CN106807736A - 一种土壤及地下水固相浅层搅拌原位化学氧化修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种土壤及地下水固相浅层搅拌原位化学氧化修复方法，属于土壤及地下水修复方法技术领域。本发明包括以下步骤：(1)场地平整、测量分区；(2)表层破碎筛分、设置围堰；(3)组装浅层搅拌设备及调试；(4)固体氧化剂及活化剂投加；(5)浅层搅拌施工；(6)表层固化；(7)药剂反应及监测；(8)自检及验收。本发明适用于浅层饱和土壤及地下水有机污染修复、地下水重度污染的修复，可解决浅层重度有机污染的药剂一轮施工投加药剂参数偏低的难题，氧化剂K投加比上限可达到1.5％～6％。本发明的方法操作简便、施工效率高，反应周期相对较长，氧化剂与地下水中的有机物可持续反应，有效防止地下水污染物浓度反弹。
Description
技术领域
本发明涉及一种土壤及地下水固相浅层搅拌原位化学氧化修复方法，属于土壤及地下水修复方法技术领域。
背景技术
土壤及地下水的重金属、有机污染是目前典型的两大类型污染。浅层污染土壤及地下水单独及复合污染由于暴露途径多，在污染场地中普遍存在。原位修复相对异位修复技术具有无二次污染、不占用额外场地等优势逐步得到青睐。土壤及地下水修复技术主要采用物理、化学及生物或组合技术，其中化学或生物修复工程技术首要解决的问题就是修复药剂(氧化剂/还原剂/微生物制剂)如何均匀加入地下环境。浅层污染土壤及地下水特点为土质以杂填土为主，污染物分布极不均匀，尤其局部含有粘土土层的情形下采用注入技术很难达到理想的修复效果，因此，不适合采用注射及深层搅拌技术，浅层搅拌技术就显得迫切需要。
现有的修复药剂原位投加主要有两种方式：搅拌和注入/注射，其中原位注入/注射分为：Geoprobe直压式高压注射、建井注入(PVC注入井)、Chemgrout注浆技术、深层搅拌原位修复技术、土壤及地下水高压旋喷修复技术以及其它岩土注浆技术等。现有技术无法解决浅层土壤及地下水原位修复问题。
挥发性及半挥发有机污染场地土壤及地下水中的目标污染物具有挥发性，因此，原位修复技术作为首推技术，以解决修复过程的二次污染问题，同时原位修复技术可避免因基坑开挖降水等引起的安全隐患。
原位化学氧化(In Situ Chemical Oxidation，ISCO)技术具有可同时处理多种有机污染物，处理效率较高的优点。同时，化学氧化一般不受污染物浓度限制。影响原位化学氧化技术的因素包括：氧化剂在土壤及地下水中的扩散、氧化剂类别、氧化剂投加量、污染物类型及浓度等。
美国环境保护署最新的调查资料显示，化学氧化技术已被成功应用于数千个污染场地的修复，近年来的场地修复案例中，ISCO技术约占33％，并且有日益增加的趋势，成为目前发展最迅速的土壤/地下水主导修复技术。
常用的化学氧化药剂包括芬顿试剂、高锰酸钾、臭氧、活化的过硫酸盐等，芬顿试剂、臭氧、活化的过硫酸盐等氧化剂主要依靠其产生的自由基来氧化有机污染物，可修复土壤及地下水中的苯系物、硝基苯类、石油烃等有机污染物。芬顿试剂自由基具有非常强的氧化能力，可以氧化多种有机污染物，但其氧化过程不具选择性，而且在地下水中存在时间非常短暂，所以如何能有效地将氧化剂投加到修复区域，并保证产生的自由基能与污染物及时充分地接触，对修复的效果至关重要。活化过硫酸盐具有适应性强、长效、氧化性强且广谱、土壤化学需求量(SOD)值低等优点。过硫酸盐(简称K药剂)常用活化方式或活化剂包括高热、碱、Fe2+和H2O2等。通过活化过硫酸根离子，产生氧化能力更强的自由基离子，可以氧化更多更难降解的有机污染物。采用碱作为活化方法更经济、持续、安全、有效。
申请号为201410387735.4(授权公告号CN104174634B、授权公告日2016年5月18日)的“一种有机污染土壤和地下水原位修复装置及修复方法”、申请号为201410615166.4(申请公布号CN104438315A、申请公布日2015年3月25日)的“一种修复污染土壤和地下水的原位化学氧化注入装置”等建井注射技术相关中国发明专利中，提到一种建井注射原位化学氧化修复技术，均采用添加溶液形式的过硫酸盐，采用液碱作为活化剂。
