一种原位水平井土壤修复系统和方法与流程

本发明涉及土壤污染修复领域，尤其涉及一种原位水平井土壤修复系统和方法。

背景技术：

目前，土壤修复技术中，原位注入技术是借用一定的设备将化学药剂注入到地下，通过化学药剂与污染物之间的物理化学作用，降低污染物质的迁移性，使污染物毒性降低或变成无毒性的一种土壤修复方法。这种修复技术具有普适性强、处理效果好，修复时间短的优势，而且可以进行原位修复，受场地地面建筑影响较小，可以和物理、微生物技术联合修复，具有广泛的应用前景。其中，土壤渗透性不均匀和污染分布的空间不均匀成为对原位注入技术修复效果影响较大的两个因素。

原位注入修复方法适用于多孔隙、易渗透的土壤，目前实现原位注入的方法以垂直注入井注入为主，此外还主要有漫灌、直接推进注入、高压旋喷注入等。

但是，现有的原位注入装置、系统或方法存在以下缺陷：

(1)受土壤渗透性不均匀或污染分布不均匀等因素的影响较大；

(2)为了到达目标治理区域，垂直井可能需要穿过其他地层已到达目标治理区域，此时往往因为注射压力导致注入井孔壁或地层之间形变、生成优先通道，造成注入药剂垂向返流或在地层间串流，不能有效进行修复；

(3)化学剂与土壤的接触效率(接触面积、接触时间等)有限；修复效率低；

(4)在土壤治理区域内，为了达到修复治理效果，常常需要设置多个垂直井，经济性较差；

(5)通过垂直井修复治理污染土壤，由于垂直井的设置会影响地表活动，若接近待治理土壤区域的地表上具有底面建筑、河流、公路、铁路、闹市区、农作物和植被保护区等，均不适合采用设置垂直井等治理方法治理。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种可以增大井管与污染层接触面积，经济性好，修复治理效率高的原位水平井土壤修复系统。

本发明的目的之二在于提供一种不影响地表活动，且同时可以增大修复药剂与污染土壤接触效率的原位水平井土壤修复方法。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种原位水平井土壤修复系统，包括水平井和药剂注射装置；所述水平井包括井管和注射管，所述井管内具有注射腔；所述注射管两端分别为注射端和连接端，所述注射端穿入所述井管设于所述注射腔，所述连接端与所述药剂注射装置连接；所述注射腔侧壁设有若干筛缝。

进一步地，所述水平井包括至少一个混合管组，每个所述混合管组至少包括两根所述注射管；所述药剂注射装置为多个，每根所述注射管的连接端均连接一个所述药剂注射装置。

进一步地，所述药剂注射装置包括药剂罐和注射泵，所述注射泵连接所述药剂罐，所述注射泵还连接所述注射管的连接端。

进一步地，所述井管具有多个所述注射腔，所述注射腔两端具有封闭隔板，所述注射管穿过所述封闭隔板穿入所述注射腔。

进一步地，每个所述混合管组的注射管的注射端连接形成混合注射面，不同所述混合管组的所述混合注射面分别设于不同的所述注射腔内。

进一步地，同一所述混合管组内的不同注射管用于注射不同药剂。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

一种原位水平井土壤修复方法，

钻孔步骤：确定待治理土壤区域，选定钻进点，钻进设备由所述钻进点钻入土层，所述钻进设备在所述待治理土壤区域钻进形成安装孔道，所述钻进设备由所述安装孔道另一端钻出土层；

水平井安装步骤：所述安装孔道内设置拉力设备，所述拉力设备伸出所述安装孔道连接水平井井管，所述拉力设备将水平井井管拉入所述安装孔道内；所述水平井井管内具有注射腔，所述注射腔侧壁具有筛缝；

药剂注射步骤：通过药剂注射装置将药剂喷出至所述注射腔，所述药剂由所述注射腔的筛缝渗出所述井管并进入待治理土壤。

进一步地，所述钻孔步骤中，所述钻进设备钻入土层之前需要安装钻头，所述钻进设备钻出土层后，拆卸钻头，并安装扩孔器，扩孔器张开，所述钻进设备往安装孔道方向回拖扩孔器，进行回拖扩孔；

