一种饱和土壤及地下水浅层搅拌精细化分区原位修复方法与流程

本发明涉及一种饱和土壤及地下水浅层搅拌精细化分区原位修复方法，属于土壤及地下水原位修复方法技术领域。

背景技术：

土壤及地下水中的挥发性/半挥发性的有机污染、重金属污染是我国工业污染场地的主要污染形式。浅层污染土壤及地下水的有机污染普遍存在，异位修复技术由于开挖和运输容易造成二次污染，因此，原位修复技术逐步得到重视，并成为研究的热点。

原位化学氧化(insituchemicaloxidation，isco)、原位化学还原(insituchemicalreduction，iscr)、原位微生物修复工程技术目前国内逐步应用于土壤及地下水修复工程。

基于反应条件、饱和溶解度及安全因素考虑，修复药剂必须以稀溶液(低浓度)添加的情形，一般分为单液体系(如液碱活化过硫酸盐的混合溶液体系，国内已经有大规模应用；高锰酸钾溶液体系，国内中试阶段)、双液体系(代表性为芬顿试剂，双氧水氧化剂溶液及二价铁催化剂溶液，分别添加，国内已有工程应用)。其中，双液体系由于两种不同性质的修复药剂需要在地面单独配制，同时或先后添加/注入到目标修复层位置，双液药剂与污染物在地下原位混合和反应，以达到良好修复效果的同时保证安全。尤其是饱和层的药剂添加次数、搅拌或注射施工次数、药剂反应周期、可注性问题，直接关系到修复工程的工期目标是否达成。

现有修复药剂原位投加主要有两种方式：搅拌和注入/注射，其中，原位搅拌分为浅层搅拌和深层搅拌，原位注入/注射分为：钻头直压式高压注射、建井注入、深层搅拌高压旋喷注射以及其他岩土注浆技术等。

专利号为zl201410387735.4(申请公布号cn104174643a、申请公布日2014年12月3日)的中国发明专利公开了“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”的中国发明专利中，提到一种建井注射原位化学氧化修复技术，药剂注入方式为单液体系间歇式注入。

申请号为201610461742.3(申请公布号cn105964677a、申请公布日2016年9月28日)的“一种土壤及地下水原位化学氧化高压注射优化修复方法”发明专利申请，提到了高压旋喷注射的可注性参数，即高压注射条件下，因地下水流动而获得激活孔隙体积(移动孔隙率)，为单轮注射单孔注浆量的设计提供了设计理论依据。由于浅层机械搅拌和高压旋喷注射机理的差异，高压旋喷注射条件下的可注性参数经验参数，并不适合浅层搅拌涉及地层及操作条件。

申请号为201510156600.1(申请公布号cn104741373a、申请公布日2015年7月1日)的“一种铬污染土壤的分层修复方法”中国发明专利申请，提到了一种重金属(六价铬)的分层修复方法，适合修复深度大且垂直深度地层剖面和污染物分布有规律的情形。同时，该发明提到的药剂注射过程，并未考虑药剂投加比受可注性限制的影响。而对于浅层污染，修复厚度较小，污染物分布主要在水平面范围内差异较大，因此，精细化平面分区对于污染分布差异大的地块具有实际意义。

专利号为zl201210483696.9(申请公布号cn102999927a、申请公布日2013年3月27日)的“一种土壤污染物含量空间分布的精细分区方法”中国发明专利，提到一种土壤污染物浓度的空间精细分区算法，用于污染物浓度的空间精细化分区，该发明主要适用于土壤、生态、水文等领域的污染物含量分布的数字地图制作，对于污染场地浅层搅拌施工缺乏实际指导意义。

以上修复技术或专利技术应用过程需要一系列的原位修复系统和工艺方法，实现修复药剂的投加的优化。

技术实现要素：

本发明的目的是针对目前国内污染场地浅层饱和污染土壤及地下水的有机污染或重金属污染具有均质性差、污染分布极不均匀等特点，应用原位化学氧化、原位化学还原、原位微生物修复、原位固化稳定化等修复技术的情形下，具体采用浅层搅拌工艺施工中存在以单液或双液体系的药剂投加的精准修复和优化设计问题以及施工次数、施工周期难以确定等难题，浅层搅拌施工次数设计不合理造成单次药剂投加比过大引起返浆、药剂浪费等问题。进而提供一种饱和土壤及地下水浅层搅拌精细化分区原位修复方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种饱和土壤及地下水浅层搅拌精细化分区原位修复方法，包括以下步骤：

步骤一、场地平整、测量放线、表层破碎、设置围堰

土壤/地下水地块进行场地平整后，按照精细化浓度分区要求测量放线，各搅拌分区依次编号。待搅拌区域破除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。

