土壤及地下水原位注入修复技术的研究

土壤及地下水原位注入修复技术的研究

刘凡

天津生态城环保有限公司　　　天津市　　　300000

摘要：原位注入技术常被应用于原位化学氧化、原位化学还原及原位生物修复等多种修复技术中，常见药剂注入形式包括注射井注入、直推式注入、高压旋喷注入和深层搅拌注入等。通过对应用于土壤地下水原位修复的各类原位注入技术的特点、实施情况与优缺点等进行比较，分析了各技术的不足，并对存在的问题进行了总结，同时对原位注入修复技术中尚未彻底解决的一些问题提出建议。

关键词：土壤地下水修复;原位修复;原位注入

目前我国常用的原位修复技术包括原位抽提、原位热脱附、原位生物修复、原位化学修复等。在实际运用中，原位注入修复技术作为一种原位修复施工方法广泛应用在原位化学氧化、原位化学还原、原位生物修复等多种修复技术中。

1 工业场地地下水污染研究现状

工业场地污染与其他类型的场地污染相比，具有污染物浓度高、空间扩散大的特点，其中包含的无机重金属污染、有机类污染以及两者的复合污染，使场地地下水受到严重危害。根据我国工业类型的区域分布情况，中南、西南地区矿产资源丰富，钢铁及有色金属冶炼等重工业相对发达，导致这些区域工业场地地下水主要以无机重金属污染为主。而有机类污染的工业场地主要分布在京津冀及江浙沪等沿海区域，这些沿海区域多分布化工医药、化纤橡塑、炼油厂等工业，导致这些区域工业场地污染地下水主要以有机类污染物为主。

2 原位注入修复技术

原位注入注射修复技术应用于污染场地修复, 主要是将带有特殊喷嘴的注浆管 (钻杆) , 通过钻孔进入土层的预定深度, 然后从喷嘴喷出配制好的药剂, 带喷嘴的注浆管在喷射的同时向上提升, 高压液流对土体进行切割搅拌, 使氧化药剂与污染土壤充分混合, 氧化分解污染物, 消除健康风险。注入完成后, 药剂溶液进一步在含水层中迁移、扩散, 其最终的药剂扩散半径与土壤渗透性及工期有关。

2.1 原位注入修复系统组成

本系统采用的气 (空气) 、液 (药剂) 二重管高压注射工艺, 扩散半径设计基于劈裂理论及渗透扩散理论, 药剂扩散半径=搅拌半径 (R1) +渗透扩散半径 (R2) 。与旋喷桩施工技术的本质区别:传统旋喷桩基于固化剂的劈裂理论, 而本技术基于修复药剂 (水溶性为主) 的劈裂+渗透扩散, 有效扩散半径大大增加, 远大于三重管注射工艺的扩散半径, 可广泛应用于土壤及地下水修复领域。

2.2 原位注入-高压旋喷注射修复技术优势与不足

2.2.1 技术优势

原位注入-高压旋喷注射修复技术对比现有Geoprobe水力压裂、注入井、深层搅拌等原位注入/搅拌技术, 在提高注射压力、增加扩散半径、提高机械效率、保证扩散效果、解决返浆问题、降低成本等参数和性能方面均有显著提升,。

1) 适用土层范围广。

相对于注入井、Geoprobe水力压裂技术, 由高渗透性的砂层扩展至低-中渗透性地层 (如粉土、粉质黏土等) , 可适用于单独土壤或地下水、土水复合污染等情形。

2) 注射压力高, 扩散半径大, 含水层效果尤为显著。

高压旋喷注射修复技术的注射压力是注入井、Geoprobe水力压裂、深层搅拌等现有技术的1.7～50倍;本技术药剂有效扩散半径是现有技术的1.5～8.3倍, 尤其对于饱和砂层修复具有扩散半径大的经济优势。

3) 机械成本较低。

美国Geoprobe钻机设备昂贵, 注入井需建井及间歇施工, 深层搅拌基本无扩散效果、机械费用较高, 而本技术机械施工成本仅为现有技术的50%～60%, 且一次性完成单孔连续注射作业, 施工便捷。

2.2.2 技术不足

原位注入-高压旋喷注射修复技术尽管具有以上技术优势, 但仍存在不足:

1) 部分土层条件限制该技术实施效果, 如松散杂填土层存在大孔隙等优先通道, 注射过程易造成药剂浪费;卵砾石层, 由于孤石作用, 注射半径偏小。

2) 非饱和层高压注射的适应性需经现场验证:包气带条件一方面不利于药剂的有效扩散, 另一方面不利于化学/生物的反应。

3 原位注入技术存在问题及解决方案

3.1地层适用性及对地层的影响

注射井注入法与直推式注入法存在的共同问题：受地质及水文地质条件影响较大，药剂的扩散基本取决于土壤的孔隙率和渗透性，影响半径通常较小，在低渗透性的地层中药剂与土壤污染物接触混合效果一般，往往需多轮注射才能达到预期修复效果。

高压旋喷注入及深层搅拌注入通过对土体结构的破坏使得修复区域土层均一化，在此过程中强制混合污染土壤和注入的修复药剂，再辅以不同深度处药剂注射流量的变化，可大幅提高修复药剂注入效果。但在部分不良土层中如松散杂填土层中，因存在大孔隙的优先通道，高压旋喷注入法与搅拌注入法施工工程中也难免出现冒浆现象，其混合修复效果也同样受到一定的限制，但较注射井注入法与直推式注入法的影响更小。

3.2药剂对设备的腐蚀

注射井及直推式注入法在土壤地下水原位修复的应用较早，发展较成熟，优选的设备材质基本不受修复药剂的腐蚀影响。而高压旋喷及深层搅拌注入法的设备原本应用于岩土工程中往地下注入无腐蚀性的水泥浆等固化材料，当应用于被污染土壤及地下水修复时，存在修复药剂对设备的腐蚀性问题。研究表明，应用于污染场地原位化学修复的过硫酸钠溶液和亚硫酸氢钠溶液对金属管道和喷嘴有明显的腐蚀性，而氧化药剂可腐蚀设备中的密封橡胶圈。

3.3二次污染及安全问题

直推式注入法在注射杆下压过程中易出现横向扰动，在注射过程中出现较为明显的冒浆；高压旋喷法因注射流量大，应用中易发生冒浆；而深层搅拌法运用于地下水位较高的场地时，注入的药剂与高含水率的污染土壤混合形成的浆液也会从钻孔中溢出地表。原位注入过程中的冒浆易造成二次污染并危害工作人员身体健康。

3.4相关解决方案

针对以上原位注入技术中存在的问题，提出以下设想与解决方案：①为解决注射井注入法影响半径较小的问题，提出一种称为“工程注射和抽提”的技术，其通过在注射井周边的一系列井中注射清水或进行地下水抽提以制造不稳定的地下流场，对注入地下的修复药剂与污染物的羽流进行拉伸与折叠，使二者尽可能地接触混合。其可显著增强药剂在地下的扩散与和污染物之间的反应，使其在异质性的含水层中修复效果更好；②对于高压旋喷或深层搅拌注入后地基承载力下降的问题，可在修复效果监测完成后使用原设备注入水泥浆进行地基处理以防止地面下沉；亦可在注射药剂中掺入一定比例的水泥材料，使水泥浆同修复药剂一起注射进入地层中，通过水泥浆固化形成水泥土以牢固地基，注入水泥固化剂也可增强冒浆浆体的强度，从而减轻或消除冒浆中污染物异味及溶出能力。但前者未能解决地基承载力下降导致的设备二次进场或点位间移动困难的问题，通过在现场修复施工中不同原位注入技术方式的联合使用，使各注射方式的优势区间互补，如在高压旋喷注射修复作业中，于浅层杂填土土层改用注射井或搅拌注入辅助作业，可在保证修复效果的情况下，减少地面冒浆。

结论

该技术因其地面扰动小、污染物去除效率高、二次污染相对可控、施工灵活方便、设备成熟可靠、修复周期短等优点正越来越多地应用于污染土壤地下水修复。通过对4种原位注入修复技术的特点、实施情况及优缺点进行比较，分析各技术不足，并对原位注入技术中普遍存在的如药剂扩散范围有限、设备腐蚀、冒浆、对地层稳定性影响等问题提出多种建议。

参考文献

[1]路青艳,李朝林,李涛.我国地下水污染概况[J].中华劳动卫生职业病杂志, 2016, 24(5):317-320.

[2]王锦淮,祝可成,殷俊.岩土施工技术修复有机物污染土壤的中试研究[J].环境与可持续发展, 2017(6):77-80.