巖土施工技術應用于污染場地修復中的問題及研究

宋剛練

（1. 上海市地礦工程勘察院，上海 200072；2. 上海市地礦建設有限責任公司，上海 200436）

近年來，隨著我國工農業生產和經濟建設的迅猛發展，產生了大量的污染場地，對社會、經濟發展和生態環境有著無法估量的影響。因此，污染土壤及地下水修復技術的研究備受關注。目前，污染場地的修復可分為異位修復和原位修復兩種[1]。其中，原位修復是在污染場地上直接進行處理，與異位修復比較，具有施工簡單、成本較低、對周邊環境擾動小等優點，受到了廣泛的應用[2-3]。

在原位修復技術應用中，藥劑注入的效率及注入后藥劑與污染土壤的混合程度是影響原位修復工期和效果的重要因素。傳統的施工方法不能很好地將溶劑注入污染場地的準確位置，特別是對深度較深，面積較大的污染場地修復，修復周期長、投資大，修復效率低。巖土施工技術（深層攪拌[4]、高壓旋噴[5]）應用于污染場地原位化學修復中，能夠實現污染土壤和修復藥劑的快速、高效、均勻混合（特別是深層污染土壤），并保證了污染土壤中污染物的高效去除。唐小龍等探究了直壓注射法、注射井法、高壓—旋噴注射法等藥劑投加與分散技術的適用性，控制參數及優缺點等，其中高壓—旋噴法在工程實踐中表現出了良好的修復效果[6]。邵樂等將原位還原穩定化—高壓旋噴注射修復技術成功應用于某鉻鹽廠中試，修復效果明顯[7]，適應于類似污染場地的土壤修復項目，但修復后土體強度受到破壞，嚴重制約了該技術的推廣和應用。高駿采用高壓旋噴注漿法和深層攪拌法對南京燕子磯老工業區有機物污染土壤進行了修復，效果好、工期短、投資低[8]，值得應用推廣，但修復后場地承載力不足的問題沒能得到解決。

基于以上背景，本研究針對巖土施工技術在污染場地修復中存在的問題進行了深入的分析和探究，通過在修復藥劑中投加適量的固化劑，克服巖土施工設備對污染場地修復后地基承載力不足的缺點。從而提升巖土施工技術在上海地區低滲透性土層的污染場地中的應用前景，也為上海地區原位修復工程的實施提供技術和經驗借鑒。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試土壤樣品取自上海市某有機污染場地，該污染場地主要以苯、氯苯、1,4-二氯苯等芳香烴污染為主。采集深度為50～100cm，采集的土壤樣品除去其中的石子等建筑垃圾后密封帶回實驗室以備使用。

實驗藥劑：選用國內市場常用氧化劑過硫酸鈉（Na2S2O8，AR），蒸餾水自制。固化劑為普通的硅酸鹽水泥（P.O42.5）。

1.2 實驗方案

高壓旋噴和深層攪拌設備在污染場地進行原位注入修復藥劑時，通過形成高壓噴射流沖擊破壞土層或利用攪拌鉆頭的強制攪拌作用實現修復藥劑與污染土壤的充分混合，與此同時土體的原始結構受到了嚴重的破壞，并且修復藥劑是以一定比例的溶液注入，使得污染場地在達到修復目標的同時，修復后的土體呈漿糊狀承載力極低，導致后續的施工機械無法進入，對于場地的再開發利用帶來了極大的困難。因此，本節中通過在修復藥劑中添加一定比例的固化劑（水泥），保證在對污染土壤進行修復的同時，提高修復后土體的承載力，滿足后期施工的需求，并探究了固化劑（水泥）對污染場地修復效果的影響。

分別稱取200g污染土樣，投加不同比例的過硫酸鈉及水泥，待攪拌均勻后，養護一周送樣對污染土壤中有機污染物的濃度進行檢測。方案一為按照1%比例添加過硫酸鈉的土樣，共設2個分組；方案二為按照3%比例添加過硫酸鈉的土樣，共設5個分組；方案三為按照5%比例添加過硫酸鈉的土樣，共設2個分組；方案四為按照7%比例添加過硫酸鈉的土樣，共設2個分組，方案五為按照9%比例添加過硫酸鈉的土樣，共設2個分組。具體樣品分組見表1。

表1 固化劑對過硫酸鈉氧化效果影響參數設置Table 1 Effect of curing agent on the oxidation effect of sodium persulfate

2 結果與討論

2.1 固化劑（水泥）對過硫酸鈉氧化性能的影響

本節通過小試實驗研究了固化劑（水泥）的投加對修復藥劑修復效果的影響，其中不同投加量的過硫酸鈉對氯苯降解率的具體變化如圖1所示。

從圖1中可以看出，隨著氧化劑過硫酸鈉的濃度不斷增加，其對污染土壤中氯苯的降解率也不斷地增加，當過硫酸鈉的投加量在7%左右時，氧化劑對氯苯的降解率能夠達到90%以上。并且隨著氧化劑投加量的繼續增加，氯苯的降解率沒有明顯的變化，因此在考慮成本的情況下，7%的氧化劑投加量比較合適。

