阻隔有机污染物挥发的粘土覆层开裂的修补装置及其方法与流程

本发明属于环境岩土工程技术领域，涉及阻隔有机污染物挥发的粘土覆层开裂的修补装置及其方法。

背景技术：

由于我国城市化进程加快，原城市范围内遗留下众多工业场地搬迁遗留的污染场地。统计结果表明，挥发性及半挥发性有机污染物(VOCs/SVOCs)包括石油类污染物、有机氯溶剂，持久性有机污染物(POPs)如多氯联苯、多环芳烃、有机氯农药等是我国城市污染场地土壤中的主要污染物，在污染场地中有机污染物往往在土壤中长期高浓度聚集。

土壤中挥发及半挥发性有机污染物可通过孔隙气体与大气交换迁移到大气，尤其对于污染严重的有机污染场地，污染物聚集在土壤表层，很容易在短时间内形成高浓度释放，污染周围大气环境，导致人身的健康风险。对于此类有机污染场地，一般做法是在场地表面上覆一层0.8～1.0m厚击实粘土层，以形成一道透气性极低的封层，用来封隔有机物与大气的直接接触，进而防止有机物的挥发对大气环境造成污染。对于有机污染场地中的上覆击实垫层，由于长期经受日晒，粘土层会发生开裂，场地中有机物会沿着粘土层裂隙扩散至大气中，进而影响其封隔效果。为了保证粘土上覆层的长期封隔效果，工程上一般会在覆盖粘土层之前在场地中先行铺设一层高密度聚乙烯(文中简称HDPE)膜。然而此种方法存在一个缺点：如若HDPE膜发生破裂，由于上覆土层的存在，无法对破裂处进行修补，有机污染物会沿着破裂口扩散至大气中，进而污染周围大气环境。

技术实现要素：

技术问题：本发明要解决的技术问题是：提供一种阻隔有机污染物挥发的粘土覆层开裂的修补装置及其方法，可以有效阻隔粘土上覆层中有机污染物挥发、迁移，且修补方法操作方便，对于周围环境的影响较小，成本较低。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明实施例采用如下的技术方案：

一方面，本发明实施例提供一种阻隔有机污染物挥发的粘土覆层开裂的修补装置，该装置包括第一加液容器、第二加液容器、第一阀门通水导管、第二阀门通水导管、加压装置、注液池、搅拌叶片、阀门注液导管、注液软通管和开孔注浆管；第一加液容器的出液口通过第一阀门通水导管与注液池的第一进口连接，第二加液容器的出液口通过第二阀门通水导管与注液池的第二进口连接；加压装置固定连接在注液池的顶部，搅拌叶片连接在注液池的内部，注水池的出液口通过阀门注液导管与注液软通管的一端连接，注液软通管的另一端与开孔注浆管的顶部可拆卸连接。

作为优选例，所述的开孔注浆管还包括防塞滤网，防塞滤网固定连接在开孔注浆管的壁面上，且覆盖开孔注浆管的开孔。

作为优选例，所述的阻隔有机污染物挥发的粘土覆层开裂的修补装置，还包括喷雾喷头，使用喷雾喷头时，先卸下开孔注浆管，注液软通管的另一端与喷雾喷头的进液端可拆卸连接。

另一方面，本发明实施例提供一种阻隔有机污染物挥发的粘土覆层开裂的修补方法，该方法包括以下过程：

第一步：将微生物营养液加入第一加液容器中，将盐溶液加入第二加液容器中；

第二步：打开第一阀门通水导管的阀门和第二阀门通水导管的阀门，微生物营养液和盐溶液分别流入注液池中，利用搅拌叶片搅拌溶液，形成微生物混合液，然后关闭第一阀门通水导管的阀门和第二阀门通水导管的阀门；

第三步：调节加压装置，使得注液池内微生物混合液具有一定压强；将开孔注浆管插入粘土层中开口裂缝中；

第四步：打开阀门注液导管的阀门，使得微生物混合液通过注液软通管从开孔注浆管的开孔注入粘土层开口裂缝中。

作为优选例，所述的第二步中，调节第一阀门通水导管的阀门和第二阀门通水导管的阀门大小，使得微生物营养液和盐溶液按设定配比流入注液池；调节搅拌叶片的旋转速度为120r/min。

