本實用新型涉及一種土壤及地下水原位化學氧化高壓旋噴注射修復系統，屬于土壤及地下水原位修復系統技術領域。

背景技術：

我國城市工業污染場地主要受揮發性及半揮發性(VOCs/SVOCs)等石化類、化工類有機污染，包括苯系物、有機氯溶劑、硝基苯類、多環芳烴等，在環境中容易遷移。異位修復具有開挖安全及二次污染風險，同時增加工程降水及后續水處理等難度。原位修復技術具有擾動小、有效避免二次污染、高效等優點。

美國自20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。原位化學氧化(In Situ Chemical Oxidation，ISCO)技術依靠向土壤及地下水投加化學氧化劑，將地下水里的污染物氧化成毒性相對較低的產物(如二氧化碳、水或氯離子等)，從而達到修復目的，該類技術可同時處理多種污染物，處理效率較高。常用的化學氧化藥劑包括芬頓試劑、高錳酸鉀、臭氧、活化的過硫酸鹽等，芬頓及活化的過硫酸鹽氧化還原電位較高(分別為2.8V和2.6V)，未活化過硫酸鹽的氧化還原電位與臭氧接近(分別為2.01V和2.07V)，高錳酸鉀氧化還原電位偏低(1.68V)。芬頓試劑由于反應非常迅速和激烈，持續時間短，地下水修復效果較差。過硫酸鹽常用活化劑包括高熱、堿、Fe²⁺和H₂O₂等，其中堿活化的氧化反應比較持久和穩定，成為目前較為流行的新型氧化劑之一。因此，土壤及地下水中的苯系物、硝基苯類、石油烴等有機污染物的修復首選活化過硫酸鹽。

現有的原位化學氧化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鉆頭高壓注射、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。

原位鉆頭直壓式注入是將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。

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。這兩種發明采用間歇式注射方式，在土層垂直深度方向無法控制和實現修復藥劑投加比的優化設計及實施。

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。

申請號為201420445518.1的“一種原位化學氧化注入井系統”中國實用新型專利，實質為PVC注射井，非飽和層較適用，飽和層存在注漿困難，多次間歇操作，施工周期長的缺陷，同時適用地層受限，粘土層基本無效。

申請號為201420445542.5的“一種有機污染土壤修復溶配藥系統”中國實用新型專利，加藥泵及氣動攪拌機都為氣動設備，單個配藥罐容積為1方，配置能力偏小，對于深層注射需多次配置，無法實現單孔連續注射作業。

技術實現要素：

本實用新型的目的是針對深層、重度復雜有機污染場地，解決土壤及地下水地塊/區域的原位化學氧化修復施工中藥劑投加比的分區優化施工難題，以及現有原位注入修復系統注漿參數難以優化和控制的不足問題，進而提供一種土壤及地下水原位化學氧化高壓旋噴注射修復系統。

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化學氧化高壓旋噴注射修復系統，包括：配藥站單元和修復藥劑溶液高壓注射及壓縮空氣注射單元；

所述配藥站單元包括：耐腐蝕泵、液堿輸送管路、一號配藥罐、一號配藥罐K藥劑加藥平臺、一號配藥罐攪拌電機及攪拌槳、第一閥門、二號配藥罐、二號配藥罐K藥劑加藥平臺、二號配藥罐攪拌電機及攪拌槳、第二閥門、三通和高壓注漿泵進口閥門，所述耐腐蝕泵的出口與液堿輸送管路相連通，液堿輸送管路分別與一號配藥罐和二號配藥罐相連通，一號配藥罐上安裝有一號配藥罐攪拌電機及攪拌槳，二號配藥罐上安裝有二號配藥罐攪拌電機及攪拌槳，三通的第一端與一號配藥罐之間由管路相連通，三通與一號配藥罐之間的管路上串接有第一閥門，一號配藥罐的上部連接有一號配藥罐K藥劑加藥平臺，三通的第二端與二號配藥罐之間由管路相連通，三通與二號配藥罐之間的管路上串接有第二閥門，二號配藥罐的上部連接有二號配藥罐K藥劑加藥平臺，三通的第三端與高壓注漿泵進口閥門的一端相連通；