专利号为US 2003/0069142的美国专利，公开了一种化学氧化注入井注入系统，该系统在装有固体粉末状药剂的筛管前段设置导流挡板，筛管内的药剂溶解后随着地下水流向通过导流挡板扩散到目标区域从而修复污染土壤和地下水。
专利号为US 2008/0174571A1的美国专利，公开了一种化学氧化原位注入井修复技术，该修复系统通过注入井向地下注入过氧化氢、臭氧及压缩空气氧化修复污染土壤和地下水。
申请号为201410831123.X(申请公布号CN104624629A、申请公布日2015年5月20日)的发明专利“一种采用双向搅拌注入法修复有机物污染场地的方法”，申请号为201610461742.3(申请公布号CN105964677A、申请公布日2016年9月28日)的发明专利“一种土壤及地下水原位化学氧化高压注射优化修复方法”发明专利，提到了深层搅拌及高压旋喷注射修复工艺，适合修复深层污染，需要桩基机械作为搅拌机械，组装相对复杂，不适于浅层土壤及地下水的修复。
以上修复技术应用过程需要一系列的原位修复系统和修复方法，才能实现修复药剂的投加。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有原位修复系统的搅拌深度过大、注射井或高压注射难以保证浅层混合效果的问题，进而提供一种土壤及地下水固相浅层搅拌原位化学氧化修复方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种土壤及地下水固相浅层搅拌原位化学氧化修复方法，步骤如下：
步骤一、场地平整、分区及测量放线
土壤及地下水地块首先进行场地平整，场地平整后测量放线定位，进行网格精细化分区，各搅拌单个区块依次编号，分为已破碎土壤搅拌作业区域和未破碎土壤搅拌作业区域；
步骤二、表层破碎筛分、设置围堰
一号挖机用于破碎筛分修复区域表层混凝土地面或建筑物基础，清理筛分表层后，在搅拌分区四周构筑围堰；
步骤三、浅层搅拌机械设备组装及调试
二号挖机连接杆与回转式搅拌头上的连接杆直接连接，构成二号挖机+回转式搅拌头的浅层搅拌成套设备，通过液压马达驱动，回转式搅拌头在垂直方向做回转式运动，挖机在步骤二所设置围堰外围行驶，在其操作半径范围内实现浅层搅拌操作；
步骤四、固相药剂投加
叉车分别输送袋装粉状氧化剂K药剂及活化剂E药剂，上述两种药剂人工拆除袋装包装后，由一号挖机上的装药铲斗分别添加至相应的修复分区中；待K药剂搅拌看不见白色粉末开始添加E药剂；并记录单个区块K药剂、E药剂投加数据；
步骤五、浅层搅拌作业
一号挖机分别添加固相的氧化剂及活化剂后，一号挖机进行初搅20～30min后，使用二号挖机+回转式搅拌头组装的浅层搅拌设备对修复区域进行搅拌，搅拌对象为位于地下水位线以下的杂填土和粉质粘土饱和层，对单个区块搅拌设定时间，搅拌完毕四周用警戒带标识；
步骤六、表层固化
完成浅层搅拌作业2～4h后，一号挖机清洗挖斗后进行表层固化施工，固化处理深度范围为0～1.5m，固化材料采用抗硫酸盐防尘水泥+粉状膨润土，按一定重量百分比将抗硫酸盐防尘水泥和粉状膨润土投加到土壤中；
步骤七、下一分区浅层搅拌施工
重复步骤四～步骤六，完成下一分区的浅层搅拌施工，至整个地块的浅层搅拌修复施工完，最大修复深度为4m；
步骤八、药剂反应、监测
土壤及地下水中修复药剂充分反应时间为1～2个月，反应开始的1～2周后地面达到采样强度要求，在已完成一轮搅拌修复区域内采用Geoprobe钻机设立若干口径为2英寸PVC材质的地下水监测井，其筛管位置位于浅层地下水中，定期监测地下水中的pH值、残留K药剂参数，监测氧化剂残留及地下水酸碱度情况；
步骤九、自检及验收
K药剂与土壤及地下水充分反应1～2个月后，在修复区域内布设土样采样点，采取土壤及地下水样品，实验室检测污染物浓度的参数，以检验原位浅层修复效果。
