污染治理药剂在土壤中水平扩散的试验研究

2022-09-20殷德顺曹晨曦

河南科学 2022年7期

郭恒，殷德顺，曹晨曦

（河海大学力学与材料学院，南京 211100）

土壤污染是人类面临的全球性问题［1］，我国的土壤污染情况也同样不容乐观，这增大了对土壤修复的需求［2-3］. 原位氧化还原技术是治理土壤污染时常用的修复手段，通过向土壤中注入化学药剂与污染物产生氧化还原反应达到去除土壤污染物的目的. 其中高压旋喷法是在静压注浆的基础上引入高压水流而开发的氧化剂投加方法，通过高压气流和液流作用，将化学药剂注入土壤及地下水中并使其充分扩散［4-5］. 然而在实际施工过程中，往往会存在返浆和药剂在土壤中扩散不充分的问题［6］，影响修复效率. 因此，探究土壤性质对地下土壤中水分扩散及溶质运移的影响是十分必要的，这对于指导施工具有重要意义.

药剂在进入土壤后，主要沿土壤孔隙通道进行扩散，因此土壤质地构造、土壤含水率对药剂的扩散有很大影响［7］. 不同的场地中土壤污染物分布深度情况有所不同，所对应的土壤围压也有所差别. 针对不同试样的研究表明，围压对孔隙介质的渗透系数有明显的影响. 张改玲和王雅敬［8］利用高压三轴渗透试验系统，对某矿区深部的粗砂和细砂进行了高围压条件下的渗透试验. 研究表明，高围压条件下，砂土渗透系数随围压增大而减小；袁荣宏等［9］利用改进的常规三轴仪压力室作为柔性壁式渗透仪，进行了渗透系数最低有效围压的试验研究，结果表明，当围压较低时，水泥土渗透系数较大，随着围压的增大，渗透系数迅速减小. 此外，土壤初始含水率的变化会影响土壤液相占比，从而药剂的扩散造成影响，Cueto等［10］从含水量空间分布的角度研究了初始土壤状态对富溶质水脉冲入渗的影响，研究表明，在入渗开始时，指状结构和土壤水的空间分布造成的优先流和通道之间存在着强烈的相互作用；Hamlen和Kachanoski［11］考察了初始条件对溶质脉冲运输的影响，得到了初始含水率对溶质突破曲线的影响. 这些研究表明土壤含水率是影响药剂溶液在地下土壤中扩散的重要因素. 同时，刘小文等［12］在研究中指出，在相同的干密度下，随着含水率的增加，基质吸力呈现出急剧减小的趋势，而基质吸力对土壤水分扩散以及溶质运移都有相当的作用［13］. 综上所述，土壤围压和土壤含水率对药剂在土壤中扩散都具有重要影响，探究围压和含水率对扩散的影响是十分必要的.

除了土壤物理性质，施工参数的设置也会影响药剂在土壤中的扩散. 在实际工程中，通常采用提高药剂注入速度来缩短工期，但过大的注入速度往往导致返浆问题的出现，影响修复效果. 何杰和辛文杰［14］在研究中指出，水动力环境减弱会造成污染物扩散速度减慢；Cao等［15］通过试验和数学模型相结合，研究了不同流速、土压力条件下非饱和土中水分扩散和溶质运移；Yasuda等［16］和Bejat等［17］也探讨了孔隙水流速对扩散系数的影响. 综合各研究表明，探究注入速度对药剂扩散的影响是十分必要的，对工程施工有指导意义.

探究溶液在土壤中的扩散规律，通常采用室内土柱［18-20］、野外土柱、野外采集等开展研究. 在高压旋喷修复土壤污染的过程中，药剂进入土壤后向四周扩散，因此需要探究药剂在土壤中水平扩散的规律. 用水平入渗实验计算土壤水分扩散率的方法最早由Bruce［21］提出，该方法是利用一个半无限长的水平土柱来进行入渗试验，可以忽略重力作用；Kirkham［22］采用水平土柱进行硝酸盐的扩散实验，并获得相应的模型参数. 结合工程实际情况和已有研究结果，需要对污染治理药剂在横向扩散情况下的扩散规律进行探究.