所述修復藥劑溶液高壓注射及壓縮空氣注射單元包括：高壓注漿泵、高壓注漿泵出口閥門、高壓注漿膠管、空氣壓縮機入口閥門、螺桿式空氣壓縮機、空壓機壓力表、空氣壓縮機出口閥門、壓縮空氣管路、高壓水接頭、旋噴鉆機、動力頭、高壓水接頭藥劑液流進口、高壓水接頭空氣流進口、旋噴鉆機注漿鉆桿自動提升機構、高壓旋噴注漿鉆桿、液流噴射噴嘴、空氣噴射噴嘴、硬質合金塊和鉆頭，所述旋噴鉆機上安裝有動力頭，動力頭上分別安裝有高壓水接頭、高壓水接頭藥劑液流進口和高壓水接頭空氣流進口，高壓注漿泵的入口與高壓注漿泵進口閥門的另一端相連通，高壓注漿泵的出口與高壓注漿膠管的一端相連通，高壓注漿膠管的另一端與高壓水接頭藥劑液流進口相連通，高壓注漿泵出口閥門串接在高壓注漿膠管上，動力頭的下部安裝有旋噴鉆機注漿鉆桿自動提升機構，高壓水接頭的下部安裝有高壓旋噴注漿鉆桿，螺桿式空氣壓縮機的入口端連接有空氣壓縮機入口閥門，螺桿式空氣壓縮機的出口端與壓縮空氣管路的一端相連通，壓縮空氣管路的另一端與高壓水接頭空氣流進口相連通，壓縮空氣管路上串接有空氣壓縮機出口閥門，空壓機壓力表連接在螺桿式空氣壓縮機出口端的壓縮空氣管路上，高壓旋噴注漿鉆桿的下端連接有鉆頭，鉆頭上設有硬質合金塊，高壓旋噴注漿鉆桿的下部設有液流噴射噴嘴和空氣噴射噴嘴。

本實用新型的有益效果是：

1、本實用新型的修復系統結構簡單、設備移動方便，優越于現有的如原位加熱、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處理系統。修復成本低于原位加熱、熱解吸等技術，尤其在砂層的機械成本大大降低，可最佳地達到原位體系的修復效率及污染物的去除效果。

2、使用本實用新型進行原位注入點的布設，便于施工中盡量連續作業，從地下水區域上游往下游方向逐排流水施工，有利于藥劑擴散。注漿段優化為兩段，優勢在于調整注漿量，實現垂直深度的藥劑投加比優化。

3、本實用新型的2套3方PVC罐體的配藥站設計，單次配置藥劑能力達到6方/小時，便于實現單孔藥劑的連續注射操作，可滿足12m深度修復1～2個注射孔連續注射的需求，減小了因藥劑配置耽誤施工時間的麻煩。相比Geoprobe鉆機高壓注射所配備攪拌罐(單罐260L)、旋噴樁水泥漿攪拌(單罐500L)節省了大量配置藥劑閑置時間，提高了原位修復機械施工效率。深層修復(如12～15m深度范圍內)可實現連續藥劑注射，不用加鉆桿或拆卸操作，減少了化學藥劑的高壓泄露操作風險。

4、本實用新型采用高壓旋噴注漿鉆桿(三重管)注射，注射壓力大，因此，相對于壓力偏小的原位化學氧化注射井注射技術及單管的Geoprobe鉆機高壓注射技術，擴散半徑較大，同時可適用于夾心層的有機污染修復(如粘土層或砂層，3～4m、4～5m、6～8m諸多情形)，實現定深度修復，砂層由于擴散效果好，藥劑擴散半徑大，經濟性顯著，機械成本大大降低。

5、使用本實用新型，采用過硫酸鹽作為氧化劑，液堿為活化劑，由于液堿作為活化劑在地下水環境中持續時間長，可修復土壤及地下水中單環芳香類VOCs/SVOCs典型有機污染物(如苯系物、氯苯、對/鄰硝基氯化苯、氯苯、二氯苯、苯胺、硝基苯)，尤其應用于地下水的原位修復，效果顯著。

