区第一亚层(下段，H～H1)，主分区第二亚层(上段，H1～0)。具体分区信息详见表1。修复深度满足以下公式：

H＝(H-H1)+(H1-0) (3)

其中，H为修复最大深度，H1为优化亚层分层深度，H～H1为第一亚层，下段；H1～0为第二亚层，上段；

所研究修复地块各分区注浆参数优化见下表：

表1原位化学氧化高压旋喷注射注浆参数优化表

注：(1)修复深度为H，划分为两段：0～H1、H1～H，注浆(药剂注射)参数依据自下而上的原位注射修复方法设定；(2)采用气、液二重管高压旋喷注射方法实现修复药剂(氧化剂及活化剂)原位注入土壤及地下水中。

(6)按主分区进行精细化原位化学氧化原位注入(高压旋喷注射)修复操作及分区施工，其特征如下：

高压旋喷原位注射过程采用气、液二重管法，注射条件为：高压注浆泵压力25～30Mpa，空压机压力0.7～0.8Mpa。注射药剂采用以过硫酸盐(简称K药剂)为氧化剂、液碱(一定浓度的NaOH溶液)为活化剂配制的溶液，同时注入土壤及地下水修复目标层位。配制注射溶液中投加一定比例的活化剂，保证活化效果的同时，保证修复后土壤酸碱度不超标。

a)按表1所述细化分区，根据各分区代表性污染物浓度，设计相应的单孔总注浆量(m³/孔)及每延米注浆量(L/m)。施工中各主分区注入点分别单独编号，便于施工记录及识别。

b)同一浓度主分区(同一星级)的各浓度亚分区必须采用同一药剂配方，即注射药剂溶液/浆液采用同一氧化剂浓度(氧化剂浓度固定)，施工中表现为使用同一配方的配药站。

c)不同浓度主分区的各浓度亚分区采用不同药剂配方(各配方也可相同)，即注射药剂溶液/浆液采用不同氧化剂浓度(也可相同)，施工中表现为使用不同配方的配药站。

d)各浓度亚分区的单孔每延米注浆量(L/m)参数优化为：*(V1，V2)、**(V3，V4)、***(V5，V6)、****(V7，V8)，即根据垂直污染分布情况每个主浓度分区单孔每延米注浆量(L/m)采用2个不同取值的参数(二者可取相同值)。施工中表现为完成单孔下段(H～H1)药剂注射操作后，需调整高压注浆钻杆的提升速度后，完成单孔上段(H1～0)的药剂注射操作。

e)不同主分区投入不同的原位注入高压旋喷设备进行施工，同一设备不可在不同主分区之间交叉作业。

(7)原位化学氧化高压旋喷注射分区(主分区及整个地块)药剂综合投加比的优化：

a)单孔注浆量参数优化过程及特征：

①按主分区优化为：*(V1，V2)、**(V3，V4)、***(V5，V6)、****(V7，V8)，其特征为V1～V8取值根据步骤(1)所确定的可注性参数范围来调整，并通过药剂配比、注射氧化剂配置浓度来反算优化，以满足理论计算药剂投加比设计值的要求。

②各分区K药剂投加比参数计算根据步骤(4)所获得的主要目标污染物的特征浓度与K药剂氧化反应的摩尔比计算获得理论值，同时综合考虑地下水中污染物的浓度分布、土水分配系数、土壤的化学氧化SOD值的影响因素，通过反算微调获得各星级分区注浆量参数(单孔注浆量及每延米注浆量，L/m)，理论值优化为设计值。

③各星级分区注浆参数的优化，实际是反算过程，根据各分区主要目标污染物的特征浓度，理论计算后进行配药站药剂配比、单孔注浆参数的优化和调整，便于施工操作方便，建议单孔注浆量优化为500L的整数倍。

b)各分区单孔注浆量Q计算如下：

*分区：

Q1＝V1(H-H1)+V2(H1-0) (4)

**分区：

Q2＝V3(H-H1)+V4(H1-0) (5)

***分区：

Q3＝V5(H-H1)+V6(H1-0) (6)

****分区：

Q4＝V7(H-H1)+V8(H1-0) (7)

c)各分区药剂投加比计算如下(C与K关联)：

*分区：

$C1\%=\frac{N1*K1\%*\[V1*(H-H1)+V2*H1\]}{V*1*A1*H*\mathrm{\ρ}}---\left(8\right)$

**分区：

$C2\%=\frac{N2*K2\%*\[V3*(H-H1)+V4*H1\]}{V*A2*H*\mathrm{\ρ}}---\left(9\right)$

***分区：

$C3\%=\frac{N3*K3\%*\[V5*(H-H1)+V6*H1\]}{V*1*A3*H*\mathrm{\ρ}}---\left(10\right)$