综上所述，为了解决实际工程中存在的问题，对采集自某土壤修复场地的土壤进行了一维横向土柱扩散试验，探究了不同土壤围压、土壤初始含水率以及药剂注入速度对药剂在土壤中扩散的影响规律，并通过土壤的最终pH分析了土壤污染治理效果.

1 试验装置及方案

1.1 试验装置

在实际修复工程中，水平方向有效修复半径往往是衡量修复效果和效率的标准. 因此，本文对地下土壤中水分运移的研究主要集中在水平方向的扩散部分，未考虑竖直方向的扩散. 图1 为室内试验装置连接示意图，通过此装置可开展不同影响因素（围压、含水率、注入速度）对药剂在土壤中扩散的研究.

图1 横向扩散实验装置图Fig.1 Diagram of lateral diffusion experimental device

试验装置主要由扩散试验筒、加压系统、注液系统以及检测系统四部分组成. 扩散试验筒内直径90 mm，总长1200 mm，在试验筒侧壁开有一个加液孔和编号为1～9的9个检测孔，加液孔及各测量孔间距100 mm.加压系统由空气压缩泵、气囊、土压力传感器及静态应变仪组成，通过气囊底板用于隔绝气囊和实验土柱，使试验土柱平均受压. 试验过程中，采用KCS PRO蠕动泵通过加液孔向土柱中恒速定量的注入溶液；将土壤含水率检测仪插入至1～9号检测孔中，实时检测扩散过程中各位置含水率变化情况，扩散结束后在检测孔处采集土样测量土壤最终pH.

1.2 试验材料

试验所用土壤采集自某土壤修复场地，经过除杂、烘干后，配置成试验所需含水率的土壤. 经测定，原状土呈弱酸性，原始含水率为17.58%，土壤颗粒组成见表1.

表1 土壤颗粒组成Tab.1 Soil particle composition

由于采集的土样呈弱酸性，因此采用水解呈碱性的磷酸钠用于模拟土壤污染治理药品，将磷酸钠配置成一定浓度的溶液用于模拟污染修复药剂. 试验中，将磷酸钠溶液注入土柱中，使得溶液与土壤发生酸碱中和反应，以此模拟在工程中土壤修复药剂治理土壤的过程.

1.3 试验方案

将试验筒竖直放置填充配置好的试验土壤，边填充边捣实，形成均匀的土柱，试验装置横放进行后续试验. 最前端的加液孔是模拟药剂的注入孔，通过KCS PRO蠕动泵定时定量以恒速将配置好的试验溶液注入试验土体中. 利用插入1～9号孔的土壤含水率检测仪进行时间的数据记录，对扩散过程中含水率变化进行实时测量. 试验筒靠近注入孔端部可安置气囊，并通过空气压缩泵充气至一定压力来模拟地下土壤受到的围压. 扩散完成后，在1～9号检测孔进行取样，测定土壤样品的pH值，探究药剂与土壤的反应情况，以此确定土壤修复情况. 同一组试验均进行两至三次误差在一定范围内的有效重复，尽量提高本试验的精确度并确保其可重复性. 具体的影响因素取值见表2.

表2 影响因素取值Tab.2 Values of influencing factor

2 结果与分析

2.1 围压对药剂扩散的影响

根据试验结果可以得出土壤围压对药剂在土壤中扩散的影响，图2 为土壤含水率为15%、注入速度为20 mL/min 时，各围压情况下含水率达到25%所需时间. 观察图2 可知，在围压较小（小于15 kPa）的时候，随着围压增大，药剂扩散所需时间逐渐减小；当围压较大（大于15 kPa）时，随着围压增大，扩散所需时间逐渐增大，这说明药剂的扩散速度随围压先增大后减小. 根据扩散规律发生变化的节点，将图2分解为图3（a）、（b），可以明显看出，当土壤围压为15 kPa时，药剂扩散速度最大. 因此可以推断，在其他条件一定的情况下，存在一个围压使得药剂扩散速度最快，据此可以确定土壤修复高压旋喷技术的最佳深度.

