高压旋喷技术在苯污染地下水修复中的应用

舒心，胡培良，马英

（永清环保股份有限公司，长沙 410330）

在地下水污染修复工程中，原位修复以其无需进行开挖或地下水抽出、设备占地面积小、无二次污染、效果彻底等优势，得到了迅速发展[1]，产生了适用于各类工况的修复方法，主要包括可渗透性反应墙、原位化学氧化、原位生物修复、原位电动修复等。其中原位化学氧化是较常用的原位修复手段，其工作原理主要是将化学药剂注入到含污染物的地下水中，通过污染物与化学药剂的反应，促进污染物的降解和消除，通常采用的药剂有芬顿药剂、高锰酸钾、臭氧、过硫酸盐和过氧化物等氧化剂，对于苯系物及总石油烃等有机污染物的处理比较有效，有着工作周期短、成本低、适用范围广的特点[2]。

影响原位化学氧化技术修复效果的关键参数包括：药剂投加量、污染物类型、土壤质地和地下水水位等。针对不同需求，药剂注入的工艺有直推式注入法、注入井注入法和高压旋喷注入法。实际工程中，根据不同场地条件、水文地质条件、污染物分布以及注入药剂特性等特点，一般选取一种或两种工艺的组合，必要时辅以药剂，达到修复整个污染场地的目的。本文以某化工厂污染场地地下水修复工程为案例，介绍了原位化学氧化-高压旋喷修复技术的应用，以期提供类似修复工程的借鉴经验。

1 场地污染概况

1.1 场地污染状况

该场地为安徽某化工厂退役场地地块，该化工厂退役前为小型私人炼油厂，主要进行废油提炼加工，采用催化裂解工艺生产汽油、柴油。厂区主要分为办公区、储罐区、生产区和生产车间。前期场地调查发现储罐区约428m2地块的地下水受到了苯污染，污染深度为1.38m，后期本场地拟规划为工业用地。

1.2 场地地质和水文地质条件

场地内9m 勘察深度内，地基土自上而下分为杂填土层和粉质黏土层：

杂填土层主要由粉质黏土组成，局部夹少量碎石，土质不均匀，微透水性，厚度为0.9～1.2m。

粉质黏土层颜色为褐黄或黄褐色，含氧化铁及铁锰质，偶夹少量灰色高岭土团块，土质较均匀，可塑，中压缩性，微透水性。

根据土工试验结果，该场地地基土为粉质黏土，渗透系数非常小，介于1.1×10-7～3.6×10-7，为弱透水性，基本不透水。

场地范围内无稳定含水层，地下水类型属于上层滞水，土层滞水以大气降水的形式补给，以蒸发的形式排泄，且仅在场地范围内局部连通。

1.3 场地地下水污染特征

修复筛选值通过选择《地下水环境质量标准》（GB/T 14848—2017）中“基于一定水平的人体健康风险为依据”的Ⅳ类水标准确定，苯的筛选值为120μg/L。

由于上层滞水量受降雨等因素影响，场地实测水层厚度约为1.38m。地下水修复范围的确定以未超标点位和滞水的赋存区域为边界进行划定，污染区域主要集中在储罐区，地下水修复范围见图1。地下水超标污染物苯的最高检出浓度为153μg/L，超出风险筛选值0.275 倍。修复工程量信息见表1。

图1 地下水修复范围

表1 地下水修复信息

2 技术方案

2.1 工艺选择

（1）技术选择

由于场地土壤以黏土为主，黏粒含量高，渗透性较差，滞水难以完全从土壤中抽出且苯具有易挥发的特性，抽出处理可能会造成苯的挥发，影响周边环境。从项目特点、技术可行性、工程实施难度、治理成本、生态环境保护等角度综合考虑，地下水抽出处理技术不适用于该项目。考虑采用原位高级氧化技术进行处理，注入方式采用适用于渗透性较低的黏性土壤的高压旋喷技术，其注射压力高、扩散半径大、工程经济性好[3]。原位注入-高压旋喷注射修复技术占据了国内污染场地原位修复60%以上的市场，逐步取代了水力压裂注入和注入井技术[4]。

（2）药剂选择

由于该项目苯的浓度和超标倍数均不高且地下水中含有铁、锰等金属离子，因此设计采用双氧水作为氧化剂，利用水体中存在的金属阳离子作为催化剂使其产生高反应活性的羟基自由基（·OH），从而去除较低浓度的苯污染物，该方法成本较低、处理后无次生环境危害、工程使用安全[5]。

2.2 技术参数

（1）氧化药剂

药剂添加总量按照场地污染地下水水量乘以药剂添加比计算。药剂添加量=含水层水量×有效孔隙度×安全系数×药剂添加比例。

本项目未建垂直防渗墙，药剂在进入含水层后不仅要氧化修复区目标污染物，还要与含水层中易被氧化的有机碳发生反应。含水层有效孔隙度取0.35，滞水层厚度取1.38m，本次选用的药剂是浓度为27.5%的双氧水，双氧水的添加比取5%，安全系数取1.5。

