土壤及地下水原位注入——高壓旋噴注射原位修復系統的制作方法

本實用新型涉及一種土壤及地下水原位注入——高壓旋噴注射原位修復系統，屬于土壤及地下水原位修復系統技術領域。

背景技術：

土壤及地下水環境是生態系統的重要組成部分，近年來，隨著全球工業化進程，我國土壤污染日益嚴重，其中有機污染、重金屬污染類污染成為兩大重要污染類型，不僅破壞生態環境本身，直接或間接危及對環境和人體健康安全。更為嚴重的是，揮發性及半揮發性有機污染物、可溶性重金屬在不飽和區域(包氣帶)會遷移至深層飽和區域(含水層)，尤其是對地下水資源構成威脅，造成嚴重后果。

目前常用的土壤及地下水修復工程技術分為原位修復與異位修復兩類，按其修復方法可分為物理修復、化學修復和生物修復。

后者因涉及污染土壤的清挖、運輸、異地修復或者處置以及地下水的抽出及暫存或者原地異位處理，容易造成污染物的泄露和擴散。且處置過程需進行嚴格監督，對管理上要求較高。同時，原位修復不涉及深基坑開挖與支護、基坑降水與止水等基礎施工，有效避免二次污染的同時減少了安全事故發生的概率。土壤及地下水的原位修復技術近年再在國內得到了青睞。

由于污染場地存在修復介質多樣化(土水復合污染、單獨土壤污染、單獨地下水污染幾種情形)、水文地質條件的復雜性、污染類型多樣化(有機污染、重金屬等)、污染物的特殊性及在土壤及地下水中的分布不均及差異性等因素，決定了土壤及地下水的原位修復的難度和挑戰性。因此，研究開發符合我國國情的土壤及地下水修復原位工程修復技術尤為迫切。

美國自上世紀80年代中期以來，已經投入大量資金用于土壤及地下水修復，一些新的原位修復技術應運而生，如原位化學氧化、原位化學還原、原位微生物修復等。

原位化學氧化、原位化學還原、原位微生物修復技術是指通過向地下環境中投加修復藥劑(化學氧化劑、還原劑、微生物制劑)，使其與污染物質發生化學反應或生物化學反應，降解為無毒或低毒物質(如二氧化碳、水、三價鉻等)，從而實現污染物去除凈化的目的，該類技術可同時處理多種污染物，處理效率較高，其中微生物修復技術適合處理低濃度場地，化學氧化/還原一般不受污染物濃度限制。

常用還原劑(如零價鐵、EHC、硫酸亞鐵藥劑)，可修復土壤及地下水中的鹵代烴、重金屬(六價鉻)等污染物。常用氧化劑(如過硫酸鹽、雙氧水、高錳酸鉀等)，可修復土壤及地下水中的苯系物、硝基苯類、石油烴等有機污染物。微生物制劑，可修復土壤及地下水中的苯系物、石油烴等有機污染物。

現有的修復藥劑原位投加主要有兩種方式：攪拌和注入/注射，其中原位注入/注射分為：Geoprobe直壓式高壓注射、建井注入(PVC注入井)、Chemgrout注漿技術、深層攪拌原位注漿技術以及其他巖土注漿技術等。

美國專利No.5,639,182“土壤原位修復方法”涉及一種原位土壤攪拌方法，它通過移動式履帶行進的鉆機，配備有可垂直鉆進的葉輪鉆頭，可實現污染土壤的原位攪拌。所采用攪拌鉆頭為一體式葉輪鉆頭，因而攪拌深度受到了限制且阻力較大，其應用具有一定的局限性，僅適合于較松散地層的處理。

申請號為201510159423.2的“一種鉻污染的原位修復方法”中國發明專利中，提到一種Geoprobe高壓注射方法(最高壓力僅18Mpa，實質為單管注射，缺點為施工效率低，難以滿足工程化應用)、布點方法，并未考慮地下水流向，藥劑的擴散因素。申請號為201420009983.0的“一種土壤修復高壓注射旋噴鉆機”中國實用新型專利，實質為單管注射。

