CN117046890A - 一种用于磷污染土壤原位修复的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于磷污染土壤原位修复的方法，对被磷污染的土壤，在原位通过旋喷桩作业于地层且以注液代替注浆的工艺，利用高压将修复溶液喷射入磷污染土壤，使得旋喷桩机械作用产生或高压修复溶液劈开的孔隙注入土体，进行磷污染土壤修复；其中修复溶液为CuSO4或AgNO3溶液，CuSO4或AgNO3溶液与污染土壤中污染物磷形成化学反应，最后经酸碱中和处理；用于磷污染的土壤处理的喷装置为旋喷桩机，旋喷桩机包括高压注液设备和旋喷钻杆，钻头上设有切削刃，切削刃上方接钻削板和对称布置的一对双导程对称于轴线分布的1/4圈的螺旋叶片，本发明无需专门引孔，污染土壤中的污染物磷随土壤钻屑被暴露在大气中的风险几乎为零，成本低。
Description
技术领域
本发明公开了一种用于磷污染土壤原位修复的装备及工艺方法，属于土壤修复领域。
背景技术
磷是工业上一种重要的原料；其燃点为40℃,因摩擦或缓慢氧化而产生的热量有可能使局部温度达到40℃而燃烧。它的化学性质非常活泼,放在空气中,即使没点火,也会自燃起来,冒出一股浓烟,和氧气化合变成白色的五氧化二磷4P+5O2→2P2O5.磷毒性很大，人吸收量达1mg/kg即可致死。人体接触磷或吸入微量的磷蒸汽也会中毒，过量时会致人死亡。
旋喷桩类似于注浆，是利用高压将水泥浆喷射入土体，对土体进行劈裂切割，使得水泥浆沿劈开的孔隙注入土体，达到加固的效果。高压旋喷桩是用钻机钻到设计桩底深度，然后用高压泵把水泥浆通过钻杆端头的特殊横向喷嘴，高压水平喷入土层。喷嘴在喷射水泥浆时，杆一面缓慢旋转、一面缓缓提升，借高压水泥浆的水平射流不断切削土层并与之混合。最后在喷射力的有效射程范围内，成一个螺旋圆盘状混合凝固体，高压旋喷桩。
在过去的磷污染土壤修复实践中，大家已经非常清楚地认识到污染土壤中磷被暴露到大气中的极大危害性，也试图降低此类危害性的程度。但这类传统的处置方式并不完善，且成本相对很高，甚至处置后污染土壤还需要进行二次开挖作后续处理。中国专利2022102589227所述的《一种挥发性有机污染物和黄磷污染土壤修复系统》，通过包括封闭套箱、开挖单元、筛分传输单元和修复单元对磷污染土壤进行处置，虽然该技术有效地降低了污染土壤中磷的暴露在大气中的风险，但处置工艺复杂、成本极高。中国专利CN2021110369578所述的《一种高浓度含磷土壤的处置方法》，正如它自己表述的：“最终养护结束后，就可以采用挖机等设备将含磷土壤全部开挖出来，然后将含磷土壤外运至指定水泥厂进行水泥窑协同处置”，因此此技术的处置成本也很昂贵。虽然CN110054267A及一种高效复合除磷剂及在市政污水深度除磷中的应用方法所述高效复合除磷剂包含聚合硫酸铁、硫酸亚铁、硫酸铝以及硫酸铜等有效成分，按质量百分比计含聚合硫酸铁80％-97.99％，硫酸亚铁1％-10％，硫酸铝1％-10％，硫酸铜0.01％-1.0％；使用方法为将高效复合除磷剂与水按质量比1:2～4溶解后，加入到生物曝气池出水中，经过水力搅拌后进入二次沉淀池沉淀，磷去除率达95％，但在土壤中除磷应用仍需要很多创造性工作。