步骤二、精细化浓度分区

对要修复的土壤/地下水地块进行网格化划分，整个修复地块网格化后分为标准网格及非标准网格，并按下式计算网格系数ɑ，

α＝ai/a0(1)

其中，ai——网格化后任一单元网格的面积，m²；a0——标准单元网格面积，m²，优选a0为25m²；ɑ——网格系数，任一单元网格面积占标准网格面积的比例，取值为0＜ɑ≤1，标准网格ɑ＝1，无量纲，网格系数的功能在于定量和控制非标准单元网格的药剂用量。

根据所在地块原场地调查及补充调查数据，结合主要目标污染的修复目标及超标情况，划分污染地块为两级浓度分区：

a)轻度污染分区：5m×5m网格与所在轻度修复区域面积重叠后形成标准型单元网格(a0)和非标准型单元网格(＜a0)，其中a0为标准单元网格面积，轻度分区总修复面积a1按下式计算，

x＝a1/a0(3)

其中，a1——轻度分区总修复面积，m²；n1——轻度污染分区的单元网格总数，个；x——轻度污染分区的等效标准单元网格总数，个。

b)重度污染分区：5m×5m网格与所在重度修复区域面积重叠后形成标准型单元网格(a0)和非标准型单元网格(＜a0)，其中a0为标准单元网格面积，重度分区总修复面积a2按下式计算，

y＝a2/a0(5)

其中，a2——重度分区总修复面积，m²；n2——重度污染分区的单元网格总数，个；y——重度污染分区的等效标准单元网格总数，个。

因此，所研究修复地块修复面积按下式计算，

n＝n1+n2(7)

z＝x+y(8)

其中，a——地块的修复面积，m²；n——地块的单元网格总数，个；z——修复地块的等效标准单元网格总数，个。

步骤三、各浓度分区原位浅层搅拌的注药参数及可注性参数确定

浅层搅拌注药参数为：

(1)轻度污染分区：

双液体系：药剂配方1，注药量参数v1，v2；

其中，v1为主要修复药剂，如氧化剂、还原剂、微生物制剂、生物化学还原药剂中的一种，需配置溶液或浆液方可投加土壤及地下水中，每延米标准单元网格药剂溶液用量(这里单元网格类似钻孔功能)，单位：l/m；v2为副修复药剂，如活化剂/催化剂/缓释剂、营养盐等药剂中的一种或几种的组合，需配置溶液或浆液方可投加土壤及地下水中，每延米标准单元网格药剂溶液用量(这里单元网格类似钻孔功能)。

单液体系：药剂配方1，注药量参数v1，v2＝0。

(2)重度度污染分区：

双液体系：药剂配方2，注药量参数v3，v4；

其中，v3为主要修复药剂，如氧化剂、还原剂、微生物制剂、生物化学还原药剂中的一种，需配置溶液或浆液方可投加土壤及地下水中，每延米标准单元网格药剂溶液用量(这里单元网格类似钻孔功能)，单位：l/m；v4为副修复药剂，如活化剂/催化剂/缓释剂、营养盐等药剂中的一种或几种的组合，需配置溶液或浆液方可投加土壤及地下水中，每延米标准单元网格药剂溶液用量(这里单元网格类似钻孔功能)。

单液体系：药剂配方2，注药量参数v3，v4＝0。

药剂配方1与v1、v2关联，药剂配方2与v3、v4关联，配制综合考虑污染分区设计单次搅拌药剂投加比、固体药剂最大溶解度、液体药剂最大安全浓度、最大注药量参数，其中最大注药量vmax(指注入所配制的药剂溶液总量)为最关键参数之一。

浅层搅拌注药量vmax由下式确定：

vmax＝a0*1*θ*β*1000(9)

其中，vmax——修复标准单元网格单位厚度(1m)区块的最大注药量，l/m；θ——浅层(0～4m)总孔隙率，无量纲，一般取值0.25～0.45；β——浅层搅拌可注性参数，无量纲，该参数代表浅层搅拌过程由于机械扰动破坏粉土、粘土等土质结构导致地下水移动，提高了可注入的性能，该参数为单轮搅拌单元搅拌区块注药量的设计提供了设计理论依据；

