CN106077074B - 一种深层重金属污染土壤的原位修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深层重金属污染土壤的原位修复方法，采用高压旋喷桩注浆法将包含有重金属修复药剂和固化剂的浆液旋喷至重金属污染土壤中，使污染土壤中的重金属固定或转化。本发明独创性地采用高压旋喷桩注浆法来治理重金属污染的土壤，解决了重金属污染土壤治理领域技术人员一直诉求解决的较深层重金属污染土壤的治理问题。相较于现有注射法、表面喷洒等方法，本发明方法可有效处理距地表5m以下或者某些历史遗留废渣场地的重金属污染土层；且无需大范围挖掘、转运原污染土壤(异位修复工程需要转运大量重金属污染土壤)，可在污染处原位处理。

Description

一种深层重金属污染土壤的原位修复方法

技术领域

本发明涉及一种土壤修复工艺，具体是涉及一种深层重金属污染土壤的原位修复方法。

背景技术

重金属污染指由重金属或其化合物造成的环境污染。主要由采矿、废气排放、污水灌溉和使用重金属超标制品等人为因素所致。因人类活动导致环境中的重金属含量增加，超出正常范围，直接危害人体健康，并导致环境质量恶化。重金属污染与其他有机化合物的污染不同，不少有机化合物可以通过自然界本身物理的、化学的或生物的净化，使有害性降低或解除，而重金属具有富集性，很难在环境中降解。如果超过人体所能耐受的限度，会造成人体急性中毒、亚急性中毒、慢性中毒甚至致癌，例如，日本发生的水俣病(汞污染)和骨痛病(镉污染)等公害病，都是由重金属污染引起的。

目前重金属污染场地的修复方法主要有掩埋、生物修复、土壤淋洗、固化稳定化以及各种集成修复技术等。固化稳定化技术是将污染物转化成稳定态，并将其固定在污染介质中，使其处于长期稳定状态，是较普遍应用于土壤重金属污染的快速控制修复方法，对同时处理多种重金属复合污染土壤具有明显的优势。该处理技术的费用比较低廉，对一些非敏感区的污染土壤可大大降低场地污染治理成本。常用的固化稳定剂有飞灰、石灰、沥青和硅酸盐水泥等，其中水泥应用最为广泛。

目前对于污染存在于5m以下或者某些历史遗留废渣场地，异位修复工程量大、处理周期长，而目前原位修复一般采用的注射法主要靠药剂自身的渗透来达到治理目的，此法受土壤性质影响较大，药剂与污染物难以混合均匀造成药剂利用效率较低。

发明内容

为解决现有重金属污染土壤特别是深层土壤的重金属处理效果差，难以原位处理等缺陷，本发明提供了一种深层重金属污染土壤的原位修复方法，该方法能有效处理深层重金属污染土壤。此外，本发明另一目的在于解决重金属处理过程的返浆量过大、二次污染风险及处理成本大的缺陷。

一种深层重金属污染土壤的原位修复方法，采用高压旋喷桩注浆法将包含有重金属修复药剂和固化剂的浆液旋喷至重金属污染土壤中，使污染土壤中的重金属固定或转化。

本发明独创性地采用高压旋喷桩注浆法来治理重金属污染的土壤，解决了重金属污染土壤治理领域技术人员一直诉求解决的较深层重金属污染土壤的治理问题。相较于现有注射法、表面喷洒等方法，本发明方法可有效处理距地表5m以下或者某些历史遗留废渣场地的重金属污染土层；且无需大范围挖掘、转运原污染土壤(异位修复工程需要转运大量重金属污染土壤)，可在污染处原位处理；此外，本发明方法处理周期短，处理过程一般不受土壤性质、环境因素等影响，浆液中的活性成分与污染物可充分混合，重金属修复药剂的利用效率高，重金属处理效果优异。

