一种土壤及地下水原位化学氧化高压旋喷注射修复系统的制作方法

本实用新型涉及一种土壤及地下水原位化学氧化高压旋喷注射修复系统，属于土壤及地下水原位修复系统技术领域。

背景技术：

我国城市工业污染场地主要受挥发性及半挥发性(VOCs/SVOCs)等石化类、化工类有机污染，包括苯系物、有机氯溶剂、硝基苯类、多环芳烃等，在环境中容易迁移。异位修复具有开挖安全及二次污染风险，同时增加工程降水及后续水处理等难度。原位修复技术具有扰动小、有效避免二次污染、高效等优点。

美国自20世纪80年代中期以来，已经投入大量资金用于土壤及地下水修复，一些新的原位修复技术应运而生。原位化学氧化(In Situ Chemical Oxidation，ISCO)技术依靠向土壤及地下水投加化学氧化剂，将地下水里的污染物氧化成毒性相对较低的产物(如二氧化碳、水或氯离子等)，从而达到修复目的，该类技术可同时处理多种污染物，处理效率较高。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，芬顿及活化的过硫酸盐氧化还原电位较高(分别为2.8V和2.6V)，未活化过硫酸盐的氧化还原电位与臭氧接近(分别为2.01V和2.07V)，高锰酸钾氧化还原电位偏低(1.68V)。芬顿试剂由于反应非常迅速和激烈，持续时间短，地下水修复效果较差。过硫酸盐常用活化剂包括高热、碱、Fe²⁺和H₂O₂等，其中碱活化的氧化反应比较持久和稳定，成为目前较为流行的新型氧化剂之一。因此，土壤及地下水中的苯系物、硝基苯类、石油烃等有机污染物的修复首选活化过硫酸盐。

现有的原位化学氧化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钻头高压注射、建井注入(PVC注入井)、Chemgrout注浆技术、深层搅拌原位注浆技术以及其他岩土注浆技术等。

原位钻头直压式注入是将配置好的药剂以一定压力通过注入钻头注入到污染土层并不断搅拌混匀污染土和氧化药剂从而修复污染土壤和地下水。在专利号为US2002/0143226A1和专利号为US006457905的美国专利中公开了两种化学氧化原位钻头注入修复系统，这两种修复系统都通过螺旋钻杆或注射钻头将化学氧化剂注入到污染土中。

申请号为201410387735.4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，修复前需在修复区域设置注射井的修复方法。这两种发明采用间歇式注射方式，在土层垂直深度方向无法控制和实现修复药剂投加比的优化设计及实施。

申请号为201420009983.0的“一种土壤修复高压注射旋喷钻机”中国实用新型专利，实质为单管注射。

申请号为201420445518.1的“一种原位化学氧化注入井系统”中国实用新型专利，实质为PVC注射井，非饱和层较适用，饱和层存在注浆困难，多次间歇操作，施工周期长的缺陷，同时适用地层受限，粘土层基本无效。

申请号为201420445542.5的“一种有机污染土壤修复溶配药系统”中国实用新型专利，加药泵及气动搅拌机都为气动设备，单个配药罐容积为1方，配置能力偏小，对于深层注射需多次配置，无法实现单孔连续注射作业。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对深层、重度复杂有机污染场地，解决土壤及地下水地块/区域的原位化学氧化修复施工中药剂投加比的分区优化施工难题，以及现有原位注入修复系统注浆参数难以优化和控制的不足问题，进而提供一种土壤及地下水原位化学氧化高压旋喷注射修复系统。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种土壤及地下水原位化学氧化高压旋喷注射修复系统，包括：配药站单元和修复药剂溶液高压注射及压缩空气注射单元；

