高壓旋噴技術在苯污染地下水修復中的應用

舒心，胡培良，馬英

（永清環保股份有限公司，長沙 410330）

在地下水污染修復工程中，原位修復以其無需進行開挖或地下水抽出、設備占地面積小、無二次污染、效果徹底等優勢，得到了迅速發展[1]，產生了適用于各類工況的修復方法，主要包括可滲透性反應墻、原位化學氧化、原位生物修復、原位電動修復等。其中原位化學氧化是較常用的原位修復手段，其工作原理主要是將化學藥劑注入到含污染物的地下水中，通過污染物與化學藥劑的反應，促進污染物的降解和消除，通常采用的藥劑有芬頓藥劑、高錳酸鉀、臭氧、過硫酸鹽和過氧化物等氧化劑，對于苯系物及總石油烴等有機污染物的處理比較有效，有著工作周期短、成本低、適用范圍廣的特點[2]。

影響原位化學氧化技術修復效果的關鍵參數包括：藥劑投加量、污染物類型、土壤質地和地下水水位等。針對不同需求，藥劑注入的工藝有直推式注入法、注入井注入法和高壓旋噴注入法。實際工程中，根據不同場地條件、水文地質條件、污染物分布以及注入藥劑特性等特點，一般選取一種或兩種工藝的組合，必要時輔以藥劑，達到修復整個污染場地的目的。本文以某化工廠污染場地地下水修復工程為案例，介紹了原位化學氧化-高壓旋噴修復技術的應用，以期提供類似修復工程的借鑒經驗。

1 場地污染概況

1.1 場地污染狀況

該場地為安徽某化工廠退役場地地塊，該化工廠退役前為小型私人煉油廠，主要進行廢油提煉加工，采用催化裂解工藝生產汽油、柴油。廠區主要分為辦公區、儲罐區、生產區和生產車間。前期場地調查發現儲罐區約428m2地塊的地下水受到了苯污染，污染深度為1.38m，后期本場地擬規劃為工業用地。

1.2 場地地質和水文地質條件

場地內9m 勘察深度內，地基土自上而下分為雜填土層和粉質黏土層：

雜填土層主要由粉質黏土組成，局部夾少量碎石，土質不均勻，微透水性，厚度為0.9～1.2m。

粉質黏土層顏色為褐黃或黃褐色，含氧化鐵及鐵錳質，偶夾少量灰色高嶺土團塊，土質較均勻，可塑，中壓縮性，微透水性。

根據土工試驗結果，該場地地基土為粉質黏土，滲透系數非常小，介于1.1×10-7～3.6×10-7，為弱透水性，基本不透水。

場地范圍內無穩定含水層，地下水類型屬于上層滯水，土層滯水以大氣降水的形式補給，以蒸發的形式排泄，且僅在場地范圍內局部連通。

1.3 場地地下水污染特征

修復篩選值通過選擇《地下水環境質量標準》（GB/T 14848—2017）中“基于一定水平的人體健康風險為依據”的Ⅳ類水標準確定，苯的篩選值為120μg/L。

由于上層滯水量受降雨等因素影響，場地實測水層厚度約為1.38m。地下水修復范圍的確定以未超標點位和滯水的賦存區域為邊界進行劃定，污染區域主要集中在儲罐區，地下水修復范圍見圖1。地下水超標污染物苯的最高檢出濃度為153μg/L，超出風險篩選值0.275 倍。修復工程量信息見表1。

圖1 地下水修復范圍

表1 地下水修復信息

2 技術方案

2.1 工藝選擇

（1）技術選擇

由于場地土壤以黏土為主，黏粒含量高，滲透性較差，滯水難以完全從土壤中抽出且苯具有易揮發的特性，抽出處理可能會造成苯的揮發，影響周邊環境。從項目特點、技術可行性、工程實施難度、治理成本、生態環境保護等角度綜合考慮，地下水抽出處理技術不適用于該項目。考慮采用原位高級氧化技術進行處理，注入方式采用適用于滲透性較低的黏性土壤的高壓旋噴技術，其注射壓力高、擴散半徑大、工程經濟性好[3]。原位注入-高壓旋噴注射修復技術占據了國內污染場地原位修復60%以上的市場，逐步取代了水力壓裂注入和注入井技術[4]。

（2）藥劑選擇

由于該項目苯的濃度和超標倍數均不高且地下水中含有鐵、錳等金屬離子，因此設計采用雙氧水作為氧化劑，利用水體中存在的金屬陽離子作為催化劑使其產生高反應活性的羥基自由基（·OH），從而去除較低濃度的苯污染物，該方法成本較低、處理后無次生環境危害、工程使用安全[5]。

2.2 技術參數

（1）氧化藥劑

藥劑添加總量按照場地污染地下水水量乘以藥劑添加比計算。藥劑添加量=含水層水量×有效孔隙度×安全系數×藥劑添加比例。

本項目未建垂直防滲墻，藥劑在進入含水層后不僅要氧化修復區目標污染物，還要與含水層中易被氧化的有機碳發生反應。含水層有效孔隙度取0.35，滯水層厚度取1.38m，本次選用的藥劑是濃度為27.5%的雙氧水，雙氧水的添加比取5%，安全系數取1.5。