本发明中，将重金属修复药剂和固化剂制成浆液后利用高压设备使喷嘴以一定的压力把浆液喷射出去，高压射流冲击、切割重金属污染土体，从而使土体结构破坏，浆液与土体搅拌混合，即利用旋喷桩的射流切割、混合搅拌作用，将药剂喷射入重金属污染场地内部使其均匀混合，从而使浆液中的固化剂和重金属修复药剂充分和土壤中的重金属反应、固定或转化。此外，伴随注浆管的旋转和提升，重金属修复药剂与污染土体混合均匀后便在土体中形成有一定强度、相邻桩体相互咬合成一体的固结体，从而进一步将土壤中的重金属固定起来(例如固定在固结体内)，或者将其转化成化学性质不活泼的形态，阻止其在环境中迁移、扩散。

本发明方法适用于各类重金属污染土壤的治理，作为优选，所述重金属包括铅、锌、铜、镉、镍和砷中的至少一种。

所述修复药剂和固化剂采用浆液的形式加入，药剂浓度根据污染程度相应配制，固化剂加入量根据小试及中试试验结果来确定。

现有商品化的水溶性的重金属修复药剂均可应用至本发明中，不管其是水剂、粉剂或者悬浮液。例如，磷酸盐系修复剂治理铅、锌、镍效果较好，硫系修复剂治理铅、铜、镉效果较好，铁系修复剂治理砷效果较好。螯合剂类重金属捕集剂可适用于各类重金属的修复使用且可与其他修复剂配合使用。

所述固化剂包括水泥、石灰、轻烧粉、粉煤灰中的至少一种。

作为优选，所述固化剂水泥和/或轻烧粉。本发明人发现，采用水泥和/或轻烧粉作为固化剂的固化效果更好。

本发明中，所述深层重金属污染土壤的原位修复方法，浆液旋喷方式包括单管法、二重管法或三重管法。

本发明人发现，采用不同的旋喷方式并配合相应的旋喷参数及所述浆液，可有效提高重金属的处理效果和处理效率。

作为优选，单管法旋喷过程中，浆液压力为30～40MPa，旋转速度为10～15r/min，提升速度为0.2～0.25m/min，浆液流量为80～100L/min。

作为优选，二重管法旋喷过程中，浆液压力为30～40MPa，压缩空气压力为0.7～0.8MPa，旋转速度为10～15r/min，提升速度为0.1～0.2m/min，浆液流量为90～120L/min。

作为优选，三重管法旋喷过程中，浆液压力为20～25MPa，压缩空气压力为0.7～0.8MPa，高压水压力为40～50MPa，旋转速度为5～10r/min，提升速度为0.1～0.15m/min，高压水流量为60～80L/min。

本发明中，具体根据单桩治理土壤量、浆液流量来配制浆液。

作为优选，所述重金属修复药剂投加量为污染土壤重量的0.5％～5％；固化剂投加量为污染土壤重量的3％～10％。

所述浆液中，所述重金属修复药剂的质量浓度为10～45kg/m³；所述固化剂的质量浓度为50～200kg/m³。

作为优选，所述浆液中，所述重金属修复药剂的质量浓度为45kg/m³；所述固化剂的质量浓度为150kg/m³。

作为优选，所述浆液中，所述重金属修复药剂和固化剂的重量比为1∶1～1∶5。

进一步优选，所述浆液中，所述重金属修复药剂和固化剂的重量比为1∶2～1∶5。

本发明中，固化剂起到固结土体的作用不要求成桩。

在所述的单管法旋喷、二重管法旋喷和三重管法旋喷参数下，作为优选，所述的浆液粘度低于25斯托克斯。

进一步优选，所述的浆液粘度15～18斯托克斯。在所述旋喷参数及粘度下，喷射过程的返浆量可进一步降低，可进一步降低二次污染风险及药剂的浪费。

所述深层重金属污染土壤的原位修复方法，所述旋喷桩的钻杆材质为耐腐蚀钢管，钻头材质为硬质合金。通过该旋喷桩能有效保证旋喷效率，提高重金属处理效果。

本发明方法可原位修复距离地表5m以下的土层，作为优选，重金属污染土壤距离地表高度为6～30m。在该范围下的重金属污染土壤的修改效果更好。进一步优选，重金属污染土壤距离地表高度为6～20m。