所述配药站单元包括：耐腐蚀泵、液碱输送管路、一号配药罐、一号配药罐K药剂加药平台、一号配药罐搅拌电机及搅拌桨、第一阀门、二号配药罐、二号配药罐K药剂加药平台、二号配药罐搅拌电机及搅拌桨、第二阀门、三通和高压注浆泵进口阀门，所述耐腐蚀泵的出口与液碱输送管路相连通，液碱输送管路分别与一号配药罐和二号配药罐相连通，一号配药罐上安装有一号配药罐搅拌电机及搅拌桨，二号配药罐上安装有二号配药罐搅拌电机及搅拌桨，三通的第一端与一号配药罐之间由管路相连通，三通与一号配药罐之间的管路上串接有第一阀门，一号配药罐的上部连接有一号配药罐K药剂加药平台，三通的第二端与二号配药罐之间由管路相连通，三通与二号配药罐之间的管路上串接有第二阀门，二号配药罐的上部连接有二号配药罐K药剂加药平台，三通的第三端与高压注浆泵进口阀门的一端相连通；

所述修复药剂溶液高压注射及压缩空气注射单元包括：高压注浆泵、高压注浆泵出口阀门、高压注浆胶管、空气压缩机入口阀门、螺杆式空气压缩机、空压机压力表、空气压缩机出口阀门、压缩空气管路、高压水接头、旋喷钻机、动力头、高压水接头药剂液流进口、高压水接头空气流进口、旋喷钻机注浆钻杆自动提升机构、高压旋喷注浆钻杆、液流喷射喷嘴、空气喷射喷嘴、硬质合金块和钻头，所述旋喷钻机上安装有动力头，动力头上分别安装有高压水接头、高压水接头药剂液流进口和高压水接头空气流进口，高压注浆泵的入口与高压注浆泵进口阀门的另一端相连通，高压注浆泵的出口与高压注浆胶管的一端相连通，高压注浆胶管的另一端与高压水接头药剂液流进口相连通，高压注浆泵出口阀门串接在高压注浆胶管上，动力头的下部安装有旋喷钻机注浆钻杆自动提升机构，高压水接头的下部安装有高压旋喷注浆钻杆，螺杆式空气压缩机的入口端连接有空气压缩机入口阀门，螺杆式空气压缩机的出口端与压缩空气管路的一端相连通，压缩空气管路的另一端与高压水接头空气流进口相连通，压缩空气管路上串接有空气压缩机出口阀门，空压机压力表连接在螺杆式空气压缩机出口端的压缩空气管路上，高压旋喷注浆钻杆的下端连接有钻头，钻头上设有硬质合金块，高压旋喷注浆钻杆的下部设有液流喷射喷嘴和空气喷射喷嘴。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型的修复系统结构简单、设备移动方便，优越于现有的如原位加热、热解吸或土壤淋洗等技术需要复杂的设计或特殊的设备，如必要的尾气或废水处理系统。修复成本低于原位加热、热解吸等技术，尤其在砂层的机械成本大大降低，可最佳地达到原位体系的修复效率及污染物的去除效果。

2、使用本实用新型进行原位注入点的布设，便于施工中尽量连续作业，从地下水区域上游往下游方向逐排流水施工，有利于药剂扩散。注浆段优化为两段，优势在于调整注浆量，实现垂直深度的药剂投加比优化。

3、本实用新型的2套3方PVC罐体的配药站设计，单次配置药剂能力达到6方/小时，便于实现单孔药剂的连续注射操作，可满足12m深度修复1～2个注射孔连续注射的需求，减小了因药剂配置耽误施工时间的麻烦。相比Geoprobe钻机高压注射所配备搅拌罐(单罐260L)、旋喷桩水泥浆搅拌(单罐500L)节省了大量配置药剂闲置时间，提高了原位修复机械施工效率。深层修复(如12～15m深度范围内)可实现连续药剂注射，不用加钻杆或拆卸操作，减少了化学药剂的高压泄露操作风险。

4、本实用新型采用高压旋喷注浆钻杆(三重管)注射，注射压力大，因此，相对于压力偏小的原位化学氧化注射井注射技术及单管的Geoprobe钻机高压注射技术，扩散半径较大，同时可适用于夹心层的有机污染修复(如粘土层或砂层，3～4m、4～5m、6～8m诸多情形)，实现定深度修复，砂层由于扩散效果好，药剂扩散半径大，经济性显著，机械成本大大降低。

