土壤及地下水原位注入修復(fù)技術(shù)的研究

王健華

（上海格林曼環(huán)境技術(shù)有限公司，上海 200001）

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷加快，一方面因場地再開發(fā)利用的需求，城市中大量工業(yè)企業(yè)面臨被關(guān)停或者搬遷，遺留下部分被污染的土壤與地下水，其污染物類型包括重金屬和有機物等[1]。 另一方面，因化肥、農(nóng)藥的長期使用，畜禽養(yǎng)殖及可能存在的廢水灌溉，亦造成農(nóng)用地中有機污染物及重金屬等的超標[2]，污染的農(nóng)產(chǎn)品給人類健康帶來威脅。 出于綜合開發(fā)利用及健康安全方面的考慮，修復(fù)治理被污染的場地及土壤地下水刻不容緩。

土壤及地下水污染的修復(fù)技術(shù)主要分為異位修復(fù)和原位修復(fù)2 大類。 原位修復(fù)相較于異位修復(fù)的優(yōu)勢體現(xiàn)在：①不涉及運輸和開挖回填，成本更低；②施工占用空間較小； ③對場地內(nèi)建筑或生產(chǎn)影響較小；④二次污染可控；⑤可減少修復(fù)施工期污染物的直接暴露，降低健康安全風險。 因此，近年來國內(nèi)外對于污染場地修復(fù)技術(shù)的研究主要集中在原位修復(fù)技術(shù)上。

目前我國常用的原位修復(fù)技術(shù)包括原位抽提、原位熱脫附、原位生物修復(fù)、原位化學(xué)修復(fù)等[3]。在實際運用中，原位注入修復(fù)技術(shù)作為一種原位修復(fù)施工方法廣泛應(yīng)用在原位化學(xué)氧化、原位化學(xué)還原、原位生物修復(fù)等多種修復(fù)技術(shù)中。

1 原位注入修復(fù)技術(shù)

原位注入修復(fù)技術(shù)利用一定的施工設(shè)備將化學(xué)或生物修復(fù)藥劑注入污染地下水或土壤中，以降低污染物質(zhì)的濃度，減輕或消除其對環(huán)境的影響[4]。 原位注入的施工目的為在地下環(huán)境中完成治理藥劑與污染物的充分混合。 常見的原位注入形式主要包括注射井注入、直推式注入、高壓旋噴注入和原位深層攪拌注入等。

1.1 注射井注入法

注射井注入法是基于地下水監(jiān)測井技術(shù)發(fā)展而來的一種原位注入修復(fù)施工方式。 實施時需在場地內(nèi)安裝帶篩孔或塞縫的注射井，在常壓或高壓下修復(fù)所需藥劑被加入注射井中進入地下污染區(qū)域[5-6]。注射井可選用直推或中空螺旋鉆建井。 實際工程中直推建井的施工方式較中空螺旋鉆法更為簡單快捷，所成井的孔徑相對較小基本滿足注射井的安裝需求。

注射井注入法適用于設(shè)有大量注射點的場合。多口注射井可共用一套包括藥劑罐和注射泵在內(nèi)的注入設(shè)備，多點位同時開展藥劑注射提高了修復(fù)施工效率。建成的注射井可重復(fù)使用于多輪藥劑注入。但是注射井注入受地質(zhì)條件的異質(zhì)性影響較大，當注射井篩管跨度范圍內(nèi)涉及不同類型土層時，容易出現(xiàn)藥劑分配不均的現(xiàn)象。

注射井注入法應(yīng)用范圍廣泛，幾乎適用于所有固態(tài)或液態(tài)藥劑[4]，修復(fù)藥劑的選擇根據(jù)土壤地下水中的目標污染物確定。固態(tài)藥劑需預(yù)先配置成液態(tài)/泥漿態(tài)后再行注入，但存在堵塞注射井篩孔或塞縫的風險。 此外，注射井注入法還可注入氣體，如通過向地下注入壓縮空氣用于修復(fù)地下的石油[7]、苯[8]、四氯乙烯污染等[9]。另還可向注射井中注入蒸汽或熱空氣，通過高溫氣體直接對土壤進行加熱[10]。注射井注入示意見圖1。

