CN114226424B - 一种挥发性有机物污染土壤的清挖处置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于挥发性有机污染物污染土壤处置领域，进一步的说是一种以实现针对含有挥发性及有毒有害污染物质的土壤清挖处置方法。具体为对于具有不同渗透特性的污染场地目标清挖区域内的土壤进行挥发性有机污染物的注水冰封阻隔，利用低温冰冻条件将充满于土壤孔隙中的水体全部冻结，将吸附于土壤结构中的挥发性有机污染物封闭，从而在污染土壤清挖的过程中有效保障挥发性有机物分子固封在土壤结构中以防止其向大气中扩散，实现污染土壤在清挖过程中的安全处置。

Description

一种挥发性有机物污染土壤的清挖处置方法
技术领域
本发明属于挥发性有机污染物污染土壤处置领域，进一步的说是一种以实现针对含有挥发性及有毒有害污染物质的土壤清挖处置方法。
背景技术
随着我国化工科技的不断进步，工业化进程与社会经济得到了迅猛发展。伴随生产技术水平与环保意识的不断提升，人们愈发重视生产效益与环境保护的双重保障。然而，在制药、炼焦、化学制品生产等作业过程中仍然存在作业事故及跑冒漏等污染情况，且作业废料偷排堆存等现象仍然存在，而早期的化工场地污染的历史遗留问题也是现存污染场地的重要来源之一，故而，针对场地污染问题的治理需求依然迫切。在现有的有机污染场地中，具有有毒有害刺激性气味的挥发性有机物污染场地占有重要的比重。在针对该种场地的清挖处置过程中，挥发性气体分子不可避免进入大气，造成空气污染，并对场地周边居民的身体健康带来严重威胁与危害。因此，如何高效安全的解决在场地清挖整治过程中的挥发性物质逸出污染的问题，成为场地土壤治理修复的一大瓶颈问题。
现有的挥发性有机污染场地清挖处置中，多以在土壤清挖过程中向作业场地上空喷射气味抑制剂，或在清挖场地区域建设密封的处置大棚及尾气处理系统，以尽量减少挥发性污染物气体的扩散。然而，前者在作业过程中，难以保障刺激性气味被完全抑制，且部分气味抑制材料仅仅改变了人们的嗅觉感觉体验，但并未真正从大气中去除，甚至掩蔽了空气中污染分子毒性的真实存在，甚至造成更严重的毒害事故；后者虽然一定程度上去除了挥发性污染分子，但封闭大棚及尾气脱除处理系统造价昂贵，特别对于大型污染场地的处置而言，成本颇高，现阶段还难以广泛应用。
针对挥发性有机污染物污染场地治理的难点与治理需求，结合现有清挖处置措施的优势与不足，本专利拟从封闭挥发性有毒有害气体分子的角度，开发高效可行的挥发性有机污染物污染土壤清挖处置技术，打破场地修复的瓶颈问题，为污染场地治理行业的发展提供技术支撑。
发明内容
本发明目的在于提供一种挥发性有机污染物污染土壤的清挖处置方法。
为实现上述目的本发明采用的技术方案为：
一种挥发性有机物污染土壤的清挖处置方法，向待处理污染场地土壤采用注水冰封的方式阻隔土壤结构中的挥发性有机污染物，而后低温冰冻期对上述冰冻后土壤进行清挖，进而实现污染土壤在清挖过程中的安全处置。
所述注水冰封为针对待处理区域中土壤的类型和渗透系数以及土壤污染程度，采取漫灌、开沟槽注水和布设管路注水中的一种或几种方式进行场地土壤供水。
所述的向场地中的注水措施可针对多种渗透特征的土壤的进行选择，针对高渗透系数的砂质土壤及浅层土壤的冰封需求，可直接采取漫灌措施进行土壤注水，而针对低渗透系数的粘质土壤，可采取修建沟槽及布设管路的注水措施，在低渗深层土壤进行冰封时可同时采取漫灌、修建沟槽并注水自然渗透及布设管路并注水强制渗透三种方法进行场地注水，从而满足场地内目标深度土壤内的完全冰封需求，为清挖过程中的挥发性有机污染物的封闭提供有效保障；
所述漫灌为于待处理区域四周设置围挡，于相邻两个围挡形成的夹角处架设放水管，通过水泵连接水源，向场地土壤表面直接注水。
