高壓旋噴技術(shù)在苯污染地下水修復(fù)中的應(yīng)用

舒心，胡培良，馬英

（永清環(huán)保股份有限公司，長沙 410330）

在地下水污染修復(fù)工程中，原位修復(fù)以其無需進(jìn)行開挖或地下水抽出、設(shè)備占地面積小、無二次污染、效果徹底等優(yōu)勢，得到了迅速發(fā)展[1]，產(chǎn)生了適用于各類工況的修復(fù)方法，主要包括可滲透性反應(yīng)墻、原位化學(xué)氧化、原位生物修復(fù)、原位電動修復(fù)等。其中原位化學(xué)氧化是較常用的原位修復(fù)手段，其工作原理主要是將化學(xué)藥劑注入到含污染物的地下水中，通過污染物與化學(xué)藥劑的反應(yīng)，促進(jìn)污染物的降解和消除，通常采用的藥劑有芬頓藥劑、高錳酸鉀、臭氧、過硫酸鹽和過氧化物等氧化劑，對于苯系物及總石油烴等有機(jī)污染物的處理比較有效，有著工作周期短、成本低、適用范圍廣的特點(diǎn)[2]。

影響原位化學(xué)氧化技術(shù)修復(fù)效果的關(guān)鍵參數(shù)包括：藥劑投加量、污染物類型、土壤質(zhì)地和地下水水位等。針對不同需求，藥劑注入的工藝有直推式注入法、注入井注入法和高壓旋噴注入法。實(shí)際工程中，根據(jù)不同場地條件、水文地質(zhì)條件、污染物分布以及注入藥劑特性等特點(diǎn)，一般選取一種或兩種工藝的組合，必要時(shí)輔以藥劑，達(dá)到修復(fù)整個(gè)污染場地的目的。本文以某化工廠污染場地地下水修復(fù)工程為案例，介紹了原位化學(xué)氧化-高壓旋噴修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用，以期提供類似修復(fù)工程的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 場地污染概況

1.1 場地污染狀況

該場地為安徽某化工廠退役場地地塊，該化工廠退役前為小型私人煉油廠，主要進(jìn)行廢油提煉加工，采用催化裂解工藝生產(chǎn)汽油、柴油。廠區(qū)主要分為辦公區(qū)、儲罐區(qū)、生產(chǎn)區(qū)和生產(chǎn)車間。前期場地調(diào)查發(fā)現(xiàn)儲罐區(qū)約428m2地塊的地下水受到了苯污染，污染深度為1.38m，后期本場地?cái)M規(guī)劃為工業(yè)用地。

1.2 場地地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

場地內(nèi)9m 勘察深度內(nèi)，地基土自上而下分為雜填土層和粉質(zhì)黏土層：

雜填土層主要由粉質(zhì)黏土組成，局部夾少量碎石，土質(zhì)不均勻，微透水性，厚度為0.9～1.2m。

粉質(zhì)黏土層顏色為褐黃或黃褐色，含氧化鐵及鐵錳質(zhì)，偶夾少量灰色高嶺土團(tuán)塊，土質(zhì)較均勻，可塑，中壓縮性，微透水性。

根據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果，該場地地基土為粉質(zhì)黏土，滲透系數(shù)非常小，介于1.1×10-7～3.6×10-7，為弱透水性，基本不透水。

場地范圍內(nèi)無穩(wěn)定含水層，地下水類型屬于上層滯水，土層滯水以大氣降水的形式補(bǔ)給，以蒸發(fā)的形式排泄，且僅在場地范圍內(nèi)局部連通。

1.3 場地地下水污染特征

修復(fù)篩選值通過選擇《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2017）中“基于一定水平的人體健康風(fēng)險(xiǎn)為依據(jù)”的Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)確定，苯的篩選值為120μg/L。

由于上層滯水量受降雨等因素影響，場地實(shí)測水層厚度約為1.38m。地下水修復(fù)范圍的確定以未超標(biāo)點(diǎn)位和滯水的賦存區(qū)域?yàn)檫吔邕M(jìn)行劃定，污染區(qū)域主要集中在儲罐區(qū)，地下水修復(fù)范圍見圖1。地下水超標(biāo)污染物苯的最高檢出濃度為153μg/L，超出風(fēng)險(xiǎn)篩選值0.275 倍。修復(fù)工程量信息見表1。