本发明的有益效果是：
一、修复成本远低于原位加热、热解吸等技术。可最佳地达到原位体系的修复效率及污染物的去除效果。
二、浅层搅拌药剂选择：化学氧化剂优选K药剂，稳定性较好，可直接以固体形式投加。而其他固体氧化药剂如高猛酸盐，安全性差，常温条件下受潮或遇到蔗糖等有机物容易发生自燃，且感官差，不适宜现场配置药剂溶液，诸多原因限制其工程应用。活化剂优选E药剂，反应温和，而采用氧化钙反应剧烈且产生大量放热，二次污染严重；液碱由于与固体K药剂混合不均匀，不宜选择；双氧水反应速度过快，对地下水不具有持续性效果，也不宜选择。
三、分区施工原则、设置围堰：精准投加药剂的同时，通过控制作业面，满足浅层搅拌设备作业半径参数的同时，有效控制和降低了二次污染。
四、回转式浅层搅拌设备操作：可在一号挖机添加固体药剂搅拌一遍后，采用本发明的专业搅拌头设备进行复搅，可有效解决滚筒式强力搅拌头容易出现包死钻头打滑现场的问题，有助于搅拌过程打散粘土胶结块，保证修复药剂与污染介质的充分混合效果，从而保证反应条件。同时固体药剂直接通过挖机添加，避免了存在因钻头管路堵塞引发安全事故的隐患。
五、表层(浅层)固化提高水泥比例(具有活化作用)：固化水泥比例不宜过高，限制氧化反应，阻隔通道。表层固化另一方面，也作为二次污染防治的控制措施之一。对搅拌区域进行固化处理，1～2周后地面强度可满足钻探采样工作需求。
六、相对于注入井技术、深层搅拌技术、高压注射技术，均适用于深层污染修复治理，而小于4m的浅层污染不宜采用建井或注射方式操作，本发明显示了其修复浅层土壤及地下水的优势，操作简便。
七、相对于深层搅拌(如热空气吹脱深层搅拌)、高压注射技术(如Geoprobe钻头注射、高压旋喷注射)，需要大型的深层搅拌钻机设备，安装调试相对繁琐，且设备能耗高。本发明采用挖机+专业搅拌头的搅拌设备，可直接添加固体药剂直接进行搅拌，药剂投加比高，可解决土壤及地下水的浅层重度污染问题。
附图说明
图1为土壤及地下水固相浅层搅拌原位化学氧化修复方法流程图。
图2为土壤及地下水固相浅层搅拌原位化学氧化修复系统的工作原理示意图。
图3为回转式搅拌头的结构示意图。
图4为回转式搅拌头的侧视图。
图5为回转式搅拌头的主视图
图2～图5中的附图标记，1为叉车，2为袋装药剂，3为药剂拆装入装药铲斗，4为一号挖机，5为装药铲斗，6为粉状K药剂加入，7为粉状E药剂加入，8为已破碎土壤搅拌作业区域，9为搅拌方向，11为二号挖机外接挖机连接杆，12为未破碎土壤搅拌作业区域，13为二号挖机，14为杂填土(污染层)，15为粉质粘土(污染层)，16为粉细砂(非污染层)，17为回转式搅拌头，18为污染土壤及地下水与药剂混合，19为地下水位线，21为连接杆，22为主体钢结构，23为主动链轮，24为液压马达，25为张紧轮，26为齿耙，27为链条，28为耐磨钢片切削头，29为被动链轮，30为回转式搅拌头原位搅拌作业时的切削回转方向。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
本实施例所涉及的一种土壤及地下水固相浅层搅拌原位化学氧化修复方法，包括以下步骤：
步骤一、场地平整、分区及测量放线
土壤及地下水地块首先进行场地平整，按5m×5m网格精细化分区后测量放线定位，各搅拌分区依次编号，分为已破碎土壤搅拌作业区域和未破碎土壤搅拌作业区域。
步骤二、表层破碎筛分、设置围堰
一号挖机用于破碎筛分修复区域表层混凝土地面或建筑物基础，清理筛分表层后，在搅拌分区四周构筑0.5m高度围堰。
步骤三、浅层搅拌机械设备组装及调试
二号挖机连接杆与回转式搅拌头上的连接杆直接连接，构成二号挖机+回转式搅拌头的浅层搅拌成套设备，通过液压马达驱动，回转式搅拌头可在垂直方向做回转式运动。挖机在步骤一所设置围堰外围行驶，在其操作半径范围内实现浅层搅拌操作。
步骤四、固相药剂投加