圖1 注射井注入示意

1.2 直推式注入法

直推式注入法指在一定壓力下將修復(fù)藥劑通過注射桿注入被污染的土壤或地下水中的一種修復(fù)施方式，在原位化學(xué)氧化修復(fù)技術(shù)中該方式為使用最多的氧化劑投加方式[5]。直推式注入法通常將小直徑的頂端帶注射頭的空心鋼棒通過液壓設(shè)備進入地下目標區(qū)域，下壓途中按需將多根桿件相互連接直至目標深度。修復(fù)工程中通常使用Geoprobe多功能鉆機完成下壓工作，該鉆機設(shè)備包含履帶底盤，自身可移動，因而可根據(jù)現(xiàn)場情況及需求靈活移動位置。因其占地面積較小，可在不影響場地內(nèi)企業(yè)運營的情況下完成注入。 注射頭在垂直位置通過上提或下壓注射桿方式實現(xiàn)移動，因而直推式注入法可較為精準地控制注射深度[11]，有針對性地對重污染區(qū)域開展藥劑注入，降低地層不均質(zhì)性對注入修復(fù)的影響。

為解決直推式注入的注射桿下壓過程中土壤堵塞注射口的問題，對直推式注入的注射桿或注射頭進行優(yōu)化設(shè)計： ①將注射桿頂部的推進頭設(shè)計成一次性的，在到達目標深度后通過適當上提使注射桿頂部的推進頭脫落，露出其內(nèi)藏的注射頭進行藥劑注入；②采用水平注入法，即將注射頭設(shè)置于注射桿側(cè)面，施工時通過套管保護注射頭或選用壓力啟動式注射頭[6]。

直推式注入法主要注入固態(tài)與液態(tài)藥劑，多用于無需設(shè)備重復(fù)進場的單輪注入場合，尤其適用于地表建筑物、設(shè)備等較多的場地。因其注入設(shè)備體積較小，可在企業(yè)廠房內(nèi)進行施工，且注射位置可根據(jù)現(xiàn)場實際情況使用鉆機進行靈活調(diào)整，并采用斜向注射等方式對建筑物或設(shè)備下方區(qū)域進行注射。 直推式注入法已被證明可運用于氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯、苯、甲苯、乙苯[11]以及硝基苯等的修復(fù)[12]。 直推式注入示意見圖2。

圖2 直推式注入示意

1.3 高壓旋噴注入法

高壓旋噴注入法屬于傳統(tǒng)地質(zhì)工程技術(shù)，通過切割攪拌地層土壤，再灌入水泥漿等固結(jié)材料與原地層土壤混合均勻后形成凝結(jié)體從而改變原地層結(jié)構(gòu)與組成，達到地基加固或者防滲目的[13]。

在土壤及地下水環(huán)境修復(fù)方面的高壓旋噴注入工藝和設(shè)備與在巖土中施工基本一致，區(qū)別在于將水泥漿等固化材料更換為相應(yīng)的修復(fù)藥劑，具體工藝：將高壓注射管下鉆至土層中預(yù)定深度，開啟旋轉(zhuǎn)裝置和注射泵使高壓流體沖擊切割土層，剝落下來的土壤在沖擊等作用下與修復(fù)藥劑接觸混合后反應(yīng)以去除土壤中的污染物[14]；注射管以一定速度提升，直至修復(fù)區(qū)域頂端。 高壓旋噴注入法由于存在旋轉(zhuǎn)切割土層的作用，故具有類似地下攪拌的功能，因此注入地下的藥劑可更好地進行分散以提高與地下污染物的混合效果。 高壓旋噴注入法工藝可分為單重管（僅藥劑）、二重管（藥劑及壓縮空氣）與三重管（藥劑、壓縮空氣與高壓水），輔助注入壓縮空氣及高壓水的目的是為了進一步提高影響半徑和修復(fù)藥劑與污染土壤地下水的混合效果。

高壓旋噴注入法因存在高壓流體對土體的沖擊作用，故適合于注射井及直推式注入法難以使藥劑得到很好擴散的低滲透性地層。 設(shè)備允許注入固態(tài)與液態(tài)藥劑，多用于無需設(shè)備重復(fù)進場的單輪注射場合。目前，南京市、寧波市、青海市[15]、山東省[16-17]、上海市[18]等地均采用高壓旋噴注入技術(shù)進行原位氧化/還原修復(fù)土壤及地下水，對地下的苯系物[19]、苯酚[17]、多環(huán)芳烴[15]、石油烴[18]及六價鉻[16,20]等污染物的去除修復(fù)取得了較好效果。 高壓旋噴注入示意見圖3。