****分区：

$C4\%=\frac{N4*K4\%*\[V7*(H-H1)+V8*H1\]}{V*1*A4*H*\mathrm{\ρ}}---\left(11\right)$

其中，A、A1、A2、A3、A4分别为整个研究地块、以及*、**、***、****主分区对应修复面积，单位：m²；N1、N2、N3、N4分别为*、**、***、****主分区对应高压旋喷原位注入点数量，暂按注射一轮考虑，单位：个点(钻孔)；V1、V3、V5、V7依次为*、**、***、****主分区第一亚层(下段，H～H1)单孔每延米注浆量参数，单位：L/m；V2、V4、V6、V8依次为*、**、***、****主分区第二亚层(上段，H1～0)单孔每延米注浆量参数，单位：L/m；K1％、K2％、K3％、K4％依次为*、**、***、****主分区对应的氧化剂(过硫酸盐，简称K药剂)对应配置浓度(质量百分比)，单位：无量纲；4个主分区采用药剂配方为配方1～配方4，配置氧化剂溶液比重假设为1，单位：无量纲；V为配药站单罐药剂溶液的体积，单位：m³，一般取3m³；ρ为土壤密度，单位：t/m³，一般取值1.6～1.8t/m³，我国南方地区典型饱和土层推荐值为1.6t/m³。

d)整个地块药剂(氧化剂)综合投加比计算如下：

$C0\%=\frac{C1\%*A1*H*\mathrm{\ρ}+C2\%*A2*H*\mathrm{\ρ}+C3\%*A3*H*\mathrm{\ρ}+C4\%*A4*H*\mathrm{\ρ})}{A*H*\mathrm{\ρ}}---\left(12\right)$

简化为，

$C0\%=\frac{C1\%*A1+C2\%*A2+C3\%*A3+C4\%*A4}{A}---\left(13\right)$

e)整个地块原位化学氧化原位注入经济性参数：氧化剂投加比降低率(％)。

其中，C4％为所研究重点修复地块优化前设计氧化剂投加比，单位：无量纲；C0％为优化后设计氧化剂投加比，单位：无量纲。

针对有机污染场地土壤/地下水重点污染地块/区域，该类地块/区域具有修复面积及修复深度大、污染程度高且污染分布差异显著，水文地质条件复杂(如地层较为复杂、地下水埋藏浅且丰富)的特点，本发明提出的技术方案及思路可用于有机污染场地土壤及地下水原位化学氧化原位注射修复过程的药剂(氧化剂)投加参数的优化设计及工程实施，工程可操作性强、显著提高原位修复的经济性，具有广阔的应用前景和推广价值。

实施例1

本实施例为有机污染土壤/地下水修复工程中重点污染地块/区域的原位化学氧化技术应用高压旋喷注射原位修复工艺实现修复药剂(氧化剂)投加参数优化的方法，本实施例中没有特别说明的操作，参照发明内容中已经给出的方法进行，在此不再赘述。

本实施例具体如下所述：

本项目为南京某化工厂土壤及地下水修复工程,土壤修复工程量25.8万方，地下水修复工程量17万平，土壤及地下水中的目标污染物为氯苯、苯、对/邻硝基氯化苯等VOCs/SVOCs类有机物。土壤最大修复深度12m，存在两层粉质粘土层、含水层为粉细砂层(分布在3～6m或4～7m)，地下水埋藏浅(约1m左右)且丰富。项目原位修复的难点之一是重点污染地块/区域(N3-1、N3-2地块)的化学氧化药剂投加比优化难题，原场地调查数据不足以支撑修复工程的优化设计。重度污染地块所占比重较大，其中，土壤修复工程量占78.73％，与之同时修复的地下水修复工程量占10.0％，根据原场地调查结论，该重点污染地块也是本项目的重度污染地块，土壤及地下水中主要目标污染物以对/邻硝基氯化苯为主，初始代表性浓度高于1000mg/kg。因此，本实施例的优化设计对于原位化学修复药剂成本、修复效果以及药剂残留的控制具有重要意义，药剂投加参数的优化设计对于大型、复杂有机污染土壤及地下水修复工程尤为重要。结合图1～图2，以本项目中修复深度12m，主要目标污染物为对/邻硝基氯化苯的典型地块之一(N3-1地块)为例，原位化学氧化高压旋喷注射优化修复的步骤，简述如下：