規?；换瘜W氧化修復工程實踐證明，本實用新型是具有設計合理、設備簡單、操作方便可行、易于維護、運行過程參數容易控制的有機污染土壤及地下水原位修復體系，具有廣闊的應用前景和推廣價值。

附圖說明

圖1為實施例1中土壤及地下水原位化學氧化高壓旋噴原位注入點(鉆孔)布設示意圖。

圖1中的附圖標記：1為Ⅰ區(輕度污染)、2為Ⅱ區(中度污染)、3為Ⅲ區(重度污染)、4為Ⅰ區原位注入點(鉆孔)中心點、5為Ⅱ區原位注入點(鉆孔)中心點、6為Ⅲ區原位注入點(鉆孔)中心點、7為地下水水位、8為地下水流向、L1、L2、L3分別為Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區的原位注入孔距(垂直地下水流向)、B1、B2、B3分別為Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區的原位注入排距(沿地下水流向)、H2為最大修復深度、H1為優化分段深度、H2～H1為旋噴注射下段、H1～0為旋噴注射上段。

圖2為土壤及地下水原位化學氧化高壓旋噴注射修復系統原理示意圖。

圖3為高壓旋噴注漿鉆桿下端的結構示意圖。

圖2和圖3中的附圖標記：9為液堿(氫氧化鈉溶液，噸桶裝)、10為耐腐蝕泵、11為水表、12為液堿輸送管路、13為一號配藥罐、14為一號配藥罐液堿進料口、15為一號配藥罐K藥劑(25kg袋裝)、16為一號配藥罐K藥劑進料口、17為一號配藥罐K藥劑加藥平臺、18為自來水進料口、19為一號配藥罐攪拌電機及攪拌槳、20為一號配藥罐容積刻度標尺、21為一號配藥罐K藥劑(含液堿)溶液出口不銹鋼快速接頭、22為閥門、23為二號配藥罐、24為二號配藥罐液堿進料口、25為二號配藥罐K藥劑(袋裝)、26為二號配藥罐K藥劑進料口、27為二號配藥罐K藥劑加藥平臺、28為自來水進料口、29為二號配藥罐攪拌電機及攪拌槳、30為二號配藥罐容積刻度標尺、31為二號配藥罐K藥劑(含液堿)溶液出口不銹鋼快速接頭、32為閥門、33為三通、34為高壓注漿泵進口閥門、35為高壓注漿泵、36為高壓注漿泵壓力表、37為高壓注漿泵出口閥門、38為高壓注漿膠管、39為空壓機新鮮空氣入口、40為空氣壓縮機入口閥門、41為螺桿式空氣壓縮機、42為空壓機壓力表、43為空氣壓縮機出口閥門、44為壓縮空氣管路、45為高壓水接頭、46為旋噴鉆機、47為動力頭、48為高壓水接頭藥劑液流進口、49為高壓水接頭空氣流進口、50為旋噴鉆機注漿鉆桿自動提升機構、51為高壓旋噴注漿鉆桿(三重管)、52為引孔段、53為旋噴鉆機鉆入段、54為液流噴射噴嘴、55為藥劑噴射液流、56為空氣噴射噴嘴、57為空氣噴射氣流、58為硬質合金塊、59為鉆頭、60為藥劑擴散方向、61為雜填土層、62為粉質粘土層、63為粉細砂層(含水層)、64為粉質粘土層、65為地下水水位埋深、R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2和圖3所示，本實施例所涉及的一種土壤及地下水原位化學氧化高壓旋噴注射修復系統，包括：配藥站單元和修復藥劑溶液高壓注射及壓縮空氣注射單元；

所述配藥站單元包括：耐腐蝕泵10、液堿輸送管路12、一號配藥罐13、一號配藥罐K藥劑加藥平臺17、一號配藥罐攪拌電機及攪拌槳19、第一閥門22、二號配藥罐23、二號配藥罐K藥劑加藥平臺27、二號配藥罐攪拌電機及攪拌槳29、第二閥門32、三通33和高壓注漿泵進口閥門34，所述耐腐蝕泵10的出口與液堿輸送管路12相連通，液堿輸送管路12分別與一號配藥罐13和二號配藥罐23相連通，一號配藥罐13上安裝有一號配藥罐攪拌電機及攪拌槳19，二號配藥罐23上安裝有二號配藥罐攪拌電機及攪拌槳29，三通33的第一端與一號配藥罐13之間由管路相連通，三通33與一號配藥罐13之間的管路上串接有第一閥門22，一號配藥罐13的上部連接有一號配藥罐K藥劑加藥平臺17，三通33的第二端與二號配藥罐23之間由管路相連通，三通33與二號配藥罐23之間的管路上串接有第二閥門32，二號配藥罐23的上部連接有二號配藥罐K藥劑加藥平臺27，三通33的第三端與高壓注漿泵進口閥門34的一端相連通；