传统的高压旋喷过程中有一个重要的环节就是旋喷前的引孔，绝大部分引孔过程中会有土壤从地下提升至地面，对于含磷污染的土壤来说是非常不安全的，有极高的二次污染的风险，给施工人员带来中毒的风险。虽然也有静压引孔等没有土壤钻屑离开原位的技术，但静压引孔后需要更换旋喷钻杆，非常耗时，成本也会增加。传统工艺的螺旋叶片钻机，都是采用单导程螺旋叶片，当叶片较长的时候，对施工精度影响不大，但叶片较短时，其导向作用就大大降低。且传统叶片的法面线与轴向方向的夹角基本上都是90°，这就不可避免地使得土壤顺着叶片挤到地面。
发明内容
本发明目的是，针对上述对磷污染土壤修复技术的不足，提出一种无二次污染、安全、简单、高效的磷污染土壤修复装备及工艺方法成为必要。
本发明技术方案是，一种用于磷污染土壤原位修复的工艺方法，对被磷污染的土壤，在原位通过旋喷(桩)作业于地层且以注液代替注浆的工艺，利用高压将修复溶液喷射入磷污染土壤，使得旋喷桩机械作用产生或高压修复溶液劈开的孔隙注入土体，进行磷污染土壤修复；
其中修复溶液为CuSO4或AgNO3溶液，CuSO4或AgNO3溶液与污染土壤中污染物磷形成化学反应，生成无毒的Cu和H3PO4、H2SO4或Ag和H3PO4、甚至是HNO3，最后经酸碱中和处理；
用于磷污染的土壤处理的喷装置为旋喷(桩)机，旋喷(桩)机包括高压注液设备和旋喷钻杆，高压注液设备的输出连接旋喷钻杆，旋喷钻杆的端部为钻头，钻头上设有切削刃，切削刃上方接钻削板和对称布置的一对对称于轴线分布的1/4圈(双导程)的螺旋叶片，钻削板是螺旋叶片下端的切削刃板、螺旋叶片的中央通过过渡连接件旋喷钻杆，旋喷钻杆为方型钻杆，方型钻杆下端设有硬质合金喷嘴；方型钻杆内部设有连接通道与硬质合金喷嘴相通，高压注液设备连接方型钻杆内部通道；利用设有对称布置的两个1/4圈圆环的双导程的螺旋叶片的高压旋喷钻杆，对磷污染土壤无需专门的引孔工艺，用于注射修复溶液。
钻削板是螺旋叶片下端的切削刃板钻削板垂直于旋喷钻杆；螺旋升角Ψ即螺旋叶片与水平的夹角为15-35°，钻削板的宽度L和对称布置的两个1/4圈双导程螺旋叶片的公称外径Φ相同，即L＝Φ且b为方型钻杆边长，尺寸b介于60～200mm之间。
进一步，设有对称布置的两个1/4圈双导程的螺旋叶片的导程为钻杆推进速度的3～30倍，优选的是10倍,这个参数由螺旋升角Ψ即旋转叶片与水平的夹角决定；螺旋升角Ψ取20-25°；
设有对称布置的两个1/4圈双导程的螺旋叶片的导程为钻杆推进速度的3～30倍，优选的是10倍,这个参数由螺旋升角Ψ即旋转叶片与水平的夹角决定；螺旋升角Ψ取20-25°。
利用设有对称布置的两个1/4圈双导程的螺旋叶片的高压旋喷钻杆，对磷污染土壤无需专门的引孔工艺，即可注射CuSO4或AgNO3溶液；
进一步，设有对称布置的两个1/4圈双导程的螺旋叶片表面法线和钻杆轴线之间有小于90°的夹角β，优选的β夹角为80°；
进一步，钻削板的宽度L和对称布置的两个1/4圈双导程螺旋叶片的公称外径Φ相同，即L＝Φ且b为方型钻杆边长，尺寸介于60～200mm之间,优选的b＝80mm；
对磷污染土壤注射CuSO4或AgNO3溶液，CuSO4或AgNO3的用量为下列化学反应方程式理论计算量的110％～200％优选的为130％：也可以是聚合硫酸铁、硫酸亚铁、硫酸铝或AgNO3(必要时)，