所述浅层搅拌可注性参数β具体取值见下表：

表1浅层搅拌可注性参数应用取值范围

步骤四、可注性参数判断法确定各浓度分区浅层搅拌施工次数

可注性参数判断法为通过判断(v1+v2)或(v3+v4)与vmax比较，来确定单轮搅拌总注药量是否合理，具体为：

a)若(v1+v2)或(v3+v4)≤vmax，则原位浅层搅拌次数n＝1，即按设计药剂投加比、配方及配比参数所确定的注药量通过1轮搅拌可完成；

b)若(v1+v2)或(v3+v4)＞vmax，则原位浅层搅拌次数n≥2(取整数)，即按设计药剂投加比、配方及配比参数所确定的注药量1轮搅拌已超出负荷，通过两轮及以上施工满足修复需求。

由于0＜ɑ≤1，则只需比较标准单元网格区块的(v1+v2)或(v3+v4)与vmax即可。

搅拌施工次数(轮)按下式计算，

a)轻度分区搅拌次数：

n＝(v1+v2)/vmax(取整数)(10)

b)重度分区搅拌次数：

n＝(v3+v4)/vmax(取整数)(11)

步骤五、各浓度分区主修复药剂投加比参数计算

a)轻度分区主修复药剂投加比参数按下式计算：

c1％＝100*(v1*x*h*d1％)/(1000*a1*h*ρ)(12)

简化为，

c1％＝100*(v1*x*d1％)/(1000*a1*ρ)(13)

式中，修复药剂注入浓度d1％；土壤密度ρ，取1.6～1.8t/m³；h——修复厚度，m；v1——轻度分区标准单元网格每延米主修复药剂的注药量，l/m。

b)重度分区主修复药剂投加比参数按下式计算：

c2％＝100*(v3*y*h*d2％)/(1000*a2*h*ρ)(14)

简化为，

c2％＝100*(v3*y*d2％)/(1000*a2*ρ)(15)

式中，修复药剂注入浓度d2％；土壤密度ρ，取1.6～1.8t/m³；h——修复厚度，m；y——重度分区等效单元网格数量，个；v3——轻度分区标准单元网格每延米主修复药剂的注入，l/m。

各浓度分区的主修复药剂的投加比参数依据浅层搅拌可注性、主要目标污染物代表浓度～修复药剂的反应方程式理论计算、考虑土壤消耗药剂用量、修复药剂最大溶解度、最大安全浓度等因素，并结合小试、中试数据及经验，反算。

c)所研究整个修复地块主修复药剂综合药剂投加比参数按下式计算：

步骤六、各浓度分区浅层搅拌施工

(1)完成步骤二所述精细化浓度分区后，将所有施工搅拌区块统一编号，轻度分区浅层搅拌各区块编号依次为：1～n1，重度分区编号依次为：n1+1～n。

(2)完成浅层搅拌机械设备组装及配药站组装后，依据投入机械搅拌日处理浅层搅拌区块作业能力，并结合单个标准网格区块修复理论用量(实际配制过程可考虑安全因子)估算当天药剂用量，尽量做到现用现配。

单个区块浅层搅拌每延米厚度药剂用量：

a)标准网格：轻度(配方1，v1，v2)；重度(配方2，v3，v4)；

b)非标准网格：轻度(配方1，ɑ*v1，ɑ*v2)；重度(配方2，ɑ*v3，ɑ*v4)。

步骤七、表层固化→药剂反应及监测→自检及验收

完成一轮或多轮浅层搅拌作业后2～4h进行固化施工，处理深度范围0～1.5m，根据所采用的修复药剂的反应周期，定期进行地下水监测，达到充分反应条件后可采集土壤及地下水样品，进行自检及验收。主修复药剂与土壤及地下水中充分反应所需周期以及步骤四所确定的各浓度分区的浅层搅拌施工次数，综合确定了浅层搅拌修复工艺的施工工期。后期地下水的监测作用在于优化和调整修复药剂配方及投加参数。

步骤一中，所述围堰高度为0.5m～0.8m。

步骤二中，所述网格化划分的面积为5m×5m，单个5m×5m的网格为一个标准单元网格。

步骤二中，所述两级浓度划分方法，根据场地水文地质复杂程度、污染复杂程度，进一步在平面范围内细化浓度分区。

步骤七中，固化施工后，表层达到机械采样条件前，周边警戒带标识，以保证人员安全。

本发明的有益效果：

一、浅层搅拌原位修复方法涉及的浅层土壤及地下水与深层的水文地质条件及污染状况有明显的差异，本发明提出的平面精细化分区按轻度、重度两级划分适合于大多数污染场地浅层污染情形，核心在于平面空间的分区，垂直空间不做优化分区，根据浓度分布特点和规律，解决isco/iscr或微生物修复的药剂精准定位问题，工程可操作性强。

二、本发明精细化分区所采用的优选5m×5m网格，一方面考虑药剂添加参数的计算简化，便于实际操作；另一方面考虑了浅层搅拌机械作业最大施工半径。同时，引入网格系数，便于非标准单元网格区块施工的药剂用量计量。