圖1 地下水修復(fù)范圍

表1 地下水修復(fù)信息

2 技術(shù)方案

2.1 工藝選擇

（1）技術(shù)選擇

由于場地土壤以黏土為主，黏粒含量高，滲透性較差，滯水難以完全從土壤中抽出且苯具有易揮發(fā)的特性，抽出處理可能會造成苯的揮發(fā)，影響周邊環(huán)境。從項(xiàng)目特點(diǎn)、技術(shù)可行性、工程實(shí)施難度、治理成本、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等角度綜合考慮，地下水抽出處理技術(shù)不適用于該項(xiàng)目?？紤]采用原位高級氧化技術(shù)進(jìn)行處理，注入方式采用適用于滲透性較低的黏性土壤的高壓旋噴技術(shù)，其注射壓力高、擴(kuò)散半徑大、工程經(jīng)濟(jì)性好[3]。原位注入-高壓旋噴注射修復(fù)技術(shù)占據(jù)了國內(nèi)污染場地原位修復(fù)60%以上的市場，逐步取代了水力壓裂注入和注入井技術(shù)[4]。

（2）藥劑選擇

由于該項(xiàng)目苯的濃度和超標(biāo)倍數(shù)均不高且地下水中含有鐵、錳等金屬離子，因此設(shè)計(jì)采用雙氧水作為氧化劑，利用水體中存在的金屬陽離子作為催化劑使其產(chǎn)生高反應(yīng)活性的羥基自由基（·OH），從而去除較低濃度的苯污染物，該方法成本較低、處理后無次生環(huán)境危害、工程使用安全[5]。

2.2 技術(shù)參數(shù)

（1）氧化藥劑

藥劑添加總量按照場地污染地下水水量乘以藥劑添加比計(jì)算。藥劑添加量=含水層水量×有效孔隙度×安全系數(shù)×藥劑添加比例。

本項(xiàng)目未建垂直防滲墻，藥劑在進(jìn)入含水層后不僅要氧化修復(fù)區(qū)目標(biāo)污染物，還要與含水層中易被氧化的有機(jī)碳發(fā)生反應(yīng)。含水層有效孔隙度取0.35，滯水層厚度取1.38m，本次選用的藥劑是濃度為27.5%的雙氧水，雙氧水的添加比取5%，安全系數(shù)取1.5。

（2）注入系統(tǒng)

注入系統(tǒng)主要設(shè)備包括XP-25 型高壓旋噴機(jī)和GY13型高壓注漿泵。旋噴鉆機(jī)采用單重管旋噴方式進(jìn)行藥劑注入，最大鉆孔深度為2m，高壓旋噴機(jī)轉(zhuǎn)速為12r/min，提升速度為42cm/min。高壓注漿泵注入壓力為38MPa，每個(gè)布點(diǎn)注入時(shí)間為3～10min。

（3）注射布點(diǎn)

在施工前進(jìn)行了工程化中試，測試得出注入影響半徑為0.5m，包括攪拌半徑和滲透擴(kuò)散半徑。為保障藥劑擴(kuò)散后能覆蓋全部場地，同時(shí)控制好藥劑投入成本，布孔方式采用梅花形布置，孔位間距為0.87m，場地面積428m2。平面布置見圖2，原位注入鉆孔布設(shè)參數(shù)見表2。

表2 原位注入鉆孔布設(shè)參數(shù)

圖2 原位注入點(diǎn)位示意

3 工程實(shí)施

旋噴工藝流程見圖3。

圖3 旋噴工藝流程

（1）施工準(zhǔn)備：工程實(shí)施前平整壓實(shí)場地，機(jī)械設(shè)備、藥劑原料和配套設(shè)施準(zhǔn)備就位。

（2）標(biāo)定注入點(diǎn)：測量定位和定點(diǎn)放線，確定各鉆孔點(diǎn)位置和深度，確保鉆機(jī)位置準(zhǔn)確到位，鉆桿的垂直度達(dá)到要求。

（3）引孔、調(diào)試和試驗(yàn)：鉆機(jī)就位后根據(jù)布設(shè)的點(diǎn)位先行施工導(dǎo)孔，終孔深度和孔徑滿足設(shè)計(jì)要求。鉆機(jī)導(dǎo)孔的點(diǎn)位偏差不大于50mm，成孔的垂直度不大于1.5%。旋噴機(jī)在已成孔前定位，檢查全系統(tǒng)工作是否正常，檢查有無漏水、壓力能否達(dá)到施工要求、高壓注漿泵是否正常。