所述开沟槽注水为沿所述围挡内四周修建注水沟槽形成边界沟槽，以及任意相对的两个边界沟槽之间平行构建多条场地内注水沟槽；其中，边界沟槽内与围挡相邻的一侧侧壁铺设HDPE膜直至槽底部；通过水泵连接水源，向边界和场地沟槽内注水，使注入的水扩散至场地内土壤中(即，含水量高处向含水量低处的扩散形成水力梯度扩散)；其中，边界和场地沟槽深度为比清挖深度深0.2～0.5m，沟槽宽度为10～20cm，相邻两个场地内注水沟槽平行且间距50～100m。
所述布设管路注水为在围挡内区域垂直架设注水管路，管路垂直纵向插入区域内土壤中，管路末端堵死，下管深度为比清挖深度深0.2～0.5m，管路表面开孔，注水管通过水泵连接水源。
所述管路布设密度依据场地土壤平均渗透系数分类设计：
当土壤平均渗透系数≤10-4cm/s时，布管密度为10～40根/km2；
当土壤平均渗透系数10-2～10-4cm/s时，布管密度为5～10根/km2；
当土壤平均渗透系数≥10-2cm/s时，布管密度为3～5根/km2；
所述管路注水压力为200～500kPa，注水管路管径为100～150mm，管路表面开孔，开孔孔径为2～4cm，同一开孔水平截面沿轴心等分角度开孔，沿管路纵向相邻开孔间距为0.2～0.3m。
所述注水冰封采取漫灌、开沟槽注水和布设管路，或开沟槽注水和布设管路时，相邻两个场地内注水沟槽之间的中心线上与土壤垂直架设至少一个注水管路，边界注水沟槽和其相邻的地内注水沟槽之间的中心线上与土壤垂直架设至少一个注水管路。
所述待处理污染土壤场地内的平均目标注水体量为达到饱和含水量的80％～100％。
所述清挖深度为初始场地勘探污染情况后的既定清挖深度，高(浅)于开槽或下管深度0.2～0.5m，清挖作业在场地土壤冰冻后进行，可采用打桩机碎土结合挖掘机清挖搭配作业，保障污染土壤清挖过程中无挥发性污染物等有毒有害异味气体暴露。
本发明所具有的优点包括：
1)本发明中所述的冰封措施具有简单实用的优势，通过将土壤孔隙中充满水，并利用自然低温气候使土壤孔隙水结冰，最终使得土壤孔隙中全部被冰晶占据，有效阻隔了吸附于土壤中的挥发性有机污染物分子的脱附散出，同时，低温冰冻期开挖作业，有效利用污染物分子较低的蒸汽压特点，实现阻隔挥发性分子逸出的清挖安全处置；
2)本发明中所述的向场地中的注水措施可针对多种渗透特征的土壤的进行选择，针对高渗透系数的砂质土壤及浅层土壤的冰封需求，可直接采取漫灌措施进行土壤注水，而针对低渗透系数的粘质土壤，可采取修建沟槽及布设管路的注水措施，在低渗深层土壤进行冰封时可同时采取漫灌、修建沟槽并注水自然渗透及布设管路并注水强制渗透三种方法进行场地注水，从而满足场地内目标深度土壤内的完全冰封需求，为清挖过程中的挥发性有机污染物的封闭提供有效保障；
3)本发明中所设计的管路布设密度依据土壤由上自下的平均渗透系数分类布设，有效保障了水分在土壤中的渗透传导；采用开槽机在场地四周边界开设沟槽，可实现窄而深的沟槽建设，减小场地注水前对土壤的扰动；在场地边界沟槽内的远离场地侧壁内布设HDPE膜可有效节省水量，并促进水头向场地内作用，加强向场地内的渗透迁移；
4)本发明中所设计的注水沟槽深度及注水管路的下管深度均较目标清挖深度纵向加深0.2～0.5m，既有效保障了目标清挖深度土壤区域内的完全冰封，同时在目标清挖深度土壤以下形成0.2～0.5m的冰封隔离层，防止纵向底部非目标清挖层可能存在的挥发性有机污染物的暴露而造成大气二次污染。
附图说明
图1为本发明实施例提供的污染场地漫灌注水冰封示意图
图2为本发明实施例提供的污染场地开沟槽注水冰封示意图
图3为本发明实施例提供的污染场地下管注水冰封示意图
图4为本发明实施例提供的污染场地注水措施综合示意图
图5为本发明实施例提供的注水沟槽结构示意图
图6为本发明实施例提供的注水管路结构示意图
图7为本发明实施例提供的冰封处置后场地纵向剖面各层土壤含水率变化
图8为本发明实施例提供的冰封处置后清挖场地挥发性有机污染物含量检测结果