(1)现场试验确定原位化学氧化高压旋喷注射修复工艺的扩散半径、单孔每延米注浆量及可注性参数：根据原场地调查资料及数据，所研究地块(N3-1)12m深度范围自上而下依次分布有杂填土(0～2m)、粉质粘土(2～3m)、粉细砂(含水层3～6m)、粉质粘土(6～12m)四层土壤，地层主要由粉质粘土、粉细砂组成，考虑最不利的粉质粘土的渗透性，采用粉质粘土的扩散半径(取0.9m)作为该地块扩散半径优化设计参数，进而确定布孔参数：按三角形法布点，孔距L＝1.6m(垂直地下水方向，东西向)，排距B＝1.4m(沿着地下水方向，南北向)。按粉质粘土地层确定单孔每延米注浆量参数范围：150～400L/m；可移动孔隙率参数范围：0.06～0.16；可注性参数范围：20％～52％。

(2)注入点布设：根据按最不利渗透的地层考虑，所研究地块统一按粉质粘土所确定的布孔参数进行布点，设计原位化学氧化高压旋喷注射原位注入点数量总计N＝3067个，覆盖所研究整个修复地块(修复面积A＝6628m²)，确定布孔密度为46.27个/100m²。

(3)补充加密调查：补充加密网格宽度(a)参数选择原位注入布点12倍排距的宽度(约为原调查网格的1/2)，如下表所示,选择。

表1补充调查加密网格参数

B-排距(m)	网格宽度(m)	倍数(-)	备注
				1.6	19.2	12

(4)土壤及地下水调查结果分析：结合原场地调查及补充加密调查对土壤及地下水取样检测结果进行分析，确定每个加密网格(19.2m*19.2m)主要目标污染物对/邻硝基氯化苯的特征浓度范围，并分析浓度的深度分布规律。

(5)细化分区、注浆参数(药剂配方、氧化剂浓度、单孔注浆量、综合药剂投加比)优化：考虑修复深度、高压旋喷注浆钻杆参数(单根钻杆3m长度)、地下水分布特点，目标污染物的空间浓度差异，细化分区为：平面星级分为3个主浓度分区(*、***、****)，其中**分区缺失；垂直按6m深度划分，分为6个亚浓度分区。各浓度分区的目标污染物特征浓度(mg/kg或ppm)、分区面积(m²)、高压旋喷注射点数量(个)、K药剂配比浓度(％)及配方类型的参数详见下表。

具体注浆参数优化见下表。

表2各分区注浆参数优化表

注：(1)NCB为N3-1地块主要目标污染物对/邻硝基氯化苯英文缩写简称，扩散半径取0.9m(粉质粘土)；(2)N3-1地块修复面积6628m²，修复深度为12m，合计土壤修复工程量为79536m³；(3)单罐配药站体积V＝3m³，土壤密度ρ＝1.6t/m³。

由上表可知，本实施例1中12m深度单孔最大注浆量优化为3～4m³。

(6)原位化学氧化高压旋喷注射分区药剂综合投加比的计算：

按公式(8)～(11)计算可得，所研究N3-1地块各浓度主分区(*、***、****分区)K药剂的综合投加比为：1.03％、2.05％、2.73％，再按公式(14)可计算得，N3-1地块K药剂综合投加比为1.99％。

实施例2

本实施例对实施例1中针对土壤及地下水中的目标污染物NCB的原位化学氧化高压旋喷注射优化修复方法的修复效果及经济性进行分析和评价。

1、土壤修复效果评价：

按实施例1所述优化修复方法，NCB的初始浓度(原场地调查数据或补充加密调查数据)与优化修复后验收检测浓度进行比较，土壤修复效果如图3～图5所示。

NCB的土壤修复标准由原设计5m以上19ppm、5m以下33ppm，优化为6m以上19ppm、6m以下33ppm，符合安全性原则，也便于分区优化施工及计算。

如图3所示，*分区优化后K药剂(氧化剂)的综合投加比为1.03％，优化修复后土壤6m上下NCB均显著降低，达到了相应土壤验收标准，修复效果显著。

如图4所示，***分区优化后K药剂(氧化剂)的综合投加比为1.52％，优化修复后土壤6m上下NCB均显著降低，达到了相应土壤验收标准，修复效果显著。

如图5所示，****优化后K药剂(氧化剂)的综合投加比为2.73％，优化修复后土壤6m上下NCB均显著降低，达到了相应土壤验收标准，修复效果显著。

2、N3-1地块原位化学氧化原位注入经济性参数分析：

本实施例通过将复杂有机污染地块(N3-1地块)细化分区为*、***、****三个浓度主分区，通过各分区注浆参数的优化，实现了整个地块的氧化剂(K药剂)的投加参数的优化。