典型的化学反应式：2P+5CuSO4+8H2O＝5Cu↓+2H3PO4+5H2SO4 (1)
11P+15CuSO4+24H2O＝5Cu3P↓+6H3PO4+15H2SO4 (2)
P+5AgNO3+4H2O＝H3PO4+5Ag↓+5HNO3； (3)
本发明对被磷污染的土壤，在原位通过设有对称布置的两个1/4圈双导程螺旋叶片的高压旋喷钻杆，无需专门的引孔工艺步骤，对称布置的两个1/4圈圆环双导程螺旋叶片的高压旋喷钻杆，由于双导程螺旋叶片可以对称布置，因此受力均匀，不会对钻杆形成任何分力使得钻杆在钻孔时产生歪斜，保证了施工精度。钻杆下达到修复深度时，就可以直接对磷污染土壤注射CuSO4或者AgNO3药剂溶液，药剂溶液与污染土壤中的磷形成化学反应，生成无毒的Cu和H3PO4、H2SO4或Ag和H3PO4、HNO3，然后再对没有磷污染的土壤进行一些简单的酸碱中和处理，即可达到修复的目的。
利用专用的高压旋喷设备和设计，该钻杆的优点是在无土壤钻屑的情况下直接将引孔过程和旋喷过程复合在整个喷钻的上下过程中，钻杆向下时兼有成孔的功能，钻杆向上反转并按照一定的提升速度上升时就可以实现高压旋喷药剂修复磷污染土壤。
该钻杆之所以没有土壤钻屑，是因为采用对称布置的两个1/4圈双导程旋转叶片的结构形式，此结构局部形式如图2所示，当钻杆按照逆时针方向向下推进时会产生F向的推力，由于螺旋升角Ψ(螺旋旋转叶片与水平的夹角)和法线夹角β的同时作用，被切削板1切削疏松的土壤在对称布置的两个1/4圈双导程旋转叶片的同时作用下产生向下及向轴径辐射方向的分力，土壤收到这两个力的同时挤压力成孔。由于双导程螺旋叶片(螺旋叶片旋转时产生的双导程)可以在对称位置分布，两个1/4圈(90度)双导程旋转叶片可以在同一高度上，使得钻杆受力均匀，不会产生任何径向分力，进而保证了成孔的施工精度。
有益的效果，本发明的优点是，由于无需专门引孔，污染土壤中的污染物磷随土壤钻屑被暴露在大气中的风险几乎为零，药剂可获得性好，施工设备经改进、改进的高压旋喷钻杆技术更有意义且成本很低。将地基工程的设备引入土壤的治理，利用高压旋喷设备加修复液处理对被磷污染的土壤，在原位通过专门设计、无需专门引孔的高压旋喷钻杆，每个钻孔可以处理一平方米或更高面积的土壤，均匀在地面设孔，则可以全部处理整个土壤，对磷污染土壤注射CuSO4或AgNO3溶液，CuSO4或AgNO3溶液与污染土壤中污染物磷形成化学反应，生成无毒的Cu和H3PO4、H2SO4或Ag和H3PO4、HNO3，然后再对没有磷污染的土壤进行一些简单的酸碱中和处理，即可达到修复的目的。本发明的优点是，采用1/4环周长的叶片在工程上恰到好处，无需专门引孔即能对普通土壤进(本发明对设备的改进是针对本发明的对象，相对松软的土壤适用于本发明，且能够及时将修复液体注入，而现有的旋喷设备均有钻屑的产生)，污染土壤中的污染物磷随土壤钻屑被暴露在大气中的风险几乎为零，药剂可获得性好，施工设备简单、技术成熟、效率高且成本很低。再加上本发明对污染土壤处理时的设备的专门改进，效果更好，完全没有污染土壤中的污染物磷被暴露在大气中的风险，药剂可获得性好，施工技术成熟且成本很低。
附图说明