所述水平井安装步骤中，所述钻进设备回拖扩孔后，安装孔道增大，所述拉力设备将所述水平井井管由所述拉力设备拉进安装孔道，井管与安装孔道之间存留钻孔间隙，在钻孔间隙件设置封隔物，再封闭钻入点处孔口或钻出点处孔口。

进一步地，所述药剂注射步骤中，通过不同的注射装置将不同的药剂同时喷射于所述注射腔；不同的药剂在注射腔内完成混合，或不同的药剂在流出筛缝时完成混合，或不同药剂在与土壤接触的同时完成混合。

进一步地，所述药剂注射步骤中，所述水平井井管内设有多个注射腔，每个注射腔内均通过不同注射装置同时喷射不同的药剂。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)可以通过开有筛缝的井管，实现土壤修复药剂与土壤污染介质的接触，从而进行土壤修复；以水平井为注射通道，与污染层接触面积更大，在水平方向上与大量羽状污染物接触，修复治理效率高；

(2)由于水平井与污染层接触面积大，故而治理修复时，受土壤渗透性不均匀或污染分布不均匀时影响的因素较小；

(3)以水平井为注射通道，所需的水平井的数量大大减少，相较于垂直井系统具有更好的经济性；

(4)水平井的安装对地表上的作业干扰最小，一个独立的收集和运移系统可以避免破坏地表活动，可解决垂直井治理方法中不能治理障碍物(如地面建筑、河流、公路、铁路、闹市区、农作物和植被保护区等)下的土壤治理技术难题。

附图说明

图1为本发明的水平井的使用示意图；

图中：10、井管；11、注射管；12、注射腔；121、筛缝。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

如图1所示，本实施例提供了一种原位水平井土壤修复系统，包括用于设置在待治理污染土壤区域内的水平井，和设在地面的药剂注射装置；水平井包括井管10和注射管11，井管10内具有注射腔12；注射管11两端分别为注射端和连接端，注射管11穿入井管10使得注射端位于注射腔12内，注射端具有喷头用于喷射药剂，注射管11的连接端用于与药剂注射装置连接；注射腔12侧壁设有若干筛缝121，修复时，药剂注射装置将药剂从注射管11的注射端喷出，药剂由筛缝121从注射腔12往土壤层渗透，以与土壤内的污染介质反应，实现修复。

具体地，土壤根据其物化生特性的不同，分为多层土层，如砂土层、粘土层、壤土层等，相同的土层具有相似的土壤渗透性，而不同的土层的渗透性不同；通过设置水平井，即可尽量使得水平井所处区域内的土壤为相近土质的土壤，土壤渗透性相近，避免一个井管10需要穿过多种土层，而造成同一井管10周围的土壤渗透性相差较大，以避免注射药剂时，药剂先渗入渗透性较好的土层而无法有效渗入渗透性较差的土层。当然，当土壤存在多层污染时，可根据需要铺设或钻取不同深度的水平井进行修复。且通过设置水平井，可以根据水平井周围的土壤特质，设定不同的喷射压力，比如当污染区域大部分位于渗透性较差的粘土层时，可以通过药剂注射装置提高注射腔12内的压力，或提高药剂注射的速度，使得药剂更容易渗入黏土土壤内。故而，使用水平井进行原位修复时，减小了土壤渗透性不均对药剂渗入治理的影响，可以提高修复效率。

具体地，还由于水平井相较与竖直井与污染土层接触面积更大，在水平方向上与大量的羽状污染物接触，解污治理效率更高；一般单个水平井的治理区域范围为：宽0～10米，深0～16米，长0～200米。

优选地，由于原位修复技术中所需要的药剂往往是两种或多种药剂的共同作用，如原位化学氧化中常用的芬顿试剂，其组成为主体药剂h2o2和活化剂，而现有原位注入施工工艺是将药剂混合之后，通过注射井注入土壤和地下水中，但是主体药剂与活化剂反应的速度非常快，与污染物接触前，修复药性已大打折扣，其修复污染物的效果远低于预期；故而，为了提高需要混合的药剂的修复药性，在水平井内设有至少一个混合管组，每个混合管组至少包括两根注射管11，药剂注射装置为多个，每根注射管11的连接端均连接一个药剂注射装置，即通过不同的药剂通道注入不同的药剂，使得药剂混合的时间延后，避免修复药性的下降，大大提高了修复效果。由同一混合管组的不同注射管11注射的不同药剂，可使药剂在喷流出注射管11后才进行混合，使得两种或多种药剂在与污染体接触的同时进行混合，使得药性最强，修复效果最佳。(由于注射腔12为中空腔，且注射腔12侧壁具有筛缝121，即使不同药剂可能在注射腔12内已经产生部分混合反应，但是药剂会很快由筛缝121流出渗入土壤内，依旧可以保证混合药剂在接触土壤时产生较好的修复效果。)