叉车分别输送袋装25kg粉状K药剂(过硫酸盐)及活化剂E药剂(氢氧化钙)，上述两种药剂人工拆除袋装包装后，由一号挖机上的装药铲斗分别添加至相应的修复分区中。待K药剂搅拌看不见白色粉末开始添加E药剂。并记录单个区块K药剂、E药剂投加数据(袋数量)。
步骤五、浅层搅拌作业
如步骤四所述，一号挖机分别添加固相的氧化剂及活化剂后，一号挖机进行初搅20～30min后，使用二号挖机+回转式搅拌头组装的浅层搅拌设备对修复区域(杂填土)进行搅拌，搅拌对象为位于地下水位线以下的杂填土(污染层)和粉质粘土(污染层)饱和层。单个区块搅拌1.5～2h，至粘土块均打散，保证固体药剂与饱和土壤及地下水充分搅拌均匀。搅拌完毕四周用警戒带标识。
步骤六、表层固化
完成浅层搅拌作业后2～4h，一号挖机清洗挖斗后进行表层固化施工，固化处理深度范围为0～1.5m，固化材料采用抗硫酸盐防尘水泥+粉状膨润土，抗硫酸盐防尘水泥投加量为10％～15％(土壤湿重)，粉状膨润土投加量为5％～10％(土壤湿重)。
步骤七、下一分区浅层搅拌施工
重复步骤四～步骤六，完成下一分区的浅层搅拌施工，至整个地块的浅层搅拌修复施工完，最大修复深度不宜超过4m。
步骤八、药剂反应、监测
土壤及地下水中修复药剂充分反应需1～2个月。1～2周后地面达到采样强度要求，在已完成一轮搅拌修复区域内采用Geoprobe钻机设立若干口径为2英寸PVC材质的地下水监测井，其筛管位置位于浅层地下水中，定期监测地下水中的pH、残留K药剂参数，监测氧化剂残留及地下水酸碱度情况。
步骤九、自检及验收
如步骤八所述，K药剂与土壤及地下水充分反应1～2个月后，在修复区域内布设土样采样点，采取土壤及地下水样品，实验室检测污染物浓度参数，以检验原位浅层修复效果。
实施例1
本项目为南京某化工厂土壤及地下水修复工程，土壤修复工程量25.8万方，地下水修复工程量17万平，工期要求150天。本场地土壤浅层污染最大深度4m，主要地层为杂填土及粉质粘土层，地下水埋藏浅(约1m左右)且丰富。浅层土壤/地下水中的目标污染物为氯苯、苯、对/邻硝基氯化苯等VOCs/SVOCs类有机物。
为了解决原位化学氧化修复工程中的浅层污染难题，该工程中土壤修复工程量的11％、地下水修复工程量的8％采用了浅层搅拌原位化学氧化工艺，其中浅层搅拌工艺中土壤及地下水修复工程量约13％采用了本发明的固相浅层搅拌原位化学氧化修复工艺。实践表明，本发明可有效解决浅层土壤污染、浅层地下水中度～重度有机污染问题。
工艺优势：
(1)修复深度范围：适用于1～2m、1～3m、1～4m、2～3m、2～4m诸多浅层污染，人工回填土或原始土层饱和区域情形，最大修复深度不宜超过4m。
(2)修复污染物广谱：SOD值较低，苯、苯胺、氯苯、对/邻硝基等VOCs/SVOCs，具有高效性，尤其对重度地下水修复优越于采用芬顿药剂。
(3)原位浅层搅拌工艺，精细化分区及表层固化施工可有效避免二次污染。
(4)机械施工效率高：本发明的单套浅层搅拌设备处理能力：土壤修复为600～1200m3，地下水修复为150～300m2，最大修复深度4m。
本实施例中，土壤及地下水固相浅层搅拌原位化学氧化工艺应用情况见下表。
表1土壤及地下水固相浅层搅拌原位化学氧化工艺应用情况统计
N5-1地块应用本发明的方法，氧化剂K投加比为1.53％。土壤及地下水修复效果见表2和表3。
表2土壤修复效果对比
表3地下水修复效果
如图2～图5所示，本实施例所涉及的一种土壤及地下水固相浅层搅拌原位化学氧化修复系统，包括：固相药剂投加单元和浅层搅拌单元，所述固相药剂投加单元包括叉车1、一号挖机4和装药铲斗5，装药铲斗5安装在一号挖机4的支臂前端；所述浅层搅拌单元包括二号挖机13、外接挖机连接杆11和回转式搅拌头17，所述外接挖机连接杆11的一端与二号挖机13的支臂前端相连接，外接挖机连接杆11的另一端与回转式搅拌头17相连接。
