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(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，一方面因場(chǎng)地再開(kāi)發(fā)利用的需求，城市中大量工業(yè)企業(yè)面臨被關(guān)?；蛘甙徇w，遺留下部分被污染的土壤與地下水，其污染物類(lèi)型包括重金屬和有機(jī)物等[1]。 另一方面，因化肥、農(nóng)藥的長(zhǎng)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(jī)污染物及重金屬等的超標(biāo)[2]，污染的農(nóng)產(chǎn)品給人類(lèi)健康帶來(lái)威脅。 出于綜合開(kāi)發(fā)利用及健康安全方面的考慮，修復(fù)治理被污染的場(chǎng)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(lèi)。 原位修復(fù)相較于異位修復(fù)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：①不涉及運(yùn)輸和開(kāi)挖回填，成本更低；②施工占用空間較??； ③對(duì)場(chǎng)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(fēng)險(xiǎn)。 因此，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)于污染場(chǎng)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(guó)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(shí)際運(yùn)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(duì)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(jiàn)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(cè)井技術(shù)發(fā)展而來(lái)的一種原位注入修復(fù)施工方式。 實(shí)施時(shí)需在場(chǎng)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(jìn)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(shí)際工程中直推建井的施工方式較中空螺旋鉆法更為簡(jiǎn)單快捷，所成井的孔徑相對(duì)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(diǎn)的場(chǎng)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(diǎn)位同時(shí)開(kāi)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(dāng)注射井篩管跨度范圍內(nèi)涉及不同類(lèi)型土層時(shí)，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(biāo)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(fēng)險(xiǎn)。 此外，注射井注入法還可注入氣體，如通過(guò)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(guò)高溫氣體直接對(duì)土壤進(jìn)行加熱[10]。注射井注入示意見(jiàn)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(guò)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(guò)液壓設(shè)備進(jìn)入地下目標(biāo)區(qū)域，下壓途中按需將多根桿件相互連接直至目標(biāo)深度。修復(fù)工程中通常使用Geoprobe多功能鉆機(jī)完成下壓工作，該鉆機(jī)設(shè)備包含履帶底盤(pán)，自身可移動(dòng)，因而可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及需求靈活移動(dòng)位置。因其占地面積較小，可在不影響場(chǎng)地內(nèi)企業(yè)運(yùn)營(yíng)的情況下完成注入。 注射頭在垂直位置通過(guò)上提或下壓注射桿方式實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，因而直推式注入法可較為精準(zhǔn)地控制注射深度[11]，有針對(duì)性地對(duì)重污染區(qū)域開(kāi)展藥劑注入，降低地層不均質(zhì)性對(duì)注入修復(fù)的影響。

為解決直推式注入的注射桿下壓過(guò)程中土壤堵塞注射口的問(wèn)題，對(duì)直推式注入的注射桿或注射頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)： ①將注射桿頂部的推進(jìn)頭設(shè)計(jì)成一次性的，在到達(dá)目標(biāo)深度后通過(guò)適當(dāng)上提使注射桿頂部的推進(jìn)頭脫落，露出其內(nèi)藏的注射頭進(jìn)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(shí)通過(guò)套管保護(hù)注射頭或選用壓力啟動(dòng)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(wú)需設(shè)備重復(fù)進(jìn)場(chǎng)的單輪注入場(chǎng)合，尤其適用于地表建筑物、設(shè)備等較多的場(chǎng)地。因其注入設(shè)備體積較小，可在企業(yè)廠房?jī)?nèi)進(jìn)行施工，且注射位置可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況使用鉆機(jī)進(jìn)行靈活調(diào)整，并采用斜向注射等方式對(duì)建筑物或設(shè)備下方區(qū)域進(jìn)行注射。 直推式注入法已被證明可運(yùn)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(jiàn)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(guò)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?cè)貙咏Y(jié)構(gòu)與組成，達(dá)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(kāi)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(lái)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(lèi)似地下攪拌的功能，因此注入地下的藥劑可更好地進(jìn)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(jìn)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(duì)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(kuò)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(wú)需設(shè)備重復(fù)進(jìn)場(chǎng)的單輪注射場(chǎng)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(jìn)行原位氧化/還原修復(fù)土壤及地下水，對(duì)地下的苯系物[19]、苯酚[17]、多環(huán)芳烴[15]、石油烴[18]及六價(jià)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(jiàn)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(lái)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(qiáng)或防滲結(jié)構(gòu)構(gòu)建，利用深層攪拌機(jī)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(qiáng)度或防滲性能[21]。 其工藝無(wú)需大面積開(kāi)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(duì)應(yīng)的修復(fù)藥劑，在土體中進(jìn)行原位攪拌及藥劑注射，通過(guò)機(jī)械強(qiáng)制拌合使得注入藥劑與污染土壤充分接觸混合，從而達(dá)到注入藥劑與地下污染物充分?jǐn)嚢杌旌系哪康摹?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(tái)設(shè)備同時(shí)帶動(dòng)幾根鉆桿進(jìn)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(huì)增加，且更多的返漿將帶來(lái)二次污染風(fēng)險(xiǎn)，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(jìn)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(shí)際深層攪拌工藝方式的選擇需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(wú)需設(shè)備重復(fù)進(jìn)場(chǎng)的單輪注射場(chǎng)合。南京市[23]、上海市[24]、江蘇省[25]等地均采用過(guò)此技術(shù)進(jìn)行液態(tài)氧化劑的注射, 成功去除了場(chǎng)地內(nèi)的氯苯類(lèi)、苯類(lèi)、苯胺類(lèi)等污染物[23-25]。深層攪拌注入示意見(jiàn)圖4。