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明采用漫灌、修建沟槽并注水自然渗透及布设管路并注水强制渗透等措施，对于具有不同渗透特性的污染场地目标清挖区域内的土壤进行挥发性有机污染物的注水冰封阻隔，利用低温冰冻条件将充满于土壤孔隙中的水体全部冻结，将吸附于土壤结构中的挥发性有机污染物封闭，从而在污染土壤清挖的过程中有效保障挥发性有机物分子固封在土壤结构中以防止其向大气中扩散，实现污染土壤在清挖过程中的安全处置。
本发明结合在北方某历史遗留挥发性有机物污染场地的清挖处置过程中应用注水冰封处理与清挖措施为例，系统阐述挥发性有机物污染土壤的清挖处置技术的应用，力求为挥发性污染场地的治理修复提供切实可行的技术基础与经验案例。下面通过实施例对技术应用构成进行详细说明。
实施例北方某历史遗留挥发性有机污染物污染场地清挖处置
该挥发性有机物污染场地(N 41.9001以北区域)为历史工业园区遗留地块，根据前期场地调查发现，采用总挥发性有机物(VOCs)检测仪(PID)进行测定，场地土壤剖面各深度(0～120cm)VOCs含量在清挖过程中的测定值范围达280～4500ug/m3，并产生较强烈的刺激性异味，对场地所在区域及周边企业和居民住宅造成潜在的大气污染，损害人体健康，从而也阻碍了该场地土壤的清挖治理工作，并造成较大的经济损失。场地总占地面积为10000m2，场地污染区域的目标清挖深度为1.0m，总清挖土壤方量达10000m3。针对该地块的上述背景信息，采用本发明专利所提供的注水冰封处置与清挖技术进行场地改良治理，以期安全高效的实现该场地污染土壤区域的清挖工作。
根据对该场地污染土壤理化性质的测定，土壤机械组成为粘粒(<0.002mm组分)占比48％，粉粒(0.002～0.02mm组分)占比29％，砂粒(0.02～2mm组分)占比23％，属于粘质土壤质地类型；土壤孔隙度达65％，饱和含水率达58％，土壤渗透系数为2.6×10-5cm/s。鉴于土壤质地粘重、渗透性较差，故而采用漫灌、开槽注水渗透及下管注水渗透三种方式联合进行场地注水。根据上述前期场地调查后根据场地土壤总量及孔隙度，场地面积为10000m2，注水深度设计为1.2m，以保障目标清挖区域土壤(1.0m以上)之下仍有冰封的隔离层，阻隔可能存在的VOCs暴露于空气中，在此种条件下总需注水量为7800m3，综合考虑注水外渗及表面蒸发等可能因素，预计按总需水量的110％，即8600m3进行注水，并以达到土壤内饱和含水量的80％～100％为目标；由上述土壤组成采用漫灌、开沟槽注水和布设管路注水结合的方式(参见图4)。
漫灌注水(参见图1)为在场地于待处理区域四周设置围挡，于相邻两个围挡形成的夹角处架设放水管，通过水泵连接水源，向场地土壤表面直接注水，计划注水量为2000m3。
开沟槽注水(参见图2)为沿所述围挡内四周修建注水沟槽形成边界沟槽，以及任意相对的两个边界沟槽之间平行构建多条(本实施例根据场地大小构建7条场地内注水沟槽)场地内注水沟槽；其中，边界沟槽内与围挡相邻的一侧侧壁铺设HDPE膜直至槽底部(参见图5)；通过水泵连接水源，向边界和场地沟槽内注水，使注入的水扩散至场地内土壤中(即，含水量高处向含水量低处的扩散形成水力梯度扩散)；其中，边界和场地沟槽深度为1.2m，沟槽宽度为12cm，相邻两个场地内注水沟槽平行且间距50m。通过水力梯度扩散向场地内土壤扩散，通过沟槽注水量设计为2600m3；
布设管路注水(参见图3)为相邻两个场地内注水沟槽之间的中心线上与土壤垂直架设至少一个注水管路，边界注水沟槽和其相邻的地内注水沟槽之间的中心线上与土壤垂直架设至少一个注水管路。采用打桩机向场地土壤中垂直架设注水管路，下管深度为1.2m，布管密度为30根/km2，注水管通过水泵连接水源，注水管路管径为120mm，管路垂直纵向末端死堵，管路表面开孔，开孔孔径为3cm，同一开孔水平截面沿轴心等分角度开孔，沿管路纵向相邻开孔间距为0.25m(参见图6)；注水压力为400kPa，通过下管注水量设计为4000m3。