所述回转式搅拌头17包括：连接杆21、主体钢结构22、主动链轮23、液压马达24、张紧轮25、齿耙26、链条27、耐磨钢片切削头28和被动链轮29，所述主体钢结构22的顶端固定有连接杆21，主体钢结构22的上端设置有主动链轮23，主体钢结构22的下端设置有被动链轮29，主动链轮23和被动链轮29之间由链条27传动连接，链条27上均布有齿耙26，齿耙26上固定有耐磨钢片切削头28，液压马达24固定在主体钢结构22的上部，液压马达24的输出端与主动链轮23传动连接，主体钢结构22上设有张紧轮25，张紧轮25与链条27转动连接，连接杆21用于与外接挖机连接杆11相连接。
所述连接杆21与二号挖机外接挖机连接杆11通过铰销直接连接。
所述链条27上均布有6～12组齿耙26。
所述每组齿耙26上安装有4～6个耐磨钢片切削头28。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种土壤及地下水固相浅层搅拌原位化学氧化修复方法，其特征在于，
步骤一、场地平整、分区及测量放线
土壤及地下水地块首先进行场地平整，场地平整后测量放线定位，进行网格精细化分区，各搅拌单个区块依次编号，分为已破碎土壤搅拌作业区域和未破碎土壤搅拌作业区域；
步骤二、表层破碎筛分、设置围堰
一号挖机用于破碎筛分修复区域表层混凝土地面或建筑物基础，清理筛分表层后，在搅拌分区四周构筑围堰；
步骤三、浅层搅拌机械设备组装及调试
二号挖机连接杆与回转式搅拌头上的连接杆直接连接，构成二号挖机+回转式搅拌头的浅层搅拌成套设备，通过液压马达驱动，回转式搅拌头在垂直方向做回转式运动，挖机在步骤二所设置围堰外围行驶，在其操作半径范围内实现浅层搅拌操作；
步骤四、固相药剂投加
叉车分别输送袋装粉状氧化剂K药剂及活化剂E药剂，上述两种药剂人工拆除袋装包装后，由一号挖机上的装药铲斗分别添加至相应的修复分区中；待K药剂搅拌看不见白色粉末开始添加E药剂；并记录单个区块K药剂、E药剂投加数据；
步骤五、浅层搅拌作业
一号挖机分别添加固相的氧化剂及活化剂后，一号挖机进行初搅20～30min后，使用二号挖机+回转式搅拌头组装的浅层搅拌设备对修复区域进行搅拌，搅拌对象为位于地下水位线以下的杂填土和粉质粘土饱和层，对单个区块搅拌设定时间，搅拌完毕四周警戒带标识；
步骤六、表层固化
完成浅层搅拌作业2～4h后，一号挖机清洗挖斗后进行表层固化施工，固化处理深度范围为0～1.5m，固化材料采用抗硫酸盐防尘水泥+粉状膨润土，按一定重量百分比将抗硫酸盐防尘水泥和粉状膨润土投加到土壤中；
步骤七、下一分区浅层搅拌施工
重复步骤四～步骤六，完成下一分区的浅层搅拌施工，至整个地块浅层搅拌修复施工完，最大修复深度为4m；
步骤八、药剂反应、监测
土壤及地下水中修复药剂充分反应时间为1～2个月，反应开始的1～2周后地面达到采样强度要求，在已完成一轮搅拌修复区域内采用Geoprob钻机设立若干口径为2英寸PVC材质的地下水监测井，其筛管位于浅层地下水中，定期监测地下水中的pH值、残留K药剂参数，监测氧化剂残留及地下水酸碱度情况；
步骤九、自检及验收
K药剂与土壤及地下水充分反应1～2个月后，在修复区域内布设土样采样点，采取土壤及地下水样品，实验室检测污染物浓度的参数，以检验原位浅层修复效果。
2.根据权利要求1所述的土壤及地下水固相浅层搅拌原位化学氧化修复方法，其特征在于，步骤一中，所述网格精细化分区，单个区块按5m×5m进行网格分区。
3.根据权利要求1所述的土壤及地下水固相浅层搅拌原位化学氧化修复方法，其特征在于，步骤二中，所述构筑围堰的高度为0.5m。
4.根据权利要求1所述的土壤及地下水固相浅层搅拌原位化学氧化修复方法，其特征在于，步骤四中，所述K药剂为过硫酸盐，所述E药剂为氢氧化钙。
5.根据权利要求1所述的土壤及地下水固相浅层搅拌原位化学氧化修复方法，其特征在于，步骤五中，单个区块搅拌时间为1.5～2h，至粘土块均打散。
6.根据权利要求1所述的土壤及地下水固相浅层搅拌原位化学氧化修复方法，其特征在于，步骤六中，抗硫酸盐防尘水泥投加量为土壤湿重的10％～15％，粉状膨润土投加量为土壤湿重的5％～10％。
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