原位鉆頭直壓式注入是把配置好的藥劑以一定壓力通過注入鉆頭注入到污染土層并不斷攪拌混勻污染土和氧化藥劑從而修復污染土壤和地下水。在專利號為US2002/0143226A1和專利號為US006457905的美國專利中公開了兩種化學氧化原位鉆頭注入修復系統，這兩種修復系統都通過螺旋鉆桿或注射鉆頭將化學氧化劑注入到污染土中。

建井注射技術：申請號為201410387735.4的“一種有機污染土壤和地下水原位修復裝置及修復方法”、申請號為201410615166.4的“一種修復污染土壤和地下水的原位化學氧化注入裝置”等中國發明專利中，提到一種建井注射原位化學氧化修復技術，修復前需在修復區域設置注射井的修復方法，該類方法一般采用PVC材質井，注射泵采用氣動隔膜泵，注射壓力偏低(小于1.6Mpa)。一方面建井費用較高，需要構建大量注入井，基建費用高，施工周期長，施工完成后，會在修復地塊殘留注入井，影響后續再開發利用。另一方面注射壓力不足(采用自然流動或低壓注入)，地層條件對注入效果影響很大，注入過程采用自然流動或低壓注入，地層條件對注入效果影響很大，如遇到粘土層或地層性質不均一，藥劑無法均勻擴散，影響修復效果甚至無法完成修復。飽和層土壤注漿困難，擴散半徑較小，且適用地層受限，粘土層幾乎失去擴散作用。

原位注入井注入是通過在污染場地建設注入井，將氧化藥劑以一定壓力通過注入井篩管擴散到污染土層中從而將污染物降解的一種化學氧化修復系統。專利號NO US 2003/0069142的美國專利中公開了一種化學氧化注入井注入系統，該裝置在裝有固體粉末狀藥劑的篩管前段設置導流擋板，篩管內的藥劑溶解后隨著地下水流向通過導流擋板擴散到目標區域從而修復污染土壤和地下水。專利號為US 2008/0174571A1的美國專利中公開了一種化學氧化原位注入井修復技術，該修復系統通過注入井向地下注入過氧化氫、臭氧及壓縮空氣氧化修復污染土壤和地下水。注入井的建井目前多采用美國Geoprobe鉆機或國內地質鉆機(如30鉆機、汽車鉆)，多采用回轉或沖擊鉆進方法，大型污染場地建井需要一定的周期。

現有的高壓旋噴樁基技術是一種地基處理施工技術，在巖土領域主要用于止水帷幕、護坡樁等工程，利用旋噴鉆機成孔后下入噴射鉆桿，通過噴嘴在地下噴射高壓水泥漿，通過切割土體形成固化樁體或止水帷幕，達到地基加固或者止水的作用。

以上修復技術應用過程需要一系列的原位修復系統，實現修復藥劑的投加。

技術實現要素：

本實用新型的目的是為了解決上述現有原位修復系統的注射壓力不足、注射效率低、藥劑擴散半徑偏小、飽和層修復注射難以保證注漿量影響擴散效果等問題。進而提供一種土壤及地下水原位注入——高壓旋噴注射原位修復系統。