具体地，为了保证药剂混合后的修复效果，同一混合管组的不同注射管11的注射端(喷头)端口齐平设置。其中，当药剂从不同管道流出以后，影响药剂混合时间的因素为“同一混合管组的不同注射管11的注射端之间的间隔距离”，当间隔距离较短时，药剂流出管道后混合得稍快一些，当间隔距离较远时，药剂流出管道后可能会在渗入土壤后才进行混合，故而可以根据实际情况，参考注射腔12空间大小等因素，确定和设置同一混合管组的不同注射管11的注射端的间隔距离。

优选地，为了更方便地实现药剂的注射，药剂注射装置包括用于储存药剂的药剂罐和用于提供注射压力的注射泵，注射泵连接药剂罐，注射泵还连接注射管11的连接端。

优选地，由于同一污染区域内可能存在具有不同污染程度的小区域(具体小区域的划分可根据测量数据进行分析分区)，故井管10设有多个注射腔12，注射腔12两端具有封闭隔板，注射管11穿过封闭隔板穿入注射腔12，不同的注射腔12可分别对应不同污染程度的小区域，以方便科学调控不同的药剂类型、药剂量、药剂喷设强度等；同时，水平井的分段分腔设计，可针对土壤污染的平面非均质性，针对性地注射不同的修复药剂，还可针对性地注射不同比例的修复药剂，实现平面上不同污染特征的土壤同时修复，可以使得当一个污染区域内存在复合污染，需要不同的药剂组合同时处理时，每个注射腔12用于注射一种药剂组合，这样可以实现利用一个水平井一次注射多种药剂组合。

具体地，不同的注射腔12注射的药剂种类可根据土壤污染特性来选取。

具体地，同一注射腔12内的两种或多种修复药剂的比例可根据实验室结果进行调配。

具体地，水平井井管10由4块隔板将井管10内腔分割形成3个封闭的注射腔12，注射管11为硬管以提高稳定性，6根注射管11的注射端均焊装有喷头，注射管11两两为一组形成混合管组，分别通入三个注射腔12，注射管11与隔板连接处焊接密封，保证3个注射腔12相互封闭，在注射腔12腔壁(即井管10管壁)上设有均匀密致的筛缝121，用于混合药剂的扩散，每根注射管11的连接端分别连接有一根软质连接管，软质连接管另一端与注射泵连接，软质连接管上设有单向阀。

其中，第一，注射管11与注射腔12两端的侧壁(即隔板)之间通过焊接密封，使得药剂注射装置往注射腔12注射药剂时还可以一定程度上增大注射腔12内的压强，使得药剂能够更好更快地从筛缝121中扩散至土壤；第二，注射管11的连接端分别通过软质连接管与药剂注射装置连接，是为了连接管更容易由安装孔道穿出土壤与药剂注射装置连接；第三，在软质连接管上设置单向阀是为了在注射后封闭注射腔12与地面大气连通的通道，使得注射腔12内的气压有利于药剂扩散至土壤中，同时也可在注射时避免当注射腔12内压力过大时药剂回流。

优选地，混合管组的数量与注射腔12的数量相同，每个混合管组的注射管11的注射端连接形成混合注射面，不同混合管组的混合注射面分别设于不同的注射腔12内，同一混合管组内的不同注射管11用于注射不同药剂，不同的混合管组用于在不同的区域(注射腔12)喷射药剂。