所述修復藥劑溶液高壓注射及壓縮空氣注射單元包括：高壓注漿泵35、高壓注漿泵出口閥門37、高壓注漿膠管38、空氣壓縮機入口閥門40、螺桿式空氣壓縮機41、空壓機壓力表42、空氣壓縮機出口閥門43、壓縮空氣管路44、高壓水接頭45、旋噴鉆機46、動力頭47、高壓水接頭藥劑液流進口48、高壓水接頭空氣流進口49、旋噴鉆機注漿鉆桿自動提升機構50、高壓旋噴注漿鉆桿51、液流噴射噴嘴54、空氣噴射噴嘴56、硬質合金塊58和鉆頭59，所述旋噴鉆機46上安裝有動力頭47，動力頭47上分別安裝有高壓水接頭45、高壓水接頭藥劑液流進口48和高壓水接頭空氣流進口49，高壓注漿泵35的入口與高壓注漿泵進口閥門34的另一端相連通，高壓注漿泵35的出口與高壓注漿膠管38的一端相連通，高壓注漿膠管38的另一端與高壓水接頭藥劑液流進口48相連通，高壓注漿泵出口閥門37串接在高壓注漿膠管38上，動力頭47的下部安裝有旋噴鉆機注漿鉆桿自動提升機構50，高壓水接頭45的下部安裝有高壓旋噴注漿鉆桿51，螺桿式空氣壓縮機41的入口端連接有空氣壓縮機入口閥門40，螺桿式空氣壓縮機41的出口端與壓縮空氣管路44的一端相連通，壓縮空氣管路44的另一端與高壓水接頭空氣流進口49相連通，壓縮空氣管路44上串接有空氣壓縮機出口閥門43，空壓機壓力表42連接在螺桿式空氣壓縮機41出口端的壓縮空氣管路44上，高壓旋噴注漿鉆桿51的下端連接有鉆頭59，鉆頭59上設有硬質合金塊58，高壓旋噴注漿鉆桿51的下部設有液流噴射噴嘴54和空氣噴射噴嘴56。

所述配藥站單元還包括水表11，所述水表11串接在液堿輸送管路12上。

所述配藥站單元還包括一號配藥罐容積刻度標尺20，所述一號配藥罐容積刻度標尺20設置在一號配藥罐13上。

所述配藥站單元還包括二號配藥罐容積刻度標尺30，所述二號配藥罐容積刻度標尺30設置在二號配藥罐23上。

所述修復藥劑溶液高壓注射及壓縮空氣注射單元還包括高壓注漿泵壓力表36，所述高壓注漿泵壓力表36安裝在高壓注漿泵35出口的高壓注漿膠管38上。

實施例1

以南京某化工廠土壤及地下水修復工程典型深層污染地塊(N3-1)為例，土壤及地下水中的目標污染物為氯苯、苯、對/鄰硝基氯化苯等VOCs/SVOCs類有機物(單環)。土壤修復深度0～12m，屬于深層污染情形(＞5m)，及最大修復深度H2＝12m。

所研究地塊水文地質條件為：地下水水位7埋藏淺，埋深65約1m，地下水流向8：大致自南向北。12m深度范圍自下而上依次分布有四層土層：雜填土層61(0～2m)、粉質粘土層62(2～3m)、粉細砂層(含水層3～6m))63、粉質粘土層64(6～12m)，根據現場試驗獲得粉質粘土層的擴散半徑為R(約0.9m)。根據該地塊含水層的分布規律(3～6m)，修復深度注漿段劃分為兩段：12～6m為旋噴注射下段、6～0m為旋噴注射上段。根據雜填土分布特點，引孔段52深度設為0～3m，旋噴鉆機鉆入段53深度為：3～12m。