本发明方法理论上适用于各类重金属污染土壤原位修复方法。作为优选，重金属污染土壤为淤泥、淤泥质土、黏性土、粉土、黄土、砂土、人工填土和碎石土中的至少一种。

本发明中，还包括对冒浆进行回收、利用；处理过程的冒浆通过引流装置回收；

所述引流装置包括防喷的壳体，所述的壳体顶部设有容纳钻杆穿入的入口，其中，顶部入口的口径和钻杆尺寸相匹配并衬以密封圈；壳体底部设有收窄部；壳体收窄部的底部设有容许钻杆穿出壳体的出口；其中，底部出口的口径大于顶部入口的口径；壳体收窄部侧边设有返浆出口，返浆出口通过法兰连接方式和管路连接，将返浆引入回收套用容器中。

钻杆由顶部的入口进入，穿过所述壳体内的腔室并由底部的出口穿出，进入土层进行旋喷操作；底部的出口的口径优选大于旋喷口，从而使旋喷过程产生的返浆能有效进入壳体的腔室内，并通过返浆出口转移至回收容器中循环套用。

作为优选，底部出口的孔径和顶部的入口均为圆形，且出口的孔径优选为入口口径的1.5-2倍。

现有土建领域的旋喷桩旋喷过程中，一般是挖个小沟自然流至浆液收集池。而本发明中，将钻孔、喷射过程中产生的浆液(冒浆)通过所述引流装置统一回收，经过滤后可用于药剂制浆以循环利用，如此可提高药剂使用效率减少浪费并防止二次污染。且所述引流装置既不影响钻杆活动又可防止浆液溢出从而避免二次污染。

本发明的采用咬合布桩方式，可有助于土壤中的重金属全面、无死角地清除、治理。

本发明人发现，咬合布桩的半径为0.5～0.8m，桩心距0.8～1.3m，每排桩间距为0.75～1.2。配合所述的浆料及旋喷参数，且在该优选的布桩方式下可达到更好的重金属治理效果。

在旋喷完成后，稳定化固化作用需要一周时间做养护期，即在喷射施工完成后需养护一周从而使药剂与污染物反应充分，从而达到重金属固定、转化效果。

为了防止施工过程土壤中有害物质向周围渗透，本发明中，还包括在药剂治理前用旋喷桩于污染场地四周做止水帷幕以防渗。

一种优选的重金属污染土壤原位修复方法，包括以下步骤：

步骤(1)药剂喷射：将修复药剂和固化剂制成浆液后利用旋喷桩的射流切割、混合搅拌作用，将其喷入重金属污染场地内部使其混合均匀；

步骤(2)稳定化固化：药剂喷射、混合均匀后将土壤中的重金属固定起来，或者将其转化成化学性质不活泼的形态，阻止其在环境中迁移、扩散；

步骤(3)浆液回用：为了提高药剂使用效率减少浪费并防止二次污染，将钻孔、喷射过程中产生的浆液统一回收，经过滤后可用于药剂制浆以循环利用。

现有技术中，高压旋喷桩注浆法广泛应用于既有建筑物和新建工程的地基处理、边坡加固、地下防渗帷幕及深基坑地下工程的支档等工程中。

本发明独创性地采用高压旋喷桩注浆法来处理金属污染土壤，解决了重金属污染土壤治理领域技术人员一直诉求解决的较深处的重金属污染土壤的治理问题。此外，本发明中，配合所述旋喷参数、浆液等参数除可进一步提高深层土层重金属污染的治理效果外，还有助于解决旋喷重金属处理过程的返浆问题；进一步降低处理费用、简化操作难度、缩短修复时间；且还可处理多种复合重金属污染，无二次污染，经济效益较高。