三、本发明提出的浅层搅拌可注性参数判断法，主要针对浅层搅拌过程以液基形式添加修复药剂的单液、双液体系的情形，可解决饱和层土壤及地下水的单轮搅拌最大注药量及施工搅拌次数等工程问题，可作为土壤及地下水原位浅层搅拌工艺工程实践的理论指导和参考，对于合理安排浅层搅拌原位修复工期具有现实意义。

四、本发明将浅层搅拌双液体系的注药参数简化为每延米单位网格主修复药剂用量、每延米单位网格副修复药剂用量，可快速估算原位浅层搅拌最大注药量与浅层搅拌施工次数。

五、按浓度分区优化设计降低了整个地块的修复药剂投加比，从而提高了修复工程的经济性。

附图说明

图1为本发明饱和土壤及地下水浅层搅拌精细化分区原位修复方法的流程图。

图2为实施例1的某地块(n8地块)原位化学氧化浅层搅拌浓度分区示意图。

图3为实施例1的某地块(n8地块)原位化学氧化浅层搅拌土壤修复效果对比图。

附图2中的附图标记：1为轻度污染区非标准单元网格，2为重度污染区非标准单元网格，3为重度污染区标准单元网格，4为轻度污染区标准单元网格，5为标准单元网格，6为某土壤/地下水地块修复边界(n8地块)，7为重度污染边界。

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。

如图1～图3所示，本实施例所涉及的一种饱和土壤及地下水浅层搅拌精细化分区原位修复方法，包括以下步骤：

步骤一：场地平整→测量放线→表层破碎、设置围堰

步骤二：精细化浓度分区

对所研究土壤/地下水地块进行网格化划分，优选5m×5m网格，单个5m×5m网格为1个标准单元网格。整个修复地块网格化后分为标准网格及非标准网格，并按下式计算网格系数ɑ，

α＝ai/a0(1)

其中，ai——网格化后任一单元网格的面积，m²；a0——标准单元网格面积，m²，优选a0为25m²；ɑ——网格系数，任一单元网格面积占标准网格面积的比例，取值为0＜ɑ≤1，标准网格ɑ＝1，无量纲，网格系数的功能在于定量和控制非标准单元网格的药剂用量。

根据所在地块原场地调查及补充调查数据，结合主要目标污染的修复目标及超标情况，划分污染地块为两级浓度分区：

a)轻度污染分区：5m×5m网格与所在轻度修复区域面积重叠后形成标准型单元网格(a0)和非标准型单元网格(＜a0)，其中a0为标准单元网格面积，优选25m²；

b)重度污染分区：5m×5m网格与所在重度修复区域面积重叠后形成标准型单元网格(a0)和非标准型单元网格(＜a0)，其中a0为标准单元网格面积，优选25m²。

步骤三：各浓度分区原位浅层搅拌的注药参数及可注性参数确定

本实施例浅层搅拌注药参数为：

(1)轻度污染分区：

双液体系：药剂配方1(过氧化氢与催化剂+缓释剂+ph调节剂之间的配比)，注药量参数v1，v2；

其中，v1为主要修复药剂(氧化剂——过氧化氢)需配置溶液后每延米标准单元网格药剂溶液用量，单位：l/m；v2为副修复药剂，催化剂+缓释剂+ph调节剂需配置溶液后每延米标准单元网格药剂溶液用量。

(2)重度污染分区：

双液体系：药剂配方2(过氧化氢与催化剂+缓释剂+ph调节剂之间的配比)，注药量参数v3，v4；

其中，v3为主要修复药剂(氧化剂——过氧化氢)需配置溶液后每延米标准单元网格药剂溶液用量，单位：l/m；v4为副修复药剂，催化剂+缓释剂+ph调节剂需配置溶液后每延米标准单元网格药剂溶液用量。

本实施例浅层搅拌最大注药量vmax由下式确定：

vmax＝a0*1*θ*β*1000(2)

步骤四：可注性参数判断法确定各浓度分区浅层搅拌施工次数

可注性参数判断法为通过判断(v1+v2)或(v3+v4)与vmax比较，来确定单轮搅拌总注药量是否合理，具体为：

a)若(v1+v2)或(v3+v4)≤vmax，则原位浅层搅拌次数n＝1，即按设计药剂投加比、配方及配比参数所确定的注药量通过1轮搅拌可完成；

b)若(v1+v2)或(v3+v4)＞vmax，则原位浅层搅拌次数n≥2(取整数)，即按设计药剂投加比、配方及配比参数所确定的注药量1轮搅拌已超出负荷，通过两轮及以上施工可满足修复需求。