作为优选例，所述的阻隔有机污染物挥发的粘土覆层开裂的修补方法，还包括第五步：在粘土层开口裂缝注浆结束后，卸下开孔注浆管，在注液软通管出液口安装喷雾喷头，并调节加压装置，使得注液池内微生物混合液的压力达到喷雾要求；利用喷雾喷头在粘土击实层表面喷洒微生物混合液。

作为优选例，所述的第五步中，在粘土击实层表面喷洒微生物混合液，使混合液流入粘土层表层缝隙中，通过微生物的反应进行缝隙的填补，并最终在粘土层表面形成一生物膜薄层。

有益效果：与现有技术相比，本发明实施例可以有效阻隔粘土上覆层中有机污染物挥发、迁移。本发明实施例的阻隔有机污染物挥发的粘土覆层开裂的修补装置及其方法，将微生物混合溶液注入粘土层裂隙中，微生物混合溶液中的反硝化细菌的反硝化作用在粘土层裂隙中产生碳酸钙结晶沉淀，对粘土层裂隙部分进行结晶沉淀填补，使得粘土击实层封隔能力得到提升，进而有机污染物不易扩散至大气中。粘土中天然地含有大量的细菌微生物，本发明实施例采用将反硝化细菌注入土体中的填补方法，不会对土壤进行挖掘和扰动以致污染物在短时间形成高浓度释放，并且它是一种天然的生物化学缝隙填补方法。本发明实施例的修补方法操作便利、施工周期短，对于周围环境的影响较小，效率高，且成本较低。

附图说明

图1是本发明实施例中采用开孔注浆管的结构示意图；

图2是本发明实施例中采用喷雾喷头的结构示意图。

图中有：第一加液容器1、第二加液容器2、第一阀门通水导管3、第二阀门通水导管4、加压装置5、注液池6、搅拌叶片7、阀门注液导管8、注液软通管9、开孔注浆管10、防塞滤网11、喷雾喷头12、粘土击实层13、有机污染土层14、大开口裂缝15、细小裂缝16。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例的技术方案进行详细的说明。

现有的粘土层包括粘土击实层13、有机污染土层14，粘土击实层13位于有机污染土14层上方。同时，粘土击实层13中有大开口裂缝15和细小裂缝16。开孔注浆管10可出入大开口裂缝15中，不能插入细小裂缝16中。粘土层中的有机污染物可以通过大开口裂缝15和细小裂缝16挥发至外界，造成污染。

如图1和图2所示，本发明实施例的一种阻隔有机污染物挥发的粘土覆层开裂的修补装置，包括第一加液容器1、第二加液容器2、第一阀门通水导管3、第二阀门通水导管4、加压装置5、注液池6、搅拌叶片7、阀门注液导管8、注液软通管9和开孔注浆管10。第一加液容器1的出液口通过第一阀门通水导管3与注液池6的第一进口连接，第二加液容器2的出液口通过第二阀门通水导管4与注液池6的第二进口连接；加压装置5固定连接在注液池6的顶部，搅拌叶片7连接在注液池6的内部，注水池6的出液口通过阀门注液导管8与注液软通管9的一端连接，注液软通管9的另一端与开孔注浆管10的顶部可拆卸连接。

作为优选例，所述的开孔注浆管10的上部直径为4～6cm，下部直径为1～2cm，高度为1～1.2m的倒圆台形空心结构体。上粗下细的结构更便于开孔注浆管10插入土层裂缝中。

作为优选例，所述的开孔注浆管10的管壁上设置四层横向孔，每层均匀设置3个孔，相邻两层孔之间的距离为0.2m。这样开孔设计的原因是使得微生物混合液可以均匀注入粘土层孔隙各个深度处，同时开多个孔的目的是避免由于开孔过少使得注入液水流过于集中，对出液口附近粘土产生冲刷作用。