圖3 高壓旋噴注入示意

1.4 深層攪拌注入法

深層攪拌注入法和高壓旋噴工藝一樣也來自于傳統(tǒng)地質(zhì)工程技術(shù)。 該技術(shù)原用于地基結(jié)構(gòu)加強或防滲結(jié)構(gòu)構(gòu)建，利用深層攪拌機械在地下將土壤與注入的固化劑充分拌合從而使得軟土硬結(jié)，提高地基強度或防滲性能[21]。 其工藝無需大面積開挖。

在土壤及地下水環(huán)境修復(fù)方面的深層攪拌技術(shù)是將原本工藝中注射的水泥漿等固化漿液更換為對應(yīng)的修復(fù)藥劑，在土體中進行原位攪拌及藥劑注射，通過機械強制拌合使得注入藥劑與污染土壤充分接觸混合，從而達到注入藥劑與地下污染物充分攪拌混合的目的。 深層攪拌又包括單軸攪拌、雙軸攪拌、三軸攪拌等形式，區(qū)別在于一臺設(shè)備同時帶動幾根鉆桿進行攪拌。 隨著鉆桿數(shù)量增多，影響范圍增大，可提高工效、縮短工期，但施工成本會增加，且更多的返漿將帶來二次污染風險，一般應(yīng)用于土壤地下水原位注入的多為雙軸攪拌法[22]。

深層攪拌注入的工藝方式包括“兩噴三攪”和“兩噴四攪”，其中“噴”為攪拌噴漿次數(shù)，“攪”為總下沉提升攪拌次數(shù)。“兩噴三攪”工藝的操作步驟：鉆頭下沉進行預(yù)攪→到指定深度后邊噴漿邊提升→鉆頭第2 次攪拌下沉→第2 次噴漿提升→鉆頭第3 次攪拌下沉提升，第3 次僅攪拌不注漿。實際深層攪拌工藝方式的選擇需根據(jù)現(xiàn)場試驗確定。

深層攪拌注入法可用于固體、液體藥劑的注射。同高壓旋噴一樣主要適用于無需設(shè)備重復(fù)進場的單輪注射場合。南京市[23]、上海市[24]、江蘇省[25]等地均采用過此技術(shù)進行液態(tài)氧化劑的注射, 成功去除了場地內(nèi)的氯苯類、苯類、苯胺類等污染物[23-25]。深層攪拌注入示意見圖4。

圖4 深層攪拌注入示意

2 各種注入技術(shù)的特點分析

結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究和工程資料[3,5-6,15-20,23-25]，對上述4 種常見的修復(fù)藥劑原位注入形式的適用條件進行對比分析，見表1。

表1 4 種原位注入技術(shù)發(fā)展情況與適用條件

4 種注入技術(shù)均可注射固體與液體藥劑用于原位化學(xué)氧化、原位化學(xué)還原與原位生物修復(fù)，對揮發(fā)性有機物、半揮發(fā)性有機物、石油烴等污染物進行修復(fù)。 注射井及直壓式注入技術(shù)發(fā)展較早，成熟度高，但在低滲透地層中的適用性相對有限。 高壓旋噴和深層攪拌注入解決了藥劑在低滲透地層中的有效分散問題，但在土壤地下水修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用相對較晚，技術(shù)尚未成熟。4 種原位注入技術(shù)的優(yōu)、缺點，見表2。

表2 4 種原位注入技術(shù)的優(yōu)、缺點

4 種注入方式的主要施工參數(shù)見表3。

表3 4 種原位注入技術(shù)設(shè)計施工參數(shù)

3 原位注入技術(shù)存在問題及解決方案

（1）地層適用性及對地層的影響

注射井注入法與直推式注入法存在的共同問題：受地質(zhì)及水文地質(zhì)條件影響較大，藥劑的擴散基本取決于土壤的孔隙率和滲透性，影響半徑通常較小，在低滲透性的地層中藥劑與土壤污染物接觸混合效果一般，往往需多輪注射才能達到預(yù)期修復(fù)效果。對于大型設(shè)施設(shè)備下方的污染區(qū)域等，由于影響半徑有限，在其附近區(qū)域進行注射難以保證修復(fù)藥劑擴散進入污染區(qū)域內(nèi)部，故影響修復(fù)效果。