搅拌施工次数(轮)按下式计算，

a)轻度分区搅拌次数：

n＝(v1+v2)/vmax(取整数)(3)

b)重度分区搅拌次数：

n＝(v3+v4)/vmax(取整数)(4)

步骤五：各浓度分区主修复药剂投加比参数计算

a)轻度分区主修复药剂(氧化剂——纯过氧化氢)投加比参数按下式计算：

c1％＝100*(v1*x*h*d1％)/(1000*a1*h*ρ)(5)

简化为，

c1％＝100*(v1*x*d1％)/(1000*a1*ρ)(6)

式中，修复药剂原液浓度d0％，双氧水原液一般优选35％，修复药剂注入浓度d1％，优选最大安全浓度10％～15％；土壤密度ρ，取1.6～1.8t/m³，实施例1中取1.6t/m³；h——修复厚度，m；v1——轻度分区标准单元网格每延米主修复药剂的注药量，l/m。

b)重度分区主修复药剂(氧化剂——纯过氧化氢)投加比参数按下式计算：

c2％＝100*(v3*y*h*d2％)/(1000*a2*h*ρ)(7)

简化为，

c2％＝100*(v3*y*d2％)/(1000*a2*ρ)(8)

式中，修复药剂注入浓度d2％；土壤密度ρ，取1.6～1.8t/m³，实施例1中取1.6t/m³；h——修复厚度，m；y——重度分区等效单元网格数量，个；v3——轻度分区标准单元网格每延米主修复药剂的注入，l/m。

c)所研究整个修复地块主修复药剂(氧化剂——纯过氧化氢)综合药剂投加比参数按下式计算：

步骤六：各浓度分区浅层搅拌施工

单个区块浅层搅拌每延米厚度药剂用量：

a)标准网格：轻度(配方1，v1，v2)；重度(配方2，v3，v4)；

b)非标准网格：轻度(配方1，ɑ*v1，ɑ*v2)；重度(配方2，ɑ*v3，ɑ*v4)。

步骤七：表层固化→药剂反应及监测→自检及验收

完成1轮或多轮浅层搅拌作业后进行0～1.5m深度的表层固化施工。原位化学氧化双液浅层搅拌施工，一轮搅拌的药剂反应周期为1～2周，定期进行地下水监测、土壤及地下水的自检与验收。

实施例1

本实施例为有机污染土壤/地下水修复工程中原位化学氧化技术应用浅层搅拌原位修复工艺采用双液体系药剂投加的情形，本实施例中没有特别说明的操作，参照发明内容中已经给出的方法进行，在此不再赘述。

本实施例具体如下所述：

以南京某化工厂土壤及地下水修复工程项目为例，该项目土壤修复工程量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，主要分布有①杂填土及②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，其中浅层搅拌工艺越87％采用了双液体系。

以n8地块为例，修复深度为0～3m，修复面积(地下水修复工程量)1519m²，修复方量4557m³，土壤中目标污染物为苯、氯苯，地下水中主要目标污染物为苯。按公式(1)～(9)，其可注性参数确定及浅层搅拌施工次数关键参数的确定详见表2～表4。

表2浅层搅拌可注性参数(n8地块)

注：0～3m总孔隙度取值为0.3。

表3n8地块轻度分区浅层搅拌施工次数计算

注：氧化剂c药剂为双氧水(过氧化氢)，d1％取值12.59％，即双氧水的投加稀释浓度；土壤密度取1.6t/m³。

表4n8地块重度分区浅层搅拌施工次数计算

注：氧化剂c药剂为双氧水(过氧化氢)，d2％取值13.84％，即双氧水的投加稀释浓度；土壤密度取1.6t/m³。

按公式(9)，可获得本实施例n8地块的c药剂(过氧化氢)的综合投加比为1.13％，远低于重度分区的投加比1.73％，显然，优化分区达到修复目标的同时，也提高了经济性。

实施例2

本实施例对实施例1中针对土壤及地下水中的目标污染物苯的原位化学氧化浅层搅拌精细化分区原位修复方法的修复效果进行评价。

1、土壤修复效果评价：

实施例1中n8地块的土壤修复效果如图3所示，轻度污染原位化学氧化浅层搅拌进行了1轮搅拌，修复后苯达标；重度污染原位化学氧化浅层搅拌进行了2轮搅拌，修复后苯达标。

2、地下水修复效果评价

实施例1中n8地块的地下水修复效果见下表。

表5n8地块原位化学氧化浅层搅拌地下水修复效果对比

注：浅层地下水均为轻度污染。

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。