并且從圖1中還可以看出，在氧化劑投加量相同時，投加固化劑（水泥）的氧化劑對氯苯的降解率曲線始終高于單一氧化劑對氯苯的降解率曲線，說明固化劑（水泥）的加入，在一定程度上促進了氧化劑對氯苯的降解，原因可能是由于固化劑（水泥）偏堿性，過硫酸鈉最佳的反應環境為弱堿性，而在過硫酸鈉氧化有機物的過程中會產生H+，使溶液的pH值變小，固化劑（水泥）的加入適當地彌補了過硫酸鈉的分解使溶液pH的下降，有利于過硫酸鈉發揮更有效的氧化作用。同時固化劑（水泥）在與氧化藥劑混合的過程中，能夠放出一部分熱量，相當于在氧化劑降解氯苯的過程中起到了熱激活的作用，從而也能提高過硫酸鈉對氯苯的降解效果。

圖1 不同氧化劑投加量對氯苯降解率的影響Fig.1 Effect of different oxidant dosages on the degradation rate of chlorobenzene

從圖2中可以看出，隨著氧化劑過硫酸鈉的濃度不斷增加，其對污染土壤中氯苯的降解率也不斷地增加。并且從圖2中還可以看出，在氧化劑投加量相同時，投加固化劑（水泥）的氧化劑對1,4-二氯苯的降解率曲線始終高于單一氧化劑對1,4-二氯苯的降解率曲線，說明固化劑（水泥）的加入，在一定程度上促進了氧化劑對1,4-二氯苯的降解。原因可能為P.O42.5型硅酸鹽水泥偏堿性，一定程度上可以作為過硫酸鈉的堿激活劑，在其作用下過硫酸鈉活化分解成具有強氧化性的硫酸根自由基（SO42-）。該硫酸根自由基氧化還原電位（E）可達到+2.6V，遠超過硫酸鈉在沒有活化劑參與情況下的2.1V氧化還原電位，故對1,4-二氯苯等有機污染的降解效果更明顯。

圖2 不同氧化劑投加量對1,4-二氯苯降解率的影響Fig.2 Effect of different oxidant dosages on the degradation rate of 1,4-dichlorobenzene

2.2 不同投加量的氧化劑對污染物氧化效果的評估

本節通過小試實驗研究了不同投加量的氧化劑對苯降解率的影響。從圖3可以看出，隨著氧化劑過硫酸鈉的濃度不斷增加，其對污染土壤中苯的降解率也不斷地增加。并且，在氧化劑投加量相同時，投加固化劑（水泥）的氧化劑對苯的降解率曲線始終高于單一氧化劑對苯的降解率曲線，說明固化劑（水泥）的加入，在一定程度上促進了氧化劑對苯的降解。同時，本污染場地中對苯的修復目標值為0.9mg/kg，圖3也顯示，單一的過硫酸鈉和添加水泥的過硫酸鈉對苯的降解效果均達到了修復目標值的要求。

2.3 不同投加量的固化劑（水泥）對污染物氧化效果的影響

從圖4中可以看出，隨著過硫酸鈉中水泥添加比例的逐漸上升，污染土壤中氯苯、1,4-二氯苯等有機污染物濃度也在不斷下降，其趨勢主要分3個區間段：先快速下降、再緩慢下降、最后趨于平緩。其中上述污染物濃度在0～3%水泥區間段的下降趨勢異常顯著，在3%～6%水泥區間段的下降趨勢較為適中，而最后在6%～13%水泥區間段的下降趨勢則慢慢趨于平緩，說明當固化劑濃度高于6%時，其對污染物的去除效果影響不大。

圖3 不同比例氧化劑投加量對苯降解率的影響Fig.3 Effect of different proportions of oxidant dosage on the degradation of benzene

圖4 不同比例水泥對污染物降解效果的影響Fig.4 Effect of different proportions of cement on the degradation of pollutants

通過參照袁寶 等對水泥土無側限抗壓強度試驗的研究[9]可以看出，隨水泥摻量增大，水泥土無側限抗壓強度增大，水泥摻量由2%增大到10%，水泥土無側限抗壓強度值由676kPa 增大到1514kPa。這主要是由于隨水泥摻量增加，水泥水化作用和火山灰反應產物對土體的填充和擠密作用加強，從而提高了水泥土的無側限抗壓強度。本研究中水泥摻量為6%，水泥土無側限抗壓強度能達到1000kPa左右，滿足修復后場地再開發利用中對地基承載力的要求。因此，在工程應用中固化劑水泥的添加比例應控制在6%左右。

3 總結

本文在綜合之前研究成果的基礎上，開展了高壓旋噴和深層攪拌設備在污染場地修復中應用的研究，通過對實驗結果進行分析可得出以下結論：

（1）通過開展小試實驗研究得出，加入的固化劑（水泥）能夠作為氧化藥劑過硫酸鈉的堿激活劑和熱活化劑，進而提高過硫酸鈉對污染土壤中有機物的氧化性能。

（2）巖土施工設備應用于污染場地原位修復中，能夠實現修復藥劑與污染物的快速、高效混合，通過小試試驗結果可以看出，添加6%固化劑的過硫酸鈉對污染土壤中有機物的去除效果均滿足場地修復目標值的要求。

（3）為了提高修復后土體的承載力，本研究中水泥摻量為6%，水泥土無側限抗壓強度能達到1000kPa左右，滿足修復后場地再開發利用中對地基承載力的要求。

（4）本文提出了巖土施工技術應用于污染場地原位修復中修復后場地承載力不足的問題及相應的解決對策和建議，為巖土施工技術在全國污染場地修復工程中的大力推廣提供了可靠的保證。