圖4 深層攪拌注入示意

2 各種注入技術(shù)的特點(diǎn)分析

結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究和工程資料[3,5-6,15-20,23-25]，對(duì)上述4 種常見(jiàn)的修復(fù)藥劑原位注入形式的適用條件進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)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(duì)揮發(fā)性有機(jī)物、半揮發(fā)性有機(jī)物、石油烴等污染物進(jìn)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(duì)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(wèn)題，但在土壤地下水修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)較晚，技術(shù)尚未成熟。4 種原位注入技術(shù)的優(yōu)、缺點(diǎn)，見(jiàn)表2。

表2 4 種原位注入技術(shù)的優(yōu)、缺點(diǎn)

4 種注入方式的主要施工參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 4 種原位注入技術(shù)設(shè)計(jì)施工參數(shù)

3 原位注入技術(shù)存在問(wèn)題及解決方案

（1）地層適用性及對(duì)地層的影響

注射井注入法與直推式注入法存在的共同問(wèn)題：受地質(zhì)及水文地質(zhì)條件影響較大，藥劑的擴(kuò)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(dá)到預(yù)期修復(fù)效果。對(duì)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(jìn)行注射難以保證修復(fù)藥劑擴(kuò)散進(jìn)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(kuò)散半徑不一致的問(wèn)題，往往高滲透性地層接受的藥劑量更多，擴(kuò)散范圍也更廣；直推式注入法可通過(guò)改變不同深度處藥劑注射量解決這一問(wèn)題。

高壓旋噴注入及深層攪拌注入通過(guò)對(duì)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(guò)程中強(qiáng)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(duì)土體的攪拌破壞也可造成修復(fù)場(chǎng)地地基承載力的下降[23]，影響到臨近注射點(diǎn)位的注入或后續(xù)的修復(fù)施工甚至場(chǎng)地的開(kāi)發(fā)利用建設(shè)。

（2）藥劑對(duì)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(wú)腐蝕性的水泥漿等固化材料，當(dāng)應(yīng)用于被污染土壤及地下水修復(fù)時(shí)，存在修復(fù)藥劑對(duì)設(shè)備的腐蝕性問(wèn)題。 研究表明，應(yīng)用于污染場(chǎng)地原位化學(xué)修復(fù)的過(guò)硫酸鈉溶液和亞硫酸氫鈉溶液對(duì)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(wèn)題