如圖1、圖2和圖3所示，以所研究的12m深度修復地塊為例，活化過硫酸鹽(液堿活化)的原位化學氧化高壓旋噴注射修復步驟，簡述如下：

步驟一：布點、引孔作業：

所研究地塊根據土壤污染程度(主要目標污染物對/鄰硝基氯化苯)分區：Ⅰ區(輕度污染)1、Ⅱ區(中度污染)2、Ⅲ區(重度污染)3。高壓旋噴原位注入點(鉆孔)按Ⅰ區原位注入點(鉆孔)中心點4、Ⅱ區原位注入點(鉆孔)中心點5、Ⅲ區原位注入點(鉆孔)中心點6分別編號(代表輕度、中度、重度三種污染區域的情形)，引孔鉆機逐排施工，施工無需關注施工順序。

由于三個分區地層分布具有相同規律，布孔參數一致，L1、L2、L3分別為Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區的原位注入孔距(垂直地下水流向)，取值相同，取1.6m；B1、B2、B3分別為Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區的原位注入排距(沿地下水流向)，取值相同，取1.4m。

步驟二：修復藥劑(氧化劑及活化劑)注射：

單孔注射流程：

按步驟一完成引孔作業的區域分區施工，原位注入過程鉆孔編號仍采用步驟一的編號，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個分區的單個分區單套鉆機分別采用各自的配藥站，逐排施工，按地下水流動方向，由上游向下游逐排施工，有利于修復藥劑的擴散，強化原位化學氧化修復效果。

三個區按至少三套配藥站設置(分別采用不同配方)，同一分區，配藥站采用同一配方；不同分區，配藥站采用不同配方(也可相同)，依據各分區主要目標污染物的特征濃度及理論計算的氧化劑(K藥劑)投加比，反算設計單孔注漿量(m³/孔)，調整每延米注漿量，調整高壓注射鉆桿提升速度5～20cm/min。單孔注漿量：由兩部分組成，下段(12～6m)的注射和上段(6～0m)的注射，上段需注意距離地面至少0.5m停止注射藥劑，下鉆0.5m左右復噴至達到設計單孔注漿量的需求。

單孔施工流程為：

(1)配藥站連接及藥劑配置：1組配藥站由一號、二號溶配藥罐組成(單罐最大配藥3立方米)，罐體設置有一號配藥罐攪拌電機及攪拌槳19(二號配藥罐攪拌電機及攪拌槳29)、一號配藥罐容積刻度標尺20(二號配藥罐容積刻度標尺30)；溶配藥用水通過自來水進料口18、自來水進料口28添加；液堿進料：液堿(氫氧化鈉溶液，噸桶裝)9經由耐腐蝕泵10、水表11、液堿輸送管路12泵送至一號配藥罐液堿進料口14(或二號配藥罐液堿進料口24)、一號配藥罐13(或二號配藥罐液堿進料口24)；固體K藥劑加料：一號配藥罐K藥劑(25kg袋裝)15、通過一號配藥罐K藥劑進料口16、一號配藥罐K藥劑加藥平臺17加料；二號加料方式同一號。配制好的溶液出料：一號配藥罐K藥劑(含液堿)溶液出口不銹鋼快速接頭21、閥門22依次連接；二號配藥罐K藥劑(含液堿)溶液出口不銹鋼快速接頭31、閥門32、三通33依次連接。

(2)原位注入過程：高壓旋噴注漿鉆桿為三重管結構，單根長度3m，可采用絲扣緊密連接，密封潤滑采用黃油，連接四根鉆桿及0.5～1.0m長度的鉆具，用于12m深度注射。每個分區施工前，首先進行清水試噴，確保管路氣密性安全，然后通過第一孔調節提升速度，使得注漿量達到優化設計的注漿量要求。單孔注射完成后，移機前清洗高壓注漿泵、注漿管路、鉆桿及旋噴鉆具。

本實施例的系統可進行單孔連續注射，完成一輪注射后若仍未達到修復目標，需啟動第二輪或者第三輪注射，需重新引孔后注射藥劑。

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。