图2 不同围压下含水率达到25%所需时间Fig.2 Times required for water content to reach 25%under different confining pressures

图3 不同围压下土壤含水率达到25%所需时间Fig.3 Times required for soil water content to reach 25%under different confining pressures

扩散结束后，采集1～5 号孔的土壤样本，测量其pH值，以便更好地观察. 图4 为不同围压情况下各观测孔的最终pH值，图5为根据大小围压将图4进行分解.

分析图4、图5 可知，在围压较小的时候，最终pH 值随着围压的增加逐渐增加，且各点的pH 值相差不大，这说明在一定程度上，增大土壤围压会促进药剂溶质扩散. 当土壤围压较大（大于20 kPa）时，1 号孔处最终pH 明显大于后方各观测孔，即过大的围压会抑制药剂扩散，使得药剂聚集在注入位置.

图4 不同围压下各孔最终pH值Fig.4 The final pH of each hole under different confining pressures

图5 不同围压下各孔pH值Fig.5 The final pH of each hole under different confining pressures

通过以上结果可以得知，土壤围压是影响污染治理药剂扩散的一个关键因素. 药剂在进入土体之后，从注入点处沿土壤孔隙通道向各个方向进行扩散. 由于本试验中土壤围压是横向加载，因此土柱在收到压力后，纵向孔隙会率先收到压缩，横向孔隙在压力的作用下被联通，所以在较小围压情况下，药剂扩散速度会随着土壤围压增大而增大. 持续增大压力，当土壤围压达到一定数值后，各个方向的孔隙进一步被压缩，药剂扩散变得非常困难，因而此时会出现随着围压增大，药剂扩散速度逐渐减小的趋势，并且药剂会在注液孔附近聚集，使得1号孔处pH值远大于后方各孔，造成土壤污染修复不彻底，而且会导致注液孔附近药剂残留，有二次污染的风险.

在实际工程中，不同场地污染物深度不同，对应的围压也不相同. 当污染物深度较浅时，土壤围压可以促进药剂扩散，当污染物深度较深时，土壤围压会抑制药剂的扩散，此时可以通过改变其他条件，以达到更好的修复效果.

2.2 土壤含水率对药剂扩散的影响

在讨论土壤含水率对药剂扩散的时候，由于所配置的土柱初始含水率不同，因此选用各孔含水率增加10%所需时间进行研究，根据实验结果，图6（a）、（b）为注入速度分别为40 mL/min和60 mL/min、自由扩散情况下，不同含水率对药剂扩散速度的影响.

图6 土壤含水率增加10%所需时间Fig.6 Times required for soil moisture content to increase by 10%

通过图6可以看出，在其他条件相同的情况下，短距离内（1号孔处），土壤初始含水率较低时，土壤水分扩散速度较快，而随着扩散的持续进行，通过后方几个观测孔含水率变化可以看出，在扩散后期初始含水率较高时药剂扩散速度更快. 产生这一现象的原因是本实验所配置的土样均为非饱和土，在相同的干密度下，非饱和土的基质吸力对含水率的变化比较敏感，随着含水率的增加，基质吸力呈现出急剧减小的趋势［12］. 因此，在距离加液孔较近的1号孔处有含水率较低的土壤的含水率增长速度最快的现象. 随着实验的继续，土壤含水率逐渐增大，土壤孔隙逐渐被药剂溶液填充，形成液体孔隙通道，土壤含水率越高有效孔隙占比越多，因此在扩散后期，初始含水率较高的土柱中药剂扩散更快.

扩散结束后，采集各观测孔处土壤样品，测量其pH值以此反应土壤与药剂溶液的反应情况，评估扩散效果，图7（a）、（b）为注入速度分别为40 mL/min和60 mL/min时各观测孔处土壤pH检测曲线. 可以发现，不同含水率情况下，土壤最终pH相差不大，这说明不同含水率情况下，土壤污染物与药剂溶液反应情况基本相当，即土壤初始含水率不影响综合治理效果.