本實用新型的目的是通過以下技術方案實現的：

一種土壤及地下水原位注入——高壓旋噴注射原位修復系統，包括：配藥站、配藥站出口閥門、配藥站出口不銹鋼快速接頭、高壓注漿泵進口閥門、高壓注漿泵、高壓注漿泵出口閥門、高壓注漿管、空氣壓縮機、空氣壓縮機出口閥門、壓縮空氣管路、旋噴鉆機、動力頭、高壓水接頭、高壓水接頭藥劑液流進口、高壓水接頭空氣流進口、第二重管水流接頭、旋噴鉆機注漿鉆桿自動提升機構、高壓噴射鉆桿、高壓噴射三重鉆桿內管、高壓噴射三重鉆桿外管、藥劑噴射噴嘴、空氣噴射噴嘴、硬質合金塊和鉆頭；所述配藥站的出口安裝有配藥站出口閥門，配藥站出口閥門由配藥站出口不銹鋼快速接頭與高壓注漿泵進口閥門相連接，高壓注漿泵進口閥門與高壓注漿泵入口相連接，高壓注漿泵的出口連接有高壓注漿泵出口閥門；旋噴鉆機的動力頭下端安裝有高壓水接頭，高壓水接頭上分別安裝有高壓水接頭藥劑液流進口、高壓水接頭空氣流進口和第二重管水流接頭，高壓注漿管的一端與高壓注漿泵出口閥門相連接，高壓注漿管的另一端與高壓水接頭藥劑液流進口相連接；動力頭的下部安裝有卷揚鋼絲繩與旋噴鉆機注漿鉆桿自動提升機構連接，高壓水接頭的下部安裝有高壓噴射鉆桿、高壓噴射鉆桿由高壓噴射三重鉆桿內管和高壓噴射三重鉆桿外管組裝而成，高壓噴射三重鉆桿內管上設有藥劑噴射噴嘴，高壓噴射三重鉆桿外管上設有空氣噴射噴嘴，高壓噴射鉆桿的底端安裝有鉆頭，鉆頭上安裝有硬質合金塊；高壓水接頭藥劑液流進口與高壓噴射三重鉆桿內管相連通，高壓水接頭空氣流進口與高壓噴射三重鉆桿外管相連通；空氣壓縮機的出口連接有空氣壓縮機出口閥門，壓縮空氣管路的一端與空氣壓縮機出口閥門相連接，壓縮空氣管路的一端與高壓水接頭空氣流進口相連接，第二重管水流接頭與高壓水接頭相連接。

本實用新型的有益效果是：

一、修復系統設計簡單、設備小、移動方便，優越于其它如原位加熱、熱解吸或土壤淋洗等技術需要復雜的設計或特殊的設備，如必要的尾氣或廢水系統。修復成本低于原位加熱、熱解吸等技術。可最佳地達到原位體系的修復效率及污染物的去除效果。

二、相對于鉆頭高壓注射(如Geoprobe鉆機注射)等單管注射方式或Chemgrout注漿方式，本實用新型采用氣、液二重管高壓注射工藝，一方面注射壓力大(20～30Mpa)，而目前常見的鉆頭注射最大壓力僅18Mpa，由于其注射壓力小修復藥劑的擴散半徑也相對較小且擴散不均勻，加上單管注射遇淺層地下水修復場地返漿較為嚴重。另一方面注射修復藥劑液流過程輔助高壓空氣流的作用使得修復藥劑在土壤及地下水環境的擴散效果明顯提升，擴散半徑顯著增加。鉆頭高壓注射適應地層少，對于低滲透性地層注射由于壓力不足及單管操作，容易形成優先壓裂等通道且注射效率偏低。另外，鉆頭注射系統由于配置注漿泵流量較小，存在注射效率低的問題。因此，本實用新型可克服鉆頭單管注射方法的擴散半徑小、返漿嚴重、注射效率低等缺陷。

三、本實用新型相對于建井注射技術，其應用范圍極大地得到了擴展。現有技術僅適用于中～高滲透性地層(如粉細砂、中粗砂等地層)，而本實用新型的技術應用地層范圍可擴展到低～中滲透性地層(如粉質粘土、粉土、淤泥質粘土、粘土層)。注入井技術由于注射壓力很小僅適宜于非飽和層或者地下水水位較深的場地，而本實用新型可適用于單獨土壤污染、土壤和地下水復合污染(飽和層)、單獨地下水污染等情形，可解決原位注入過程的最大注漿量及返漿問題，極大的提高了注射效率。同時，優于注射井無法按深度延米控制藥劑注射參數，可解決大型復雜污染場地土壤及地下水治理按深度分區優化藥劑投加參數的需求。本實用新型采用注入點(鉆孔)的方式替代了注射井，一方面節約了建井成本，一方面修復后場地不存在PVC井等廢棄設施，完成藥劑注射施工后不用清理現場即可投入土地使用。本實用新型單孔每延米注射量大，一般一輪注射(必要時采取復噴工藝)即可滿足工程設計需求，注入井藥劑投加采用間歇式多次注射，因此注入井修復方式修復周期相對較長。