而后按照表1记载，该场地区域注水期从当年十一月开始，当年十一月的平均气温为9～0℃，较适宜土壤内的水体扩散；分别在开始注水处置的3d、10d及20d后检测1.2m深度的不同土层平均含水量，如图7所示，灌水处理后的最终土壤含水量为饱和含水量的97％，达到技术要求；当年十二月的平均气温达到-2～-15℃，场地土壤由此进入冰封处理期，与次年一月与二月开始进行冰封土壤的清挖，清挖高度为1.0m，首先采用打桩机针对冰封土壤进行破碎，再采用挖掘机进行搭配作业，完成冰封污染土壤的清挖工程。在土壤破碎与清挖的中，针对每一层污染土壤采用PID进行VOCs监测，监测结果如图8所示，与原始未冰封处置的土壤清挖相比，冰封处置土壤在清挖过程中几乎未检测到VOCs的含量，并且在清挖至1.0m完成作业后，仍然未检测到VOCs含量的暴露，由此表明，无论在场地污染区域逐层清挖过程中，还是在完成清挖土壤方量后的残留基坑内，均保障了VOCs的严密封闭，从而通过注水冰封措施有效实现了污染土壤清挖过程中VOCs的无暴露作业，为该场地污染土壤的治理修复提供完备的技术保障。
表1
Figure GDA0003933612940000061

Claims (5)

1.一种挥发性有机物污染土壤的清挖处置方法，其特征在于：向待处理污染场地土壤采用注水冰封的方式阻隔土壤结构中的挥发性有机污染物，而后低温冰冻期对注水冰封后土壤进行清挖，进而实现污染土壤在清挖过程中的安全处置；
所述注水冰封为针对待处理区域中土壤的类型和渗透系数以及土壤污染程度，采取漫灌、开沟槽注水和布设管路注水中的一种或几种方式进行场地土壤供水；
所述漫灌为于待处理区域四周设置围挡，于相邻两个围挡形成的夹角处架设放水管，通过水泵连接水源，向场地土壤表面直接注水；
所述开沟槽注水为沿围挡内四周修建注水沟槽形成边界沟槽，以及任意相对的两个边界沟槽之间平行构建多条场地内注水沟槽；其中，边界沟槽内与围挡相邻的一侧侧壁铺设HDPE膜直至槽底部；通过水泵连接水源，向边界和场地沟槽内注水，使注入的水扩散至场地内土壤中；其中，边界和场地沟槽深度为比清挖深度深0.2～0.5m，沟槽宽度为10～20cm，相邻两个场地内注水沟槽平行且间距50～100m；
所述布设管路注水为在围挡内区域垂直架设注水管路，管路垂直纵向插入区域内土壤中，管路末端堵死，下管深度为比清挖深度深0.2～0.5m，管路表面开孔，注水管通过水泵连接水源。
2.按权利要求1所述的挥发性有机物污染土壤的清挖处置方法，其特征在于：
所述管路布设密度依据场地土壤平均渗透系数分类设计：
当土壤平均渗透系数≤10-4cm/s时，布管密度为10～40根/km2；
当土壤平均渗透系数10-2～10-4cm/s时，布管密度为5～10根/km2；
当土壤平均渗透系数≥10-2cm/s时，布管密度为3～5根/km2。
3.按权利要求1所述的挥发性有机物污染土壤的清挖处置方法，其特征在于：所述管路注水压力为200～500kPa，注水管路管径为100～150mm，管路表面开孔，开孔孔径为2～4cm，同一开孔水平截面沿轴心等分角度开孔，沿管路纵向相邻开孔间距为0.2～0.3m。
4.按权利要求1-3任意一项所述的挥发性有机物污染土壤的清挖处置方法，其特征在于：所述注水冰封采取漫灌、开沟槽注水和布设管路，或开沟槽注水和布设管路时，相邻两个场地内注水沟槽之间的中心线上与土壤垂直架设至少一个注水管路，边界注水沟槽和其相邻的地内注水沟槽之间的中心线上与土壤垂直架设至少一个注水管路。
5.按权利要求1所述的挥发性有机物污染土壤的清挖处置方法，其特征在于：所述待处理污染土壤场地内的平均目标注水体量为达到饱和含水量的80％～100％。
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