附图说明

图1为本发明所述的基于旋喷桩的土壤修复工艺流程图；

图2为本发明实施例的桩位布置图；

图3为本发明各实施例采用的防喷壳体示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

本发明提供的一种防喷壳体示意图。以下实施例对冒浆进行回收、利用；如通过图3中所示的防喷的壳体1进行回收套用。

所述的壳体1的顶部设有容纳钻杆穿入的入口1-1，其中，顶部入口1-1的口径和钻杆尺寸相匹配并衬以密封圈；壳体底部设有收窄部；壳体收窄部的底部设有容许钻杆穿出壳体的出口1-2；其中，底部出口1-2的口径大于顶部入口1-1的口径(底部出口1-2的孔径和顶部的入口1-1均为圆形，且出口1-2的孔径为入口1-1口径的1.5-2倍。)；壳体收窄部侧边设有返浆出口1-3，返浆出口1-3通过法兰连接方式和管路连接，将返浆引入回收套用容器中。

实施例1：

本实施例为某市历史遗留废渣场地治理工程，工艺流程如图1所示，具体步骤如下：

步骤(1)本实施例针对某历史遗留废渣场地，污染物在地表下6～14m，面积约20000m²，污染土量在10万吨左右，异位治理工程量太大，经取样检测其为II类工业固废，主要超标重金属为铅、锌，样品水浸浓度铅为5.6mg/L，锌为2.78mg/L。要求为经治理后其浸出液达到《污水综合排放标准GB8978-1996》。

步骤(2)经过系统的地质勘探和取样检测、场地平整和试桩，采取双管旋喷法施工，工艺参数：浆液压力为35～40MPa，压缩空气压力为0.7～0.8MPa，旋转速度为10～15r/min，提升速度为0.15～0.2m/min，浆液流量为90～100L/min。，桩径为0.6m，桩心距1m，每排桩间距0.75m，桩位布置方式参考图2。

步骤(3)此实施例所用稳定化药剂为天津壹生环保ES稳定剂(水剂)，主要成分为有机硫螯合剂和其它添加剂，固化剂为普通硅酸盐水泥。以配制的浆液体积为基准-，修复剂添加量为25kg/m³，固化剂添加量为125kg/m³。

步骤(4)10台桩机同时施工，3个月后旋喷施工完毕。养护一周后钻芯取样检测，浸出液铅浓度为0.24mg/L锌浓度为0.65mg/L，各项指标均达标。

本实施例修复污染土量约10万吨左右，总计消耗稳定剂1000吨、水泥5000吨，投加量分别为1％和5％。施工过程中返浆量控制在5％～10％，有效减少了返浆量。

实施例2：

某市矿山尾渣治理，工艺流程如图1所示，具体如下：

(1)本实施例针对某市铅矿矿山尾渣场地，由于多年前的不规范采矿行为，采矿尾渣未经合理处置被违法倾倒至矿山附近一山谷，累计达6万方，对附近生态环境造成了极其恶劣的影响。经取样检测，其主要污染物为铅、锌、铜、镉，样品水浸浓度铅为4.68mg/L，锌为6.75mg/L，铜为1.57mg/L，镉为0.87mg/L，要求治理后达到I类工业固废以原位封场处理。

步骤(2)经过系统的地质勘探和取样检测、场地平整和试桩，采取三管旋喷法施工，工艺参数：浆液压力为20～25MPa，压缩空气压力为0.7～0.8MPa，高压水压力为40～45MPa，旋转速度为5～10r/min，提升速度为0.1～0.15m/min，高压水流量为70～80L/min。桩径为0.75m，桩心距1.2m，每排桩间距1.2m，桩位布置方式参考图2。