四、使用本實用新型，在引孔階段采用氣動沖擊回轉鉆進成孔方法，相對于注入井的建井目前多采用美國GEOPROBE鉆機或國內地質鉆機(如30鉆機、汽車鉆機等)，多采用回轉或沖擊鉆進方法，大型污染場地建井需要一定的周期。鉆進過程引入空氣流一方面提高了施工效率及降低了成本，另一方面空氣流的引入有利于打開雜填土層土壤孔隙，為后期藥劑注射非飽和層的藥劑均勻擴散提供了有利條件。該引孔方法成本較低、成本較低，為后續原位注入——高壓旋噴注射作業連續施工提供了時間保證。

五、相對于與傳統的旋噴樁施工技術，本實用新型采用的氣(空氣)、液(修復藥劑)二重管高壓注射工藝，擴散半徑設計基于劈裂理論及滲透擴散理論，藥劑擴散半徑＝攪拌半徑+滲透擴散區半徑；而旋噴樁一般采用氣(空氣)、液(水)、液(水泥漿)的三重管工藝，基于劈裂理論，其成樁半徑遠小于本實用新型設計的擴散半徑，同時，三重管工藝返漿嚴重，難以應用于土壤及地下水修復。

六、相當于攪拌技術，如熱空氣吹脫深層攪拌，修復方式是自上而下，無法解決夾心層的修復問題，本實用新型采用定深度注射修復，可解決攪拌技術擾動上部非污染部位、造成二次污染嚴重及破壞地基承載力等缺陷和矛盾。同時機械攪拌能耗遠大于本實用新型采用氣流、液流進行有效擴散的設備能耗。定深度修復解決了夾心層土壤及地下水修復難題，施工后保持原有承載力，尤其對于砂層土壤及地下水修復經濟優勢和高效施工顯著。

附圖說明

圖1為本實用新型土壤及地下水原位注入——高壓旋噴注射原位修復系統及工作原理示意圖。

圖2為圖1的A處放大圖。

圖3為圖2的B-B剖視圖。

圖4為圖2的C-C剖視圖。

圖中的附圖標記，1為配藥站、2為配藥站出口閥門、3為配藥站出口不銹鋼快速接頭、4為高壓注漿泵進口閥門、5為高壓注漿泵、6為高壓注漿泵壓力表、7為高壓注漿泵出口閥門、8為高壓注漿管(及液流注入流向)、9為空壓機新鮮空氣入口、10為空氣壓縮機入口閥門、11為空氣壓縮機、12為空壓機壓力表、13為空氣壓縮機出口閥門、14為壓縮空氣管路(及空氣注入流向)、15為旋噴鉆機、16為動力頭、17為高壓水接頭、18為高壓水接頭藥劑液流進口、19為高壓水接頭空氣流進口、20為第二重管水流接頭(關閉)、21為旋噴鉆機注漿鉆桿自動提升機構、22為高壓噴射鉆桿(三重管)、23為高壓噴射三重鉆桿內管、24為高壓噴射三重鉆桿外管、25為引孔段、26為未旋噴段、27為旋噴注射修復段、28為藥劑噴射噴嘴、29為藥劑噴射液流、30為空氣噴射噴嘴、31為空氣噴射氣流、32為硬質合金塊、33為鉆頭、34為藥劑滲透擴散區、35為藥劑劈裂攪拌區、36為藥劑擴散方向、37為雜填土層、38為粉質粘土層、39為粉細砂層(含水層)、40為粉質粘土層、41為地下水水位埋深、R1為劈裂攪拌半徑、R2為滲透擴散半徑(R1+R2為藥劑有效擴散半徑)。