（2）注入系统

注入系统主要设备包括XP-25 型高压旋喷机和GY13型高压注浆泵。旋喷钻机采用单重管旋喷方式进行药剂注入，最大钻孔深度为2m，高压旋喷机转速为12r/min，提升速度为42cm/min。高压注浆泵注入压力为38MPa，每个布点注入时间为3～10min。

（3）注射布点

在施工前进行了工程化中试，测试得出注入影响半径为0.5m，包括搅拌半径和渗透扩散半径。为保障药剂扩散后能覆盖全部场地，同时控制好药剂投入成本，布孔方式采用梅花形布置，孔位间距为0.87m，场地面积428m2。平面布置见图2，原位注入钻孔布设参数见表2。

表2 原位注入钻孔布设参数

图2 原位注入点位示意

3 工程实施

旋喷工艺流程见图3。

图3 旋喷工艺流程

（1）施工准备：工程实施前平整压实场地，机械设备、药剂原料和配套设施准备就位。

（2）标定注入点：测量定位和定点放线，确定各钻孔点位置和深度，确保钻机位置准确到位，钻杆的垂直度达到要求。

（3）引孔、调试和试验：钻机就位后根据布设的点位先行施工导孔，终孔深度和孔径满足设计要求。钻机导孔的点位偏差不大于50mm，成孔的垂直度不大于1.5%。旋喷机在已成孔前定位，检查全系统工作是否正常，检查有无漏水、压力能否达到施工要求、高压注浆泵是否正常。

（4）药剂配置：采用27.5%浓度的双氧水试剂和清水，加入药剂罐中混匀。

（5）高压旋喷作业：将带有特殊喷嘴的注浆管（钻杆）通过钻孔插到土层预设的点位和深度，喷嘴在喷射出药剂的同时会向上提升，提升过程中检查浆液的流量、喷射压力、提升速度等。高压液流自下而上切削土体，实现药剂在水体中的扩散，使药剂与受污染地下水充分混合。

（6）养护监测：旋喷注射药剂完成后，药剂与污染物发生化学氧化反应，充分反应1～2 个月后达到修复目标要求。施工完成后对地下水pH 值、药剂残留量、目标污染物浓度等参数进行监测。

（7）验收：化学氧化修复结束后，开展自检，自检合格后可进行验收工作。若不合格，根据检测结果配制药剂进行复喷。

4 修复效果分析

4.1 监测系统

本场地地下水污染物为苯，为了评估运行过程及修复效果，需要对地下水进行监测。

（1）监测点的确定

根据地块水文地质条件，设置对照井、监测井和控制井，对照井设置在地下水污染羽的上游，反映区域地下水质量。监测井设置在污染羽内部，反映修复过程中污染羽浓度变化情况，监测井结合污染羽分布情况，按三角形布设。控制井设置在地下水污染羽的上游、下游以及垂直于地下水径流方向的污染羽两侧的边界位置。

本项目监测对照井设置1 个、监测井设置3 个、控制井设置3 个。布点见图4。

图4 地下水监测点位示意

（2）监测指标及标准

工程运行期间对地下水水位、水质、注入药剂特征指标、二次污染物等进行监测，具体包括地下水水位和目标污染物浓度，监测指标为pH 值、温度、电导率、总硬度、氧化还原电位、溶解氧、CODCr、BOD5、苯。

（3）监测频率

地下水修复工程的运行期间，监测频次为每半个月一次。运行后期监测频次为每季度一次，两个批次间隔不得少于1 个月。根据修复达标初判的需求，持续开展了4 个季度的监测。

4.2 监测结果

监测结果表明，地下水pH 值变化不大，各项监测指标未见异常，在施工后一个季度内，各监测点位的苯浓度持续下降，并在此后1 年的长期监测中均未检出苯，地下水水质稳定。地下水修复后监测结果见图5。

图5 地下水修复后监测结果

5 结语

（1）采用双氧水作为氧化剂能对低污染浓度地下水起到一定修复效果，由于地下水水质复杂，水体中存在的金属阳离子能作为催化剂使双氧水产生高反应活性的羟基自由基（·OH），对较低浓度苯污染物的去除效果较好。

（2）高压旋喷注入法可通过切割、搅拌和渗透作用，有效解决氧化剂在低渗透性黏性土壤中的扩散问题，提高药剂与地下水的混合程度，更适合黏性土壤环境下的地下水修复。

（3）高压旋喷式注入方式施工操作简单、灵活，可显著缩短修复设备安装调试时间与注药时间，有效缩短工期。