受土壤異質(zhì)性的影響，注射井注入法還存在單注射井深度范圍內(nèi)不同性質(zhì)地層中藥劑的分配量與擴散半徑不一致的問題，往往高滲透性地層接受的藥劑量更多，擴散范圍也更廣；直推式注入法可通過改變不同深度處藥劑注射量解決這一問題。

高壓旋噴注入及深層攪拌注入通過對土體結(jié)構(gòu)的破壞使得修復(fù)區(qū)域土層均一化，在此過程中強制混合污染土壤和注入的修復(fù)藥劑，再輔以不同深度處藥劑注射流量的變化，可大幅提高修復(fù)藥劑注入效果。但在部分不良土層中如松散雜填土層中，因存在大孔隙的優(yōu)先通道，高壓旋噴注入法與攪拌注入法施工工程中也難免出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象，其混合修復(fù)效果也同樣受到一定的限制，但較注射井注入法與直推式注入法的影響更小。 高壓旋噴及攪拌注射的施工方式對土體的攪拌破壞也可造成修復(fù)場地地基承載力的下降[23]，影響到臨近注射點位的注入或后續(xù)的修復(fù)施工甚至場地的開發(fā)利用建設(shè)。

（2）藥劑對設(shè)備的腐蝕

注射井及直推式注入法在土壤地下水原位修復(fù)的應(yīng)用較早，發(fā)展較成熟，優(yōu)選的設(shè)備材質(zhì)基本不受修復(fù)藥劑的腐蝕影響。 而高壓旋噴及深層攪拌注入法的設(shè)備原本應(yīng)用于巖土工程中往地下注入無腐蝕性的水泥漿等固化材料，當應(yīng)用于被污染土壤及地下水修復(fù)時，存在修復(fù)藥劑對設(shè)備的腐蝕性問題。 研究表明，應(yīng)用于污染場地原位化學(xué)修復(fù)的過硫酸鈉溶液和亞硫酸氫鈉溶液對金屬管道和噴嘴有明顯的腐蝕性[26]，而氧化藥劑可腐蝕設(shè)備中的密封橡膠圈[23]。

（3）二次污染及安全問題

直推式注入法在注射桿下壓過程中易出現(xiàn)橫向擾動，在注射過程中出現(xiàn)較為明顯的冒漿；高壓旋噴法因注射流量大，應(yīng)用中易發(fā)生冒漿；而深層攪拌法運用于地下水位較高的場地時，注入的藥劑與高含水率的污染土壤混合形成的漿液也會從鉆孔中溢出地表[25]。 原位注入過程中的冒漿易造成二次污染并危害工作人員身體健康。

原位注入過程中造成的土體擠壓、 高壓流體切割等物理作用還可能對周邊地下設(shè)施的安全性造成一定的影響。

（4）相關(guān)解決方案

針對以上原位注入技術(shù)中存在的問題，提出以下設(shè)想與解決方案： ①為解決注射井注入法影響半徑較小的問題，提出一種稱為“工程注射和抽提”的技術(shù)[27]，其通過在注射井周邊的一系列井中注射清水或進行地下水抽提以制造不穩(wěn)定的地下流場，對注入地下的修復(fù)藥劑與污染物的羽流進行拉伸與折疊，使二者盡可能地接觸混合。其可顯著增強藥劑在地下的擴散與和污染物之間的反應(yīng)，使其在異質(zhì)性的含水層中修復(fù)效果更好； ②對于高壓旋噴或深層攪拌注入后地基承載力下降的問題，可在修復(fù)效果監(jiān)測完成后使用原設(shè)備注入水泥漿進行地基處理以防止地面下沉[16]；亦可在注射藥劑中摻入一定比例的水泥材料，使水泥漿同修復(fù)藥劑一起注射進入地層中[24]，通過水泥漿固化形成水泥土以牢固地基，注入水泥固化劑也可增強冒漿漿體的強度，從而減輕或消除冒漿中污染物異味及溶出能力[25]。 但前者未能解決地基承載力下降導(dǎo)致的設(shè)備二次進場或點位間移動困難的問題；后者由于水泥固化，地層滲透性減小，長期修復(fù)效果的監(jiān)測將變得困難[28]，若第一輪注入修復(fù)不達標，后期第二輪的注入修復(fù)將變得更為困難。 可通過在現(xiàn)場修復(fù)施工中不同原位注入技術(shù)方式的聯(lián)合使用，使各注射方式的優(yōu)勢區(qū)間互補，如在高壓旋噴注射修復(fù)作業(yè)中，于淺層雜填土土層改用注射井或攪拌注入輔助作業(yè)，可在保證修復(fù)效果的情況下，減少地面冒漿[16]。