****浓度分区代表了优化前的K药剂投加比(C4％＝2.73％)，优化后整个地块的综合药剂投加比(C0％＝1.99％)，实质是将C4％优化为C0％的过程，即药剂(氧化剂)综合投加比的降低率(％)为本项目K药剂投加经济性指标，见下表。

表3药剂投加比经济性指标

从上表可知，本实施例通过补充加密调查、注入点布设、细化分区及注浆参数的优化过程，最终实现了重度污染地块原位化学氧化修复药剂投加参数的优化，在保证修复效果的同时，显著提升了经济性，降低了修复工程的药剂成本。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种土壤及地下水原位化学氧化高压注射优化修复方法，其特征在于，

步骤一：现场试验确定原位化学氧化高压旋喷注射条件下，主要代表性地层的扩散半径、单孔每延米最大注浆量及可注性参数：

a)试验条件为：采用气、液二重管工艺，高压注浆泵注射压力25～30Mpa，空压机气泵压力0.7～0.8Mpa；注射药剂采用过硫酸盐及液碱活化剂配置的溶液；

b)按地层分布特点及规律确定原位注入修复扩散半径：根据前期扩散半径试验数据及经验值，确定所修复地块的原位注入修复药剂扩散半径，自上而下基于最不利地层的渗透性确定该地块的扩散半径；

c)最大药剂注射量分析及可注性参数ɑ确定：移动孔隙率及可注性参数满足以下公式：

V_inj＝πR² ₀hθ_mov×1000 (1)

V_v＝πR² ₀hθ₁×1000 (2)

α＝(θ_m/θ₁)×100％ (3)

其中，V_inj——最大注浆量L/m；V_v——单位含水层孔隙体积，L/m；R₀——药剂有效扩散半径，m；h——单孔延米注浆段，取h＝1m；θ₁——总孔隙率，无量纲；θ_m——移动孔隙率，由于地下水流动而获得的激活孔隙体积，无量纲；ɑ——可注性参数，移动孔隙率占总孔隙率的比例，该值越高说明可注性越高，％，该参数为单轮注射单孔注浆量的设计提供了设计理论依据；

步骤二：注入点布设：

依据原场地调查数据，按三角形法布设原位注入点的布孔参数L、B，确定修复地块的布孔密度；

步骤三：补充加密调查：

有机污染场地修复前若重点污染地块的污染浓度数据不足以支持原位化学氧化修复的优化设计，则需进行加密调查，加密调查网格设置遵循以下两条原则：

a)补充加密调查网格小于原场地调查网格，补充加密调查网格为原场地调查网格的1/2～1/4，根据场地污染分布复杂情况取值；

b)网格划分满足条件a)的情况下，同时考虑高压旋喷注射原位注入点布孔排距设置，采用若干排距整数倍，便于后期原位修复施工优化设计及分区施工；

步骤四：土壤及地下水调查结果分析：

综合原场地调查、补充加密调查的主要目标污染物的浓度数据进行分析，统计按步骤三确定的单个网格区域的土壤目标污染物的浓度范围及规律，确定单个网格的主要目标污染的特征浓度数据范围以及在垂直深度的分布特点和规律；

步骤五：细化分区、注浆参数优化：

空间分区基于平面及深度分区，同时考虑修复深度、高压旋喷注浆钻杆参数、地下水分布特点，细化分区为：四个主浓度分区，八个亚浓度分区，具体为：

a)平面星级分区：依据步骤四确定的调查分析结论，将确定单个网格的主要目标污染物的特征浓度统计归类合并，按土壤中污染物的空间浓度差异原位注入点施工区域划分按主要目标污染物浓度由低到高依次分为：*、**、***、****浓度分区，共计四个主浓度分区，四个主浓度分区注浆参数优化为：同一主分区采用相同的氧化剂浓度、注射药剂溶液/浆液配方；

b)垂直深度两段分区：按垂直浓度显著差异划分为两个深度区间，主分区第一亚层，主分区第二亚层；四个主浓度分区注浆参数优化为：同一主分区采用相同的氧化剂浓度、注射药剂溶液/浆液配方；八个亚浓度分区注浆参数优化为：同一主分区每个钻孔采用相同的单孔注浆量，自下而上第一亚层和第二亚层采用不同的单孔每延米注浆量，施工中通过调节高压注射旋喷钻杆提升速度实现；