5、使用本实用新型，采用过硫酸盐作为氧化剂，液碱为活化剂，由于液碱作为活化剂在地下水环境中持续时间长，可修复土壤及地下水中单环芳香类VOCs/SVOCs典型有机污染物(如苯系物、氯苯、对/邻硝基氯化苯、氯苯、二氯苯、苯胺、硝基苯)，尤其应用于地下水的原位修复，效果显著。

规模化原位化学氧化修复工程实践证明，本实用新型是具有设计合理、设备简单、操作方便可行、易于维护、运行过程参数容易控制的有机污染土壤及地下水原位修复体系，具有广阔的应用前景和推广价值。

附图说明

图1为实施例1中土壤及地下水原位化学氧化高压旋喷原位注入点(钻孔)布设示意图。

图1中的附图标记：1为Ⅰ区(轻度污染)、2为Ⅱ区(中度污染)、3为Ⅲ区(重度污染)、4为Ⅰ区原位注入点(钻孔)中心点、5为Ⅱ区原位注入点(钻孔)中心点、6为Ⅲ区原位注入点(钻孔)中心点、7为地下水水位、8为地下水流向、L1、L2、L3分别为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区的原位注入孔距(垂直地下水流向)、B1、B2、B3分别为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区的原位注入排距(沿地下水流向)、H2为最大修复深度、H1为优化分段深度、H2～H1为旋喷注射下段、H1～0为旋喷注射上段。

图2为土壤及地下水原位化学氧化高压旋喷注射修复系统原理示意图。

图3为高压旋喷注浆钻杆下端的结构示意图。

图2和图3中的附图标记：9为液碱(氢氧化钠溶液，吨桶装)、10为耐腐蚀泵、11为水表、12为液碱输送管路、13为一号配药罐、14为一号配药罐液碱进料口、15为一号配药罐K药剂(25kg袋装)、16为一号配药罐K药剂进料口、17为一号配药罐K药剂加药平台、18为自来水进料口、19为一号配药罐搅拌电机及搅拌桨、20为一号配药罐容积刻度标尺、21为一号配药罐K药剂(含液碱)溶液出口不锈钢快速接头、22为阀门、23为二号配药罐、24为二号配药罐液碱进料口、25为二号配药罐K药剂(袋装)、26为二号配药罐K药剂进料口、27为二号配药罐K药剂加药平台、28为自来水进料口、29为二号配药罐搅拌电机及搅拌桨、30为二号配药罐容积刻度标尺、31为二号配药罐K药剂(含液碱)溶液出口不锈钢快速接头、32为阀门、33为三通、34为高压注浆泵进口阀门、35为高压注浆泵、36为高压注浆泵压力表、37为高压注浆泵出口阀门、38为高压注浆胶管、39为空压机新鲜空气入口、40为空气压缩机入口阀门、41为螺杆式空气压缩机、42为空压机压力表、43为空气压缩机出口阀门、44为压缩空气管路、45为高压水接头、46为旋喷钻机、47为动力头、48为高压水接头药剂液流进口、49为高压水接头空气流进口、50为旋喷钻机注浆钻杆自动提升机构、51为高压旋喷注浆钻杆(三重管)、52为引孔段、53为旋喷钻机钻入段、54为液流喷射喷嘴、55为药剂喷射液流、56为空气喷射喷嘴、57为空气喷射气流、58为硬质合金块、59为钻头、60为药剂扩散方向、61为杂填土层、62为粉质粘土层、63为粉细砂层(含水层)、64为粉质粘土层、65为地下水水位埋深、R为药剂有效扩散半径。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型做进一步的详细说明：本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本实用新型的保护范围不限于下述实施例。