作为优选例，所述的开孔注浆管10还包括防塞滤网11，防塞滤网11固定连接在开孔注浆管10的壁面上，且覆盖开孔注浆管10的开孔。防塞滤网11可以有效防止外界杂物进入开孔注浆管10中，堵塞开孔注浆管10的开孔。

作为优选例，所述的阻隔有机污染物挥发的粘土覆层开裂的修补装置，还包括喷雾喷头12，使用喷雾喷头12时，先卸下开孔注浆管10，注液软通管9的另一端与喷雾喷头12的进液端可拆卸连接。在优选例中，喷雾喷头12和开孔注浆管10择一使用。在不同的场合，采用不同的设备。当土体中的缝隙较大时，采用开孔注浆管10，向较大的缝隙中填充溶液。当土体中的缝隙较小时，采用喷雾喷头12对土体表面进行喷洒，对较小的缝隙填充溶液。

粘土层开口大裂缝填补操作时，先将微生物营养液倒入第一加液容器1，盐溶液倒入第二加液容器2，打开第一阀门通水导管3的阀门和第二阀门通水导管4的阀门，微生物营养液和盐溶液流入注液池6中，打开搅拌叶片7，调节搅拌叶片7的旋转速度可以为120r/min，进行搅拌，然后关闭阀门。调节加压装置5，调节注入浆液的压力为100～200kPa，使得注液池6内达到要求压强。将开孔注浆管10插入粘土层大开口裂缝15处，打开阀门注液导管8的阀门，使得微生物混合液通过注液软通管9从开孔注浆管10的开孔注入粘土层大开口裂缝15处。在粘土层大开口裂缝15注浆结束后，卸下开孔注浆管10，在注液软通管9出液口安装扇形喷雾喷头12，在粘土击实层13表面喷洒微生物混合液，使混合液流入粘土层表层细小裂缝16，通过微生物的反应进行细小裂缝的填补，并最终在粘土层表面形成一道薄层生物膜。完成上述完整注浆操作后，将注浆设备拆除并运离现场。

微生物混合溶液通过可卸开孔注浆管10进入粘土击实层13的裂缝中，与裂缝通道的内壁接触并发生生物化学反应，产生碳酸钙结晶沉降，在土颗粒之间形成搭桥，从而对土体颗粒形成了胶结和孔隙填充的作用。微生物反应机理为：

使用上述实施例的阻隔有机污染物挥发的粘土覆层开裂的修补装置进行修补的方法，包括以下过程：

第一步：将微生物营养液加入第一加液容器1中，将盐溶液加入第二加液容器2中；

第二步：打开第一阀门通水导管3的阀门和第二阀门通水导管4的阀门，微生物营养液和盐溶液分别流入注液池6中，利用搅拌叶片7搅拌溶液，形成微生物混合液，然后关闭第一阀门通水导管3的阀门和第二阀门通水导管4的阀门；

第三步：调节加压装置5，使得注液池6内微生物混合液具有一定压强，例如，使得注液池6内注入浆液的压力达到100～200kPa。这使得注液池6内微生物混合液从注液池6中喷流出去，进入开孔注浆管10中。开孔注浆管10插入粘土层中开口裂缝15中；

第四步：打开阀门注液导管8的阀门，使得微生物混合液通过注液软通管9从开孔注浆管10的开孔注入粘土层开口裂缝15中。

通过上述步骤，对粘土层中开口裂缝15中填充了微生物混合液，使得上覆层有机污染物不易通过开口裂缝15挥发。

上述实施例的修补方法，还包括第五步：在粘土层大开口裂缝15注浆结束后，卸下开孔注浆管10，在注液软通管9出液口安装喷雾喷头12，并调节加压装置5，使得注液池6内微生物混合液的压力达到喷雾要求，例如，使得注液池6内注入浆液的压力达到400～600kPa。利用喷雾喷头12在粘土击实层13表面喷洒微生物混合液。