图1A、图1B分别为双导程螺旋叶片高压旋喷杆结构仰视和纵截面示意图，其中：1、耐磨钻削板，2、对称布置的双导程螺旋叶片，3、过渡连接件，4、硬质合金喷嘴，5、方管钻杆；其中
图2为双导程螺旋叶片力学分析图，其中：21、钻杆推进方向，22、钻杆旋转方向；
图3为双导程螺旋叶片高压旋喷钻杆钻头应用照片。
图4为原位修复施工流程示意图。
具体实施方式
下面以两个具体实施对本发明做进一步的说明。
如图所示，1、耐磨钻削板(钻头、设有向下的钻头切削刃)，2、对称布置的双导程螺旋叶片，3、过渡连接件，4、硬质合金喷嘴，5、方管钻杆；
S1：螺旋升角Ψ
螺旋升角Ψ决定了导程，我们假设钻杆向下的推进速度是50mm/r，双导程螺旋叶片的导程按照5倍的推进距离计算，约为250mm，我们知道双导程螺旋叶片的外径为 这里b选取80mm，则双导程螺旋叶片的外径约113.137，我们圆整后选Φ＝115mm，根据公式：
tanΨ ＝ P / (π×Φ) (4)
将P＝250mm，Φ＝115代入公式(4)，得到tanΨ＝0.691979，则Ψ≈35°。
S2：工程实施
福州某退役磷肥厂，在对该退役多年后的厂址二次开发利用时，发现地下有残存黄磷废料，场地调查发现隐埋深度在2～5m之间，面积约12×15㎡，评估认为是当年非法隐埋所致。针对这一场地，业主方提出了原位修复要求，因此使用了本发明所述的磷污染土壤原位修复的工艺和方法。
根据场调数据显示，该场地中磷的总量约320kg，我们选用高压旋喷注射CuSO4溶液，其CuSO4用量根据上述化学反应方程式(1)所得的净重为4129kg，我们最终决定CuSO4药剂的使用量为理论重量的1.3倍，约5370kg，按照当地气温20℃计，其溶解度约32g，配成CuSO4溶液后约27.5吨。我们根据场地粉粘土壤性质和高压旋喷设备的性能参数，确定使用25Mpa的压力，喷嘴孔径选用1.2mm，计算出有效影响半径约为1.8m。施工中，注射井的井距选用了3m，采用正六边形形式布井，场地上注射井的总数约25个。
对称布置的两个1/4圈双导程的螺旋叶片的钻杆在不注射药剂的情况下，钻至超过修复深度0.5m时停钻，然后从此位置开始注射CuSO4或AgNO3溶液，同时保持对称布置的两个1/4圈(圆环)双导程的螺旋叶片的钻杆旋转和提升，当对称布置的两个1/4圈双导程的螺旋叶片的钻杆旋转并提升至修复深度上方0.5m时，停止注射CuSO4或AgNO3溶液，然后将对称布置的两个1/4圈双导程的螺旋叶片的钻杆提升至地面；对称布置的两个1/4圈双导程的螺旋叶片的钻杆在注射药剂的情况下，钻杆提升速度为10～200mm/转，优选的提升速度为50mm/转。对称布置的两个1/4圈双导程的螺旋叶片的高压旋喷钻杆所述的硬质合金喷嘴孔径为0.5～5mm，优选的孔径为1.2mm；提钻过程就是注入修复液的过程，效率高，可以控制修复液的注入量，使得钻周围50-100厘米的范围均可以得到修复液的处理。
原位修复施工流程见图4。施工前，对修复区域表面进行清理，清除较大块的石头和建筑垃圾，为施工提供作业面。根据注入点位定孔，钻机就位后，进行钻进，成孔后对高压旋喷钻杆药施加高压药剂开始注射，同时缓慢提钻，注射结束后，冲洗机具，移动至下一点位继续作业。
全部修复工期为25天。
经修复后的土壤检测数据见表1：