此外，在運用高壓旋噴或深層攪拌注入進行場地修復(fù)時，通過將部分設(shè)備部件材質(zhì)更換為不銹鋼材料，可較好改善修復(fù)藥劑對設(shè)備的腐蝕[26]。

4 總結(jié)和展望

對原位注入技術(shù)中一些尚未徹底解決的問題，提出以下建議：

（1）對原位注射形式實施改良，可將液體藥劑與氣體混合，通過霧化或氣溶膠形式進行注射，以避免包氣帶區(qū)域尤其是淺層孔隙率較大、 存在優(yōu)先通道的土層出現(xiàn)注射時短路、冒漿嚴重的問題。

（2）研發(fā)與高精度調(diào)查設(shè)備相配套的原位注入設(shè)備，通過實時了解注射點位地層分布及污染負荷情況隨時調(diào)整注射參數(shù)，實現(xiàn)靶向注入修復(fù)。

（3）根據(jù)地層分布及污染物特征分別合理設(shè)計原位注入方式，針對不同特征區(qū)域有選擇的進行多種注入技術(shù)的合理組合，揚長避短，提高藥劑整體注入效果。

（4）進一步研發(fā)抽注結(jié)合技術(shù)，通過抽提與注入的合理輪換與組合，提高藥劑的擴散范圍，強化與污染物的混合效果，提高修復(fù)效率。

（5）將原位注入設(shè)備進一步集成化與小型化，使原位注入技術(shù)順利應(yīng)用在廠房內(nèi)部等較為狹小的空間；同時強化設(shè)備的可移動性和可操作性，使原位注入修復(fù)期間設(shè)備在點位與點位間的移動更為方便快捷。

（6）開發(fā)成熟的二流體或三流體注射設(shè)備，進一步提高修復(fù)藥劑在低滲透性土層中的影響半徑及混合效果。

（7）采用液壓設(shè)備取代敲擊已穩(wěn)定下壓注射桿，防止直推式注入過程中注射桿的橫向擾動問題，避免冒漿現(xiàn)象。

（8）對注入設(shè)備的結(jié)構(gòu)和材料持續(xù)改進，并進行浸泡、耐候等試驗，避免設(shè)備、管道、噴口、密封圈等部件因修復(fù)藥劑的使用而遭到腐蝕破壞，確保設(shè)備可對不同種類、狀態(tài)的藥劑進行注射施工。

（9）開發(fā)或篩選在高壓旋噴及深層攪拌注入技術(shù)中使用的固化劑，使其既可避免注入修復(fù)后地基承載力的破壞及所帶來的難以二次進場或再開發(fā)建設(shè)等問題，同時又可在一定程度上避免后期修復(fù)效果監(jiān)測或補充修復(fù)無法順利開展的問題。

5 結(jié)論

目前，已有的原位注入修復(fù)技術(shù)包括注射井注入、直推式注入、源自巖土施工技術(shù)的高壓旋噴注入和深層攪拌注入技術(shù)。該技術(shù)因其地面擾動小、污染物去除效率高、二次污染相對可控、施工靈活方便、設(shè)備成熟可靠、 修復(fù)周期短等優(yōu)點正越來越多地應(yīng)用于污染土壤地下水修復(fù)。 通過對4 種原位注入修復(fù)技術(shù)的特點、實施情況及優(yōu)缺點進行比較，分析各技術(shù)不足，并對原位注入技術(shù)中普遍存在的如藥劑擴散范圍有限、設(shè)備腐蝕、冒漿、對地層穩(wěn)定性影響等問題提出多種建議。