如图2和图3所示，本实施例所涉及的一种土壤及地下水原位化学氧化高压旋喷注射修复系统，包括：配药站单元和修复药剂溶液高压注射及压缩空气注射单元；

所述配药站单元包括：耐腐蚀泵10、液碱输送管路12、一号配药罐13、一号配药罐K药剂加药平台17、一号配药罐搅拌电机及搅拌桨19、第一阀门22、二号配药罐23、二号配药罐K药剂加药平台27、二号配药罐搅拌电机及搅拌桨29、第二阀门32、三通33和高压注浆泵进口阀门34，所述耐腐蚀泵10的出口与液碱输送管路12相连通，液碱输送管路12分别与一号配药罐13和二号配药罐23相连通，一号配药罐13上安装有一号配药罐搅拌电机及搅拌桨19，二号配药罐23上安装有二号配药罐搅拌电机及搅拌桨29，三通33的第一端与一号配药罐13之间由管路相连通，三通33与一号配药罐13之间的管路上串接有第一阀门22，一号配药罐13的上部连接有一号配药罐K药剂加药平台17，三通33的第二端与二号配药罐23之间由管路相连通，三通33与二号配药罐23之间的管路上串接有第二阀门32，二号配药罐23的上部连接有二号配药罐K药剂加药平台27，三通33的第三端与高压注浆泵进口阀门34的一端相连通；

所述修复药剂溶液高压注射及压缩空气注射单元包括：高压注浆泵35、高压注浆泵出口阀门37、高压注浆胶管38、空气压缩机入口阀门40、螺杆式空气压缩机41、空压机压力表42、空气压缩机出口阀门43、压缩空气管路44、高压水接头45、旋喷钻机46、动力头47、高压水接头药剂液流进口48、高压水接头空气流进口49、旋喷钻机注浆钻杆自动提升机构50、高压旋喷注浆钻杆51、液流喷射喷嘴54、空气喷射喷嘴56、硬质合金块58和钻头59，所述旋喷钻机46上安装有动力头47，动力头47上分别安装有高压水接头45、高压水接头药剂液流进口48和高压水接头空气流进口49，高压注浆泵35的入口与高压注浆泵进口阀门34的另一端相连通，高压注浆泵35的出口与高压注浆胶管38的一端相连通，高压注浆胶管38的另一端与高压水接头药剂液流进口48相连通，高压注浆泵出口阀门37串接在高压注浆胶管38上，动力头47的下部安装有旋喷钻机注浆钻杆自动提升机构50，高压水接头45的下部安装有高压旋喷注浆钻杆51，螺杆式空气压缩机41的入口端连接有空气压缩机入口阀门40，螺杆式空气压缩机41的出口端与压缩空气管路44的一端相连通，压缩空气管路44的另一端与高压水接头空气流进口49相连通，压缩空气管路44上串接有空气压缩机出口阀门43，空压机压力表42连接在螺杆式空气压缩机41出口端的压缩空气管路44上，高压旋喷注浆钻杆51的下端连接有钻头59，钻头59上设有硬质合金块58，高压旋喷注浆钻杆51的下部设有液流喷射喷嘴54和空气喷射喷嘴56。

所述配药站单元还包括水表11，所述水表11串接在液碱输送管路12上。

所述配药站单元还包括一号配药罐容积刻度标尺20，所述一号配药罐容积刻度标尺20设置在一号配药罐13上。

所述配药站单元还包括二号配药罐容积刻度标尺30，所述二号配药罐容积刻度标尺30设置在二号配药罐23上。

所述修复药剂溶液高压注射及压缩空气注射单元还包括高压注浆泵压力表36，所述高压注浆泵压力表36安装在高压注浆泵35出口的高压注浆胶管38上。

实施例1

以南京某化工厂土壤及地下水修复工程典型深层污染地块(N3-1)为例，土壤及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(单环)。土壤修复深度0～12m，属于深层污染情形(＞5m)，及最大修复深度H2＝12m。

所研究地块水文地质条件为：地下水水位7埋藏浅，埋深65约1m，地下水流向8：大致自南向北。12m深度范围自下而上依次分布有四层土层：杂填土层61(0～2m)、粉质粘土层62(2～3m)、粉细砂层(含水层3～6m))63、粉质粘土层64(6～12m)，根据现场试验获得粉质粘土层的扩散半径为R(约0.9m)。根据该地块含水层的分布规律(3～6m)，修复深度注浆段划分为两段：12～6m为旋喷注射下段、6～0m为旋喷注射上段。根据杂填土分布特点，引孔段52深度设为0～3m，旋喷钻机钻入段53深度为：3～12m。