步骤(3)此实施例所用稳定化药剂为北京科益创新环境技术有限公司土壤重金属稳化剂(粉剂)，主要成分为天然岩石中间体混合物、促进剂、重金属调节剂，固化剂为质量比为1∶1的轻烧粉和普通硅酸盐水泥。以配制的浆液体积为基准，修复剂添加量为45kg/m³，固化剂添加量为150kg/m³。

步骤(4)6台桩机同时施工，4个月后旋喷施工完毕。养护一周后钻芯取样检测，浸出液铅浓度为0.24mg/L，锌浓度为0.65mg/L，铜浓度为0.3mg/L，镉浓度为0.04mg/L，各项指标均达到I类工业固废要求，封场后覆以干净土壤，绿化工程完毕后附近生态环境得到了大大的改善。

本实施例修复污染土量约9万吨左右，总计消耗稳定剂1500吨、固化剂5000吨，投加量分别为1.6％和5.5％。施工过程中返浆量控制在5％～8％，返浆量大为减少。

对比例1：

某历史遗留废渣场地，工程土方量2万方，采取异位治理，处理合格后送填埋场处置，施工设备主要为改装有破碎筛分斗的铲车、传送搅拌一体化处理机。施工周期为6个月。

相比实施列1和实施例2，本例处理土方量较少，处理周期却更长。说明本发明在处理深埋在5m以下工程量较大的土壤重金属治理项目中有明显的优势。

Claims (6)

1.一种深层重金属污染土壤的原位修复方法，其特征在于，采用高压旋喷桩注浆法将包含有重金属修复药剂和固化剂的浆液旋喷至重金属污染土壤中，使污染土壤中的重金属固定或转化；

浆液旋喷方式包括单管法、二重管法或三重管法；

单管法旋喷过程中，浆液压力为30～40MPa，旋转速度为10～15r/min，提升速度为0.2～0.25m/min，浆液流量为80～100L/min；

二重管法旋喷过程中，浆液压力为30～40MPa，压缩空气压力为0.7～0.8MPa，旋转速度为10～15r/min，提升速度为0.1～0.2m/min，浆液流量为90～120L/min；

三重管法旋喷过程中，浆液压力为20～25MPa，压缩空气压力为0.7～0.8MPa，高压水压力为40～50MPa，旋转速度为5～10r/min，提升速度为0.1～0.15m/min，高压水流量为60～80L/min。

2.如权利要求1所述深层重金属污染土壤的原位修复方法，其特征在于，所述重金属修复药剂投加量为污染土壤重量的0.5％～5％；固化剂投加量为污染土壤重量的3％～10％。

3.如权利要求1或2所述深层重金属污染土壤的原位修复方法，其特征在于，所述浆液中，所述重金属修复药剂的质量浓度为10～45kg/m³；所述固化剂的质量浓度为50～200kg/m³。

4.如权利要求1所述深层重金属污染土壤的原位修复方法，其特征在于，重金属污染土壤距离地表高度为6～30m。

5.如权利要求1所述深层重金属污染土壤的原位修复方法，其特征在于，重金属污染土壤为淤泥、淤泥质土、黏性土、粉土、黄土、砂土、人工填土和碎石土中的至少一种。

6.根据权利要求1所述深层重金属污染土壤的原位修复方法，其特征在于，还包括对冒浆进行回收、利用；处理过程的冒浆通过引流装置回收；

所述引流装置包括防喷的壳体，所述的壳体顶部设有容纳钻杆穿入的入口，其中，顶部入口的口径和钻杆尺寸相匹配并衬以密封圈；壳体底部设有收窄部；壳体收窄部的底部设有容许钻杆穿出壳体的出口；其中，底部出口的口径大于顶部入口的口径；壳体收窄部侧边设有返浆出口，返浆出口通过法兰连接方式和管路连接，将返浆引入回收套用容器中。