具体地，上述的原位水平井土壤修复系统，可根据实际需要设置水平井位置，可通过水平井实现对表层土壤、深层土壤和地下水的污染修复。

本实施例还提供了一种原位水平井土壤修复方法，包括钻孔步骤、水平井安装步骤和药剂注射步骤。

具体地，钻孔步骤：根据检测数据确定待治理土壤区域，选定钻进点，钻进设备选用适当的入土角由钻进点钻入土层，钻进设备在待治理土壤区域钻进形成安装孔道，安装孔道用于安装水平井，钻进设备由安装孔道另一端钻出土层；其中，钻进设备可以选用钻机。

具体地，水平井安装步骤：安装孔道内设置拉力设备，拉力设备伸出安装孔道连接水平井井管10，拉力设备将水平井井管10拉入安装孔道内；水平井井管10内具有注射腔12，注射腔12侧壁具有筛缝121；其中，拉力设备可以选用钻机或卷扬机等，只要把待铺设的水平井拉入安装孔道内即可；而安装孔道为水平安装孔道。

具体地，药剂注射步骤：通过药剂注射装置将药剂喷出至注射腔12，药剂由注射腔12的筛缝121渗出井管10并进入待治理土壤。

通过上述在待治理土壤区域内的水平安装孔道内安装水平井，用于提供水平注射通道，可以避免破坏地表活动，水平井的安装时，在地表上只需增加两个孔口(钻进孔和钻出孔)，对地表占用面积小，对地表上的作业干扰小。而利用垂直井治理方法时，需要在地表上打设多个竖直井道，这样将会大大影响地表作业，且当待治理土壤区域在河流、公路等之下时，竖直井也不便于设置。相比于利用垂直井治理方法，利用原位水平井土壤修复方法进行修复，可解决垂直井治理方法中不能治理障碍物(如地面建筑、河流、公路、铁路、闹市区、农作物和植被保护区等)下的土壤治理技术难题。

优选地，在钻孔步骤中，为了更好地钻出适于水平井安装的安装孔道，钻进设备钻入土层之前需要安装钻头(包括导向钻)，钻进设备钻出土层后，拆卸钻头，并安装扩孔器，扩孔器张开，钻进设备往安装孔道方向回拖扩孔器，进行回拖扩孔，扩孔后的安装孔道更便于水平井安装。

另外，在水平井安装步骤中，钻进设备回拖扩孔后，安装孔道增大，拉力设备将水平井井管10由拉力设备拉进安装孔道，井管10与安装孔道之间存留钻孔间隙，为了避免细小土壤颗粒进入井管10从而堵塞井管10筛缝121，在钻孔间隙件设置封隔物以在井管10外周壁形成过滤层。其中，封隔物可以选择石英砂等粒径适中的物质，使得既可以避免筛缝121堵塞，也具有较好的渗透性，不会影响药剂渗入待治理土壤。

当然，在水平井安装步骤中，为了进一步避免筛缝121堵塞，为了降低细小颗粒的土壤或杂物进入筛缝121中影响修复效果，在井管10外包裹尼龙网布，包裹住筛缝121，使得药剂可以渗出但杂物不可堵塞筛缝121。

具体地，在水平井安装步骤中，水平井安装在安装孔道后，要再封闭钻入点处孔口或钻出点处孔口，以保证水平井只通过一端孔口以与地面的药剂注射装置连接，使得可以方便通过封闭装置(如软质连接管上的单向阀)对注射腔12进行封闭，保证注射腔12的压强大于土壤内气相压强，以保证药剂的渗透效率。

优选地，在水平井安装至安装孔道后，在封闭孔口前，需要用高速清水射流或空气对水平井进行冲洗，避免水平井井管10表面的筛缝121被堵塞。

优选地，药剂注射步骤中，为了实现分管进药，以保持了最佳修复药性，需要通过不同的注射装置将不同的药剂同时喷射于注射腔12；不同的药剂在注射腔12内完成混合，或不同的药剂在流出筛缝121时完成混合，或不同药剂在与土壤接触的同时完成混合，保证多种互相反应的药剂在地下混合，减少药剂与污染体接触前的相互反应消耗，改善原位修复效果。

优选地，为了实现可针对土壤污染的平面非均质性，针对性地注射不同的修复药剂，实现平面上不同污染特征的土壤同时修复，药剂注射步骤中，水平井井管10内设有多个注射腔12，每个注射腔12内均通过不同注射装置同时喷射不同的药剂。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。