如图1、图2和图3所示，以所研究的12m深度修复地块为例，活化过硫酸盐(液碱活化)的原位化学氧化高压旋喷注射修复步骤，简述如下：

步骤一：布点、引孔作业：

所研究地块根据土壤污染程度(主要目标污染物对/邻硝基氯化苯)分区：Ⅰ区(轻度污染)1、Ⅱ区(中度污染)2、Ⅲ区(重度污染)3。高压旋喷原位注入点(钻孔)按Ⅰ区原位注入点(钻孔)中心点4、Ⅱ区原位注入点(钻孔)中心点5、Ⅲ区原位注入点(钻孔)中心点6分别编号(代表轻度、中度、重度三种污染区域的情形)，引孔钻机逐排施工，施工无需关注施工顺序。

由于三个分区地层分布具有相同规律，布孔参数一致，L1、L2、L3分别为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区的原位注入孔距(垂直地下水流向)，取值相同，取1.6m；B1、B2、B3分别为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区的原位注入排距(沿地下水流向)，取值相同，取1.4m。

步骤二：修复药剂(氧化剂及活化剂)注射：

单孔注射流程：

按步骤一完成引孔作业的区域分区施工，原位注入过程钻孔编号仍采用步骤一的编号，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个分区的单个分区单套钻机分别采用各自的配药站，逐排施工，按地下水流动方向，由上游向下游逐排施工，有利于修复药剂的扩散，强化原位化学氧化修复效果。

三个区按至少三套配药站设置(分别采用不同配方)，同一分区，配药站采用同一配方；不同分区，配药站采用不同配方(也可相同)，依据各分区主要目标污染物的特征浓度及理论计算的氧化剂(K药剂)投加比，反算设计单孔注浆量(m³/孔)，调整每延米注浆量，调整高压注射钻杆提升速度5～20cm/min。单孔注浆量：由两部分组成，下段(12～6m)的注射和上段(6～0m)的注射，上段需注意距离地面至少0.5m停止注射药剂，下钻0.5m左右复喷至达到设计单孔注浆量的需求。

单孔施工流程为：

(1)配药站连接及药剂配置：1组配药站由一号、二号溶配药罐组成(单罐最大配药3立方米)，罐体设置有一号配药罐搅拌电机及搅拌桨19(二号配药罐搅拌电机及搅拌桨29)、一号配药罐容积刻度标尺20(二号配药罐容积刻度标尺30)；溶配药用水通过自来水进料口18、自来水进料口28添加；液碱进料：液碱(氢氧化钠溶液，吨桶装)9经由耐腐蚀泵10、水表11、液碱输送管路12泵送至一号配药罐液碱进料口14(或二号配药罐液碱进料口24)、一号配药罐13(或二号配药罐液碱进料口24)；固体K药剂加料：一号配药罐K药剂(25kg袋装)15、通过一号配药罐K药剂进料口16、一号配药罐K药剂加药平台17加料；二号加料方式同一号。配制好的溶液出料：一号配药罐K药剂(含液碱)溶液出口不锈钢快速接头21、阀门22依次连接；二号配药罐K药剂(含液碱)溶液出口不锈钢快速接头31、阀门32、三通33依次连接。

(2)原位注入过程：高压旋喷注浆钻杆为三重管结构，单根长度3m，可采用丝扣紧密连接，密封润滑采用黄油，连接四根钻杆及0.5～1.0m长度的钻具，用于12m深度注射。每个分区施工前，首先进行清水试喷，确保管路气密性安全，然后通过第一孔调节提升速度，使得注浆量达到优化设计的注浆量要求。单孔注射完成后，移机前清洗高压注浆泵、注浆管路、钻杆及旋喷钻具。

本实施例的系统可进行单孔连续注射，完成一轮注射后若仍未达到修复目标，需启动第二轮或者第三轮注射，需重新引孔后注射药剂。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本实用新型整体构思下的不同实现方式，而且本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。