所述的第五步中，在粘土击实层13表面喷洒微生物混合液，使混合液流入粘土层表层缝隙16中，通过微生物的反应进行缝隙16的填补，并最终在粘土层表面形成一生物膜薄层。这样，整个粘土上覆层的表面形成的生物膜薄层，有效阻隔了有机污染物挥发。

在第二步中，调节第一阀门通水导管3的阀门和第二阀门通水导管4的阀门大小，使得微生物营养液和盐溶液按设定配比流入注液池6；调节搅拌叶片7的旋转速度为120r/min。

作为优选例，所述的第二步和第三步的总完成时间在5分钟之内。控制微生物营养液、盐溶液混合搅拌及加压操作的时间在5分钟之内完成，并立即进行注浆操作，其目的是为防止微生物营养液与盐溶液混合后快速反应生成沉淀堵塞开孔注浆管，影响注浆效果。

在上述实施例中，微生物营养液和盐溶液的体积用量用粘土层12的缝隙体积进行控制，控制在2-4倍的缝隙体积。这样可以精确地控制微生物混合溶液的使用量，进而控制成本。微生物营养液和盐溶液的混合液以水为溶媒并含有反硝化细菌、钙离子、硝酸根离子、有机物和供细菌生长的营养物质。其中，反硝化细菌的浓度为10⁹-10¹⁰个/L，钙离子和硝酸根离子的数量比为0.9-2.2:1，有机物的质量浓度为2-5g/L，供细菌生长的营养物质的质量浓度为5-10g/L，且加固液的PH为7-7.5。微生物营养液中的反硝化细菌为反硝化杆菌、斯氏杆菌或者萤气极毛杆菌。盐溶液中的钙离子和硝酸根离子均来自可溶性钙盐硝酸钙。微生物营养液中的有机物为乙醇、醋酸盐或者葡萄糖。微生物营养液中的供细菌生长的营养物质选自牛肉浸膏3-6g/L、蛋白胨4-8g/L或者5-10g/L酵母膏的一种或几种。

制备微生物营养液和盐溶液：先将反硝化细菌按常规方法培养后备用，然后在每升去离子水中加入6g的乙醇以及4g的牛肉浸膏，溶解均匀，最后将反硝化细菌按照浓度为10⁹-10¹⁰个/L加入制备好的溶液中，得到微生物营养液；然后在每升去离子水中2.4mol的硝酸钙制备盐溶液。微生物营养液和盐溶液的体积用量用粘土层12的缝隙体积进行控制，一般控制在2-4倍的缝隙体积。

反硝化细菌按常规方法培养的常规培养方法为先制备培养基，基础培养基的制作方法为：向1000mL去离子水中加入NaNO₃ 2g，葡萄糖1.2g和KH₂PO₄ 0.5g，然后用碱性缓冲液调节pH在7.0-7.5，温度为25℃。然后进行细菌培养，取1000mL活性污泥和1000mL的培养基加入到5L的培养容器4中，用移液枪加入250mL的菌种。将培养容器放置于磁力搅拌器上，在厌氧条件下，控制温度25℃，pH在7.0-7.5范围内，转速500r/min，进行培养。每2天将活性污泥静置12h后弃去500mL上清液，500mL去离子水，并补加葡萄糖和硝酸钠。

上述实施例，打开阀门，使得注液池6中的混合溶液通过管路从开孔注浆管10注入粘土击实层13大开口裂缝15处，混合溶液在粘土击实层缝隙间快速进行生物化学反应。在开口大裂缝15注浆结束后，关闭出液阀门并将开孔注浆管从粘土层缝隙抽出并卸下，装上扇形喷雾喷头12，在粘土击实层13表面喷洒微生物混合液，使微生物混合液流入粘土层表层细小裂缝，通过微生物的反应进行细小裂缝的填补，并最终在粘土层表面形成一道薄层生物膜。该修补方法能够有效地填补粘土上覆层开裂缝隙，作业方便，对周围环境的影响小，效率高，能够大幅降低有机污染场地上覆粘土层裂隙处理的成本，并提高处理效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。