步骤六：按主分区进行原位化学氧化原位注入修复操作及分区施工，其步骤如下：

a)高压旋喷原位注射施工条件同步骤一中所述a)试验条件；根据各主分区代表性污染物浓度，设计相应的单孔注浆量及每延米注浆量，施工中各主分区注入点分别单独编号，便于施工记录及识别；

b)同一浓度主分区的各浓度亚分区必须采用同一药剂配方，即注射药剂溶液/浆液采用同一氧化剂浓度；

c)不同浓度主分区的各浓度亚分区采用不同药剂配方，即注射药剂溶液/浆液采用不同氧化剂浓度；

d)各浓度亚分区的单孔每延米注浆量参数优化为：*(V1，V2)、**(V3，V4)、***(V5，V6)、****(V7，V8)，即根据垂直污染分布情况每个主浓度分区单孔每延米注浆量采用两个不同取值的参数；施工中表现为完成单孔下段药剂注射操作后，需调整高压注浆钻杆的提升速度，以完成单孔上段的药剂注射操作；

e)不同主分区投入不同的原位注入高压旋喷设备进行施工，同一设备不可在不同主分区之间交叉作业；

步骤七：原位化学氧化高压旋喷注射分区药剂综合投加比的优化：

a)单孔注浆量参数优化过程及特征：按主分区优化为：*、**、***、****，V1～V8取值根据步骤一所确定的可注性参数范围来调整，并通过药剂配比、注射氧化剂配置浓度来反算优化，以满足理论计算药剂投加比设计值的要求；

b)各分区药剂投加比按如下公式计算：

*分区：

$C1\%=\frac{N1*K1\%*\[V1*(H-H1)+V2*H1\]}{V*1*A1*H*\mathrm{\ρ}}---\left(4\right)$

**分区：

$C2\%=\frac{N2*K2\%*\[V3*(H-H1)+V4*H1\]}{V*A2*H*\mathrm{\ρ}}---\left(5\right)$

***分区：

$C3\%=\frac{N3*K3\%*\[V5*(H-H1)+V6*H1\]}{V*1*A3*H*\mathrm{\ρ}}---\left(6\right)$

****分区：

$C4\%=\frac{N4*K4\%*\[V7*(H-H1)+V8*H1\]}{V*1*A4*H*\mathrm{\ρ}}---\left(7\right)$

其中，A、A1、A2、A3、A4分别为整个研究地块、*、**、***、****主分区对应修复面积，单位：m²；N1、N2、N3、N4分别为*、**、***、****主分区对应高压旋喷原位注入点数量，暂按注射一轮考虑，单位：个点；V1、V3、V5、V7依次为*、**、***、****主分区第一亚层单孔每延米注浆量参数，单位：L/m；V2、V4、V6、V8依次为*、**、***、****主分区第二亚层单孔每延米注浆量参数，单位：L/m；K1％、K2％、K3％、K4％依次为*、**、***、****主分区对应的氧化剂对应配置浓度，单位：无量纲；四个主分区采用药剂配方为配方1～配方4，配置氧化剂溶液比重假设为1，单位：无量纲；V为配药站单罐药剂溶液的体积，单位：m³，一般取3m³；ρ为土壤密度，单位：t/m³，一般取值1.6～1.8t/m³；

c)整个地块氧化剂的综合投加比按以下公式计算：

$C0\%=\frac{C1\%*A1+C2\%*A2+C3\%*A3+C4\%*A4}{A}---\left(8\right).$

2.根据权利要求1所述的土壤及地下水原位化学氧化高压注射优化修复方法，其特征在于，所述步骤一中，现场试验确定的原位化学氧化高压旋喷注射修复的单孔每延米注浆量参数范围：粘土类取值为150～400L/m；砂土类取值为500～1200L/m；可移动孔隙率参数范围：粘土类取值为0.06～0.16；砂土类取值为0.02～0.05；可注性参数范围：粘土类取值为20％～52％；砂土类取值为6％～15％。

3.根据权利要求1所述的土壤及地下水原位化学氧化高压注射优化修复方法，其特征在于，所述步骤七中，各分区氧化剂的投加比参数计算，a)根据步骤四所获得的主要目标污染物的特征浓度与K药剂氧化反应的摩尔比计算获得理论值，同时综合考虑地下水中污染物的浓度分布、土水分配系数、土壤的化学氧化SOD值的影响因素，通过反算微调获得各星级分区注浆量参数，理论值优化为设计值；b)各星级分区注浆参数的优化，实际是反算过程，根据各分区主要目标污染物的特征浓度，理论计算后进行配药站药剂配比、单孔注浆参数的优化和调整，便于施工操作方便，单孔注浆量优化为500L的整数倍。