（2）注入系統

注入系統主要設備包括XP-25 型高壓旋噴機和GY13型高壓注漿泵。旋噴鉆機采用單重管旋噴方式進行藥劑注入，最大鉆孔深度為2m，高壓旋噴機轉速為12r/min，提升速度為42cm/min。高壓注漿泵注入壓力為38MPa，每個布點注入時間為3～10min。

（3）注射布點

在施工前進行了工程化中試，測試得出注入影響半徑為0.5m，包括攪拌半徑和滲透擴散半徑。為保障藥劑擴散后能覆蓋全部場地，同時控制好藥劑投入成本，布孔方式采用梅花形布置，孔位間距為0.87m，場地面積428m2。平面布置見圖2，原位注入鉆孔布設參數見表2。

表2 原位注入鉆孔布設參數

圖2 原位注入點位示意

3 工程實施

旋噴工藝流程見圖3。

圖3 旋噴工藝流程

（1）施工準備：工程實施前平整壓實場地，機械設備、藥劑原料和配套設施準備就位。

（2）標定注入點：測量定位和定點放線，確定各鉆孔點位置和深度，確保鉆機位置準確到位，鉆桿的垂直度達到要求。

（3）引孔、調試和試驗：鉆機就位后根據布設的點位先行施工導孔，終孔深度和孔徑滿足設計要求。鉆機導孔的點位偏差不大于50mm，成孔的垂直度不大于1.5%。旋噴機在已成孔前定位，檢查全系統工作是否正常，檢查有無漏水、壓力能否達到施工要求、高壓注漿泵是否正常。

（4）藥劑配置：采用27.5%濃度的雙氧水試劑和清水，加入藥劑罐中混勻。

（5）高壓旋噴作業：將帶有特殊噴嘴的注漿管（鉆桿）通過鉆孔插到土層預設的點位和深度，噴嘴在噴射出藥劑的同時會向上提升，提升過程中檢查漿液的流量、噴射壓力、提升速度等。高壓液流自下而上切削土體，實現藥劑在水體中的擴散，使藥劑與受污染地下水充分混合。

（6）養護監測：旋噴注射藥劑完成后，藥劑與污染物發生化學氧化反應，充分反應1～2 個月后達到修復目標要求。施工完成后對地下水pH 值、藥劑殘留量、目標污染物濃度等參數進行監測。

（7）驗收：化學氧化修復結束后，開展自檢，自檢合格后可進行驗收工作。若不合格，根據檢測結果配制藥劑進行復噴。

4 修復效果分析

4.1 監測系統

本場地地下水污染物為苯，為了評估運行過程及修復效果，需要對地下水進行監測。

（1）監測點的確定

根據地塊水文地質條件，設置對照井、監測井和控制井，對照井設置在地下水污染羽的上游，反映區域地下水質量。監測井設置在污染羽內部，反映修復過程中污染羽濃度變化情況，監測井結合污染羽分布情況，按三角形布設。控制井設置在地下水污染羽的上游、下游以及垂直于地下水徑流方向的污染羽兩側的邊界位置。

本項目監測對照井設置1 個、監測井設置3 個、控制井設置3 個。布點見圖4。

圖4 地下水監測點位示意

（2）監測指標及標準

工程運行期間對地下水水位、水質、注入藥劑特征指標、二次污染物等進行監測，具體包括地下水水位和目標污染物濃度，監測指標為pH 值、溫度、電導率、總硬度、氧化還原電位、溶解氧、CODCr、BOD5、苯。

（3）監測頻率

地下水修復工程的運行期間，監測頻次為每半個月一次。運行后期監測頻次為每季度一次，兩個批次間隔不得少于1 個月。根據修復達標初判的需求，持續開展了4 個季度的監測。

4.2 監測結果

監測結果表明，地下水pH 值變化不大，各項監測指標未見異常，在施工后一個季度內，各監測點位的苯濃度持續下降，并在此后1 年的長期監測中均未檢出苯，地下水水質穩定。地下水修復后監測結果見圖5。

圖5 地下水修復后監測結果

5 結語

（1）采用雙氧水作為氧化劑能對低污染濃度地下水起到一定修復效果，由于地下水水質復雜，水體中存在的金屬陽離子能作為催化劑使雙氧水產生高反應活性的羥基自由基（·OH），對較低濃度苯污染物的去除效果較好。

（2）高壓旋噴注入法可通過切割、攪拌和滲透作用，有效解決氧化劑在低滲透性黏性土壤中的擴散問題，提高藥劑與地下水的混合程度，更適合黏性土壤環境下的地下水修復。

（3）高壓旋噴式注入方式施工操作簡單、靈活，可顯著縮短修復設備安裝調試時間與注藥時間，有效縮短工期。