（4）藥劑配置：采用27.5%濃度的雙氧水試劑和清水，加入藥劑罐中混勻。

（5）高壓旋噴作業(yè)：將帶有特殊噴嘴的注漿管（鉆桿）通過鉆孔插到土層預(yù)設(shè)的點(diǎn)位和深度，噴嘴在噴射出藥劑的同時(shí)會向上提升，提升過程中檢查漿液的流量、噴射壓力、提升速度等。高壓液流自下而上切削土體，實(shí)現(xiàn)藥劑在水體中的擴(kuò)散，使藥劑與受污染地下水充分混合。

（6）養(yǎng)護(hù)監(jiān)測：旋噴注射藥劑完成后，藥劑與污染物發(fā)生化學(xué)氧化反應(yīng)，充分反應(yīng)1～2 個(gè)月后達(dá)到修復(fù)目標(biāo)要求。施工完成后對地下水pH 值、藥劑殘留量、目標(biāo)污染物濃度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。

（7）驗(yàn)收：化學(xué)氧化修復(fù)結(jié)束后，開展自檢，自檢合格后可進(jìn)行驗(yàn)收工作。若不合格，根據(jù)檢測結(jié)果配制藥劑進(jìn)行復(fù)噴。

4 修復(fù)效果分析

4.1 監(jiān)測系統(tǒng)

本場地地下水污染物為苯，為了評估運(yùn)行過程及修復(fù)效果，需要對地下水進(jìn)行監(jiān)測。

（1）監(jiān)測點(diǎn)的確定

根據(jù)地塊水文地質(zhì)條件，設(shè)置對照井、監(jiān)測井和控制井，對照井設(shè)置在地下水污染羽的上游，反映區(qū)域地下水質(zhì)量。監(jiān)測井設(shè)置在污染羽內(nèi)部，反映修復(fù)過程中污染羽濃度變化情況，監(jiān)測井結(jié)合污染羽分布情況，按三角形布設(shè)。控制井設(shè)置在地下水污染羽的上游、下游以及垂直于地下水徑流方向的污染羽兩側(cè)的邊界位置。

本項(xiàng)目監(jiān)測對照井設(shè)置1 個(gè)、監(jiān)測井設(shè)置3 個(gè)、控制井設(shè)置3 個(gè)。布點(diǎn)見圖4。

圖4 地下水監(jiān)測點(diǎn)位示意

（2）監(jiān)測指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)

工程運(yùn)行期間對地下水水位、水質(zhì)、注入藥劑特征指標(biāo)、二次污染物等進(jìn)行監(jiān)測，具體包括地下水水位和目標(biāo)污染物濃度，監(jiān)測指標(biāo)為pH 值、溫度、電導(dǎo)率、總硬度、氧化還原電位、溶解氧、CODCr、BOD5、苯。

（3）監(jiān)測頻率

地下水修復(fù)工程的運(yùn)行期間，監(jiān)測頻次為每半個(gè)月一次。運(yùn)行后期監(jiān)測頻次為每季度一次，兩個(gè)批次間隔不得少于1 個(gè)月。根據(jù)修復(fù)達(dá)標(biāo)初判的需求，持續(xù)開展了4 個(gè)季度的監(jiān)測。

4.2 監(jiān)測結(jié)果

監(jiān)測結(jié)果表明，地下水pH 值變化不大，各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)未見異常，在施工后一個(gè)季度內(nèi)，各監(jiān)測點(diǎn)位的苯濃度持續(xù)下降，并在此后1 年的長期監(jiān)測中均未檢出苯，地下水水質(zhì)穩(wěn)定。地下水修復(fù)后監(jiān)測結(jié)果見圖5。

圖5 地下水修復(fù)后監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)語

（1）采用雙氧水作為氧化劑能對低污染濃度地下水起到一定修復(fù)效果，由于地下水水質(zhì)復(fù)雜，水體中存在的金屬陽離子能作為催化劑使雙氧水產(chǎn)生高反應(yīng)活性的羥基自由基（·OH），對較低濃度苯污染物的去除效果較好。

（2）高壓旋噴注入法可通過切割、攪拌和滲透作用，有效解決氧化劑在低滲透性黏性土壤中的擴(kuò)散問題，提高藥劑與地下水的混合程度，更適合黏性土壤環(huán)境下的地下水修復(fù)。

（3）高壓旋噴式注入方式施工操作簡單、靈活，可顯著縮短修復(fù)設(shè)備安裝調(diào)試時(shí)間與注藥時(shí)間，有效縮短工期。