具體實施方式

下面將結合附圖對本實用新型做進一步的詳細說明：本實施例在以本實用新型技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式，但本實用新型的保護范圍不限于下述實施例。

如圖1～圖4所示，本實施例所涉及的一種土壤及地下水原位注入——高壓旋噴注射原位修復系統，包括：配藥站1、配藥站出口閥門2、配藥站出口不銹鋼快速接頭3、高壓注漿泵進口閥門4、高壓注漿泵5、高壓注漿泵出口閥門7、高壓注漿管8、空氣壓縮機11、空氣壓縮機出口閥門13、壓縮空氣管路14、旋噴鉆機15、動力頭16、高壓水接頭17、高壓水接頭藥劑液流進口18、高壓水接頭空氣流進口19、第二重管水流接頭20、旋噴鉆機注漿鉆桿自動提升機構21、高壓噴射鉆桿22、高壓噴射三重鉆桿內管23、高壓噴射三重鉆桿外管24、藥劑噴射噴嘴28、空氣噴射噴嘴30、硬質合金塊32和鉆頭33；所述配藥站1的出口安裝有配藥站出口閥門2，配藥站出口閥門2由配藥站出口不銹鋼快速接頭3與高壓注漿泵進口閥門4相連接，高壓注漿泵進口閥門4與高壓注漿泵5入口相連接，高壓注漿泵5的出口連接有高壓注漿泵出口閥門7；動力頭16的下端安裝有高壓水接頭17，高壓水接頭17上分別安裝有高壓水接頭藥劑液流進口18、高壓水接頭空氣流進口19和第二重管水流接頭20，高壓注漿管8的一端與高壓注漿泵出口閥門7相連接，高壓注漿管8的另一端與高壓水接頭藥劑液流進口18相連接；動力頭16的下部安裝有卷揚鋼絲繩與旋噴鉆機注漿鉆桿自動提升機構21連接，高壓水接頭17的下部安裝有高壓噴射鉆桿22、高壓噴射鉆桿22由高壓噴射三重鉆桿內管23和高壓噴射三重鉆桿外管24組裝而成，高壓噴射三重鉆桿內管23上設有藥劑噴射噴嘴28，高壓噴射三重鉆桿外管24上設有空氣噴射噴嘴30，高壓噴射鉆桿22的底端安裝有鉆頭33，鉆頭33上安裝有硬質合金塊32；高壓水接頭藥劑液流進口18與高壓噴射三重鉆桿內管23相連通，高壓水接頭空氣流進口19與高壓噴射三重鉆桿外管24相連通；空氣壓縮機11的出口連接有空氣壓縮機出口閥門13，壓縮空氣管路14的一端與空氣壓縮機出口閥門13相連接，壓縮空氣管路14的一端與高壓水接頭空氣流進口19相連接，高壓水接頭17上連接有第二重管水流接頭20，第二重管水流接頭20封閉或外接水泵(本實用新型中封閉該接口)。

所述藥劑噴射噴嘴28設置為兩個，兩個藥劑噴射噴嘴28水平180°分布；所述空氣噴射噴嘴30設置為三個，三個空氣噴射噴嘴30水平120°分布，所述空氣噴射噴嘴30設置于藥劑噴射噴嘴28下方100～200mm位置。