直推式注入法在注射桿下壓過(guò)程中易出現(xiàn)橫向擾動(dòng)，在注射過(guò)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(yùn)用于地下水位較高的場(chǎng)地時(shí)，注入的藥劑與高含水率的污染土壤混合形成的漿液也會(huì)從鉆孔中溢出地表[25]。 原位注入過(guò)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(guò)程中造成的土體擠壓、 高壓流體切割等物理作用還可能對(duì)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(duì)以上原位注入技術(shù)中存在的問(wèn)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(wèn)題，提出一種稱為“工程注射和抽提”的技術(shù)[27]，其通過(guò)在注射井周邊的一系列井中注射清水或進(jìn)行地下水抽提以制造不穩(wěn)定的地下流場(chǎng)，對(duì)注入地下的修復(fù)藥劑與污染物的羽流進(jìn)行拉伸與折疊，使二者盡可能地接觸混合。其可顯著增強(qiáng)藥劑在地下的擴(kuò)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(duì)于高壓旋噴或深層攪拌注入后地基承載力下降的問(wèn)題，可在修復(fù)效果監(jiān)測(cè)完成后使用原設(shè)備注入水泥漿進(jìn)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(jìn)入地層中[24]，通過(guò)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(qiáng)冒漿漿體的強(qiáng)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(jìn)場(chǎng)或點(diǎn)位間移動(dòng)困難的問(wèn)題；后者由于水泥固化，地層滲透性減小，長(zhǎng)期修復(fù)效果的監(jiān)測(cè)將變得困難[28]，若第一輪注入修復(fù)不達(dá)標(biāo)，后期第二輪的注入修復(fù)將變得更為困難。 可通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)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(shì)區(qū)間互補(bǔ)，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(yùn)用高壓旋噴或深層攪拌注入進(jìn)行場(chǎng)地修復(fù)時(shí)，通過(guò)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(duì)設(shè)備的腐蝕[26]。

4 總結(jié)和展望

對(duì)原位注入技術(shù)中一些尚未徹底解決的問(wèn)題，提出以下建議：

（1）對(duì)原位注射形式實(shí)施改良，可將液體藥劑與氣體混合，通過(guò)霧化或氣溶膠形式進(jìn)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(shí)短路、冒漿嚴(yán)重的問(wèn)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(guò)實(shí)時(shí)了解注射點(diǎn)位地層分布及污染負(fù)荷情況隨時(shí)調(diào)整注射參數(shù)，實(shí)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(jì)原位注入方式，針對(duì)不同特征區(qū)域有選擇的進(jìn)行多種注入技術(shù)的合理組合，揚(yáng)長(zhǎng)避短，提高藥劑整體注入效果。

（4）進(jìn)一步研發(fā)抽注結(jié)合技術(shù)，通過(guò)抽提與注入的合理輪換與組合，提高藥劑的擴(kuò)散范圍，強(qiáng)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(jìn)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?jī)?nèi)部等較為狹小的空間；同時(shí)強(qiáng)化設(shè)備的可移動(dòng)性和可操作性，使原位注入修復(fù)期間設(shè)備在點(diǎn)位與點(diǎn)位間的移動(dòng)更為方便快捷。

（6）開(kāi)發(fā)成熟的二流體或三流體注射設(shè)備，進(jìn)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(guò)程中注射桿的橫向擾動(dòng)問(wèn)題，避免冒漿現(xiàn)象。

（8）對(duì)注入設(shè)備的結(jié)構(gòu)和材料持續(xù)改進(jìn)，并進(jìn)行浸泡、耐候等試驗(yàn)，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(duì)不同種類(lèi)、狀態(tài)的藥劑進(jìn)行注射施工。

（9）開(kāi)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(lái)的難以二次進(jìn)場(chǎng)或再開(kāi)發(fā)建設(shè)等問(wèn)題，同時(shí)又可在一定程度上避免后期修復(fù)效果監(jiān)測(cè)或補(bǔ)充修復(fù)無(wú)法順利開(kāi)展的問(wèn)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(dòng)小、污染物去除效率高、二次污染相對(duì)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(diǎn)正越來(lái)越多地應(yīng)用于污染土壤地下水修復(fù)。 通過(guò)對(duì)4 種原位注入修復(fù)技術(shù)的特點(diǎn)、實(shí)施情況及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，分析各技術(shù)不足，并對(duì)原位注入技術(shù)中普遍存在的如藥劑擴(kuò)散范圍有限、設(shè)備腐蝕、冒漿、對(duì)地層穩(wěn)定性影響等問(wèn)題提出多種建議。