表1检测数据(mg/kg)
由检测数据看出，修复结果达到了修复指标0.05mg/kg的要求。
综上所述，一种用于磷污染土壤原位修复的工艺方法，因为采用特制的钻头，在钻孔过程中没有任何被污染的土壤离开原位，因此，对被磷污染土壤中的污染物磷被暴露在大气中的风险几乎为零。药剂的可获得性好，施工设备简单、技术成熟、工期极短，因此施工成本很低，解决了现有技术挖开处理的难题，也可以用于其它污染土壤的处理。
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 (6)
1.一种用于磷污染土壤原位修复的方法，其特征在于，对被磷污染的土壤，在原位通过旋喷桩作业于地层且以注液代替注浆的工艺，利用高压将修复溶液喷射入磷污染土壤，使得旋喷桩机械作用产生或高压修复溶液劈开的孔隙注入土体，进行磷污染土壤修复；
其中修复溶液为CuSO4或AgNO3溶液，CuSO4或AgNO3溶液与污染土壤中污染物磷形成化学反应，生成无毒的物质，最后经酸碱中和处理；
用于磷污染的土壤处理的喷装置为旋喷桩机，旋喷桩机包括高压注液设备和旋喷钻杆，高压注液设备的输出连接旋喷钻杆，旋喷钻杆的端部为钻头，钻头上设有切削刃，切削刃上方接钻削板和对称布置的一对对称于轴线分布的1/4圈圆环的螺旋叶片，钻削板是螺旋叶片下端的切削刃板、螺旋叶片的中央通过过渡连接件旋喷钻杆，旋喷钻杆为方型钻杆，方型钻杆下端设有硬质合金喷嘴；方型钻杆内部设有连接通道与硬质合金喷嘴相通，高压注液设备连接方型钻杆内部通道；利用设有对称布置的两个1/4圈圆环的螺旋叶片的高压旋喷钻杆，对磷污染土壤无需引孔，用于注射修复溶液。
2.根据权利要求1所述的用于磷污染土壤原位修复的方法，其特征在于，钻削板是螺旋叶片下端的切削刃板钻削板垂直于旋喷钻杆；螺旋升角Ψ即螺旋叶片与水平的夹角为15-35°，钻削板的宽度L和对称布置的两个1/4圈双导程螺旋叶片的公称外径Φ相同，即L＝Φ且b为方型钻杆边长，尺寸b介于60～200mm之间。
3.根据权利要求2所述的用于磷污染土壤原位修复的方法，其特征在于，设有对称布置的两个1/4圈双导程的螺旋叶片的导程为钻杆推进速度的3～30倍，优选的是10倍,这个参数由螺旋升角Ψ即旋转叶片与水平的夹角决定；螺旋升角Ψ取20-25°。
4.根据权利要求2所述的用于磷污染土壤原位修复的方法，其特征在于，螺旋旋转叶片与法线夹角β，β夹角为80°。
5.根据权利要求2所述的用于磷污染土壤原位修复的方法，其特征在于，选b＝80mm。
6.根据权利要求1所述的用于磷污染土壤原位修复的方法，其特征在于，对磷污染土壤注射CuSO4或AgNO3溶液，CuSO4或AgNO3的用量为下列化学反应方程式理论计算量的110％～200％优选的为130％：也可以是聚合硫酸铁、硫酸亚铁、硫酸铝或AgNO3(必要时)，
2P+5CuSO4+8H2O＝5Cu↓+2H3PO4+5H2SO4 (1)
11P+15CuSO4+24H2O＝5Cu3P↓+6H3PO4+15H2SO4 (2)
P+5AgNO3+4H2O＝H3PO4+5Ag↓+5HNO3 (3)。
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