所述高壓注漿泵5的注漿壓力(藥劑注射壓力)為：25～30Mpa，空氣壓縮機11的空氣壓力為：0.7～0.8Mpa。

所述空氣壓縮機11為螺桿式空氣壓縮機。

本實施例所涉及的是一種用于污染土壤及地下水的原位注入——高壓旋噴注射原位修復方法，包括如下步驟：

(1)布點及引孔步驟：按三角形布點，設計藥劑擴散半徑覆蓋修復區域，重疊率10～15％。引孔測量放點前對修復場地表層進行壓實平整，防止注漿過程中形成短路或優先通道而造成嚴重返漿。引孔步履式引孔鉆機按設計注入點中心就位后，通過螺桿式空氣壓縮機(含空氣過濾罐)作為動力源，傳遞至氣動空氣錘鉆具及鉆桿，以110mm口徑開孔，采用氣動潛孔錘沖擊回轉鉆進方法，鉆穿雜填土層37或穿透污染場地原有基礎層即可，一般深度3～5m，形成了高壓旋噴注射的引孔段25。

(2)原位注入——高壓旋噴注射步驟：旋噴鉆機15就位注入點布孔點中心，配藥站修復藥劑溶液/漿液出口與高壓注漿泵漿液進口連接，高壓注漿泵漿液出口與旋噴鉆機三重管內管水接頭接口連接，螺桿式空壓機壓縮空氣出口與旋噴鉆機三重管外管水接頭接口連接。正式注射修復藥劑前，需進行清水試噴調試，以確保注射藥劑過程不發生管路或噴嘴堵塞現象。高壓噴射鉆桿22及鉆具下鉆，利用鉆具自帶鉆頭33(鑲嵌有硬質合金塊32)，鉆進原始地層，如粉質粘土層38、粉細砂層(含水層)39、粉質粘土層40，至設計最大修復深度后進行噴射修復，鉆進過程中始終開啟壓縮空氣管路14。所述空氣流自螺桿式空壓機(含過濾器)經空壓機新鮮空氣入口9進入，通過空氣注入管線連接旋噴鉆機15的動力頭16下方高壓水接頭空氣進口19，進入三重管外管24，從旋噴鉆具的空氣噴嘴30噴射壓縮空氣，在土壤及地下水中擴散。所述空氣噴嘴規格為1～3mm，水平呈120°設置，共設計3個，與三重管外管連通，噴射鉆桿下鉆至設計修復最大深度后，開啟高壓注漿泵5，噴射高壓液流(修復藥劑溶液/漿液)的同時噴射壓縮空氣，通過旋噴鉆機15自帶的鉆桿自動提升機構21自下而上邊提升邊旋轉鉆桿。藥劑噴射至修復設計頂面標高后，停止高壓注漿泵5，壓縮空氣繼續噴射至完全提鉆后停止供氣。所述藥劑噴射過程高壓注漿泵注射壓力25～30Mpa，注漿流量20～120L/min，空壓機壓力：0.7～0.8Mpa，提升速度：5～20cm/min。三重鉆桿的內管設置為藥劑噴射管，三重鉆桿的外管設置為壓縮空氣通道，內管與外管之間的二重管通道閥門關閉。氣、液二重管法注射修復藥劑過程，形成的有效擴散半徑較大，包括攪拌半徑R1(傳統水泥樁攪拌半徑0.3～0.5m)及藥劑注射后的滲透擴散半徑R2，其中藥劑擴散半徑可達0.8～3.5m，一般隨土層滲透性的增加而增加，含水層(如粉細砂)中R2遠大于R1。完成單孔藥劑高壓注射后，立即清洗旋噴鉆桿及鉆具等，旋噴鉆機移動至下一注入點(鉆孔)，按以上方法完成藥劑注射操作。

(3)藥劑反應后期監測步驟：所述藥劑反應后期監測單元為2英寸PVC監測井，在完成修復區域原位注射施工后設置地下水監測井，通過定期采取地下水監測地下水中修復藥劑殘留、pH值及地下水中污染物濃度等指標，以監測和評價修復效果。土壤修復效果通過設置土壤采樣點，采取土壤樣品后分析評價。

以上所述，僅為本實用新型較佳的具體實施方式，這些具體實施方式都是基于本實用新型整體構思下的不同實現方式，而且本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。因此，本實用新型的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。