图7 不同含水率情况下土壤最终pHFig.7 The final pH of soil under different water contents

2.3 药剂注入速度对药剂扩散的影响

通过试验结果可以得到注入速度对药剂在土壤中扩散的影响，图8（a）、（b）为药剂质量浓度为15 g/L，土壤含水率分别为10%和20%时，不同注入速度情况下各观测孔含水率达到25%所需时间.

图8 不同注入速度下土壤含水率达到25%所需时间Fig.8 Times required for soil moisture content to reach 25%under different injection rates

通过图8可以看出，随着注入速度的增加，扩散所需时间明显变短，即扩散速度变大，然而扩散速度的增加与注入速度的增加不成正比. 注入速度从20 mL/min 增加至40 mL/min 时，扩散速度明显增大，然而当从40 mL/min增加至60 mL/min时，扩散速度基本不变.

在实际工程中，污染场地内的污染物总量是一定的，因此治理土壤污染所用的药剂总量也是一定的. 考虑到在不同注入速度情况下相同药剂注入所需的总时间不同，在此引入了相对时间的概念，即

其中：Tˉ为相对时间；T为观测孔处土壤含水率达到25%所需时间；T0为该组试验所花费的总时间.

图9（a）、（b）为两种不同初始含水率的情况下，不同注入速度所对应的土壤含水率达到25%所需的相对时间. 可以看到，在相同的扩散距离情况下，随着注入速度的增大，药剂扩散所需相对时间有着先减小后增大的趋势. 因此，要增大单位时间内的扩散效率，需要根据土壤性质选择合适的注入速度.

图9 不同注入速度下土壤含水率达到25%所需相对时间Fig.9 Relative times required for soil moisture content to reach 25%under different injection rates

扩散结束后，采集各观测孔处土壤样品，图10（a）、（b）为土壤含水率分别为10%和20%时，各观测孔处土壤pH检测曲线，

图10 不同注入速度情况下土壤最终pHFig.10 The final pH of soil under different injection rates

观察图10，在注入速度为20 mL/min 和40 mL/min时，各个观测孔处土壤最终pH基本平稳，当注入速度提升到60 mL/min 时，各观测孔pH 由明显波动，扩散并不稳定，分析此现象：土壤呈弱酸性，治理药剂呈碱性，1号孔附近中和反应基本结束，持续注入的药剂使此处pH较高；2～4号孔中和反应也基本结束，但还未有新的药剂扩散，因此pH较低；5～7号孔中和反应仍在发生，药剂还有残留，此处pH较高；8、9两孔处药剂几乎未扩散到此处，由于土壤呈弱酸性，因此pH较低.

通过以上结果，可以看出在采用高压旋喷法修复土壤污染工程中，药剂注入速度是相当重要的施工参数. 当药剂注入速度变化在一定范围之内时，药剂溶质扩散会较为均匀，在一定范围内都有很好的治理效果，并且注入速度增大，药剂注入速度也随之增大，单位时间内扩散效率也更高. 而当注入速度大于一定数值之后，药剂溶质的扩散会出现聚集现象，治理范围也会变小，且此时提高注入速度，并不会明显提升扩散速度，反而会使得单位时间内扩散效率变低.

药剂在进入土壤后，主要沿土壤液相和孔隙通道进行扩散，随着药剂注入速度增大，参与到扩散过程的土壤孔隙占比逐渐增大，此时随着注入速度增大，药剂扩散速度也随之增大. 当注入速度大于一定数值之后，孔隙通道全部参与到扩散过程中，持续增大注入速度，孔隙通道不足以通过大量药剂，因此扩散速度增长会减慢. 此外，当注入速度过大时，短时间内大量药剂进入土壤，超出土壤扩散能力，药剂逐渐累积，这会对土壤结构造成破坏，抑制药剂向后扩散，影响药剂的扩散距离，使得治理范围变小.