劉書源， 陳 晨， 宛 召， 陳 敏

(1.吉林大學建設工程學院，吉林 長春 130026； 2.中國葛洲壩集團三峽建設工程有限公司，湖北 宜昌 443002； 3.上海市巖土工程檢測中心，上海 200436)

0 引言

土壤修復技術是一項降低污染物濃度，去除有毒有害的污染物，降低其毒性，保證土壤或地下水中的污染物濃度在相關規(guī)定的標準范圍內的一種技術手段，利用物理、化學、生物方法達到污染物轉移、降解、轉化等目的[1-3]。根據(jù)不同的劃分條件，可將土壤修復技術劃分為不同的種類，常見的主要有：基于修復地點劃分的原位修復技術和異位修復技術，基于修復原理劃分的物理修復技術、化學修復技術和生物修復技術[4-6]。由于上海污染區(qū)的地層高粘性土特性,一般采用固化穩(wěn)定化、化學氧化等污染物修復技術。特別的，在原位修復工程中，結合固化穩(wěn)定、化學氧化還原技術與高壓旋噴工藝，利用高壓旋噴設備注入藥劑，均勻混合藥劑與預治理土壤，可達到修復受污染土壤的目的。該原位土壤修復技術不僅有效地保證了污染物去除的效果，還保留了修復場地良好的工程特性，有利于后續(xù)相關工程工作的進行。

高壓噴射注漿技術是一種結合了注漿技術和高壓水力噴射技術的施工工藝，用于原位修復工程中有提升污染物去除效果的作用[7]。傳統(tǒng)的原位注入技術，主要是利用兩口或多口注射井，通過注入動力設備進行注入修復。一方面，需要對場地地質情況的充足了解；另一方面，對于修復范圍大的修復工程，需要大量的設備機具，因此受場地條件影響大。同時，面對上海污染區(qū)地層的高粘性土特性，應用傳統(tǒng)的原位注入技術時，注入藥劑與污染土壤的混合效果一般，不利于污染物的去除；而采用多次注藥的手段則既增加修復成本，又存在二次污染的危險[8-9]。

與之相比，采用高壓旋噴注漿技術具有以下優(yōu)點。

(1)適用地層廣，在粘土、粉質粘土、淤泥質土、砂礫石等地層中均有良好的注入效果；

(2)施工簡便靈活，設備輕便、機動性強，施工效率高，可準確控制注入藥劑；

(3)噴射深度限制小，可進行多角度與深地層的藥劑注入。

本文研究高壓旋噴注漿技術在污染場地原位修復施工中的適用性和可行性，開展室內試驗以比選合適的修復藥劑[10]；通過現(xiàn)場原位注入試驗，研究適合上海地區(qū)地層特性的施工工藝參數(shù)，檢測分析注入藥劑的混合效果和藥劑擴散半徑，評價藥劑注入效果[11-13]。本文研究可以實現(xiàn)傳統(tǒng)旋噴工藝的改進，施工工藝參數(shù)的優(yōu)化，最終形成一套適用于上海地區(qū)污染場地的原位修復旋噴施工工藝，為后續(xù)此類工程推廣應用提供技術借鑒[13-15]。

1 修復藥劑與注入方法

水泥漿為傳統(tǒng)高壓旋噴工藝施工最常使用的漿液，其成分多為硅酸鹽和外加劑，對旋噴設備幾乎沒有腐蝕性，屬于環(huán)境友好型試劑。而土壤修復需要使用較強氧化性或還原性的藥劑，這不僅會對旋噴設備產生腐蝕，人工操作也存在一定的危險性。

1.1 修復藥劑、旋噴部件與試驗裝置

試驗部件采用旋噴設備的鉆桿內外管(45鋼)，噴嘴(50鋼)，密封圈，橡膠高壓管。試劑選用過硫酸鈉，亞硫酸氫鈉，雙氧水(35%)，硫酸亞鐵，檸檬酸，檸檬酸鈉，酒精，稀鹽酸，去離子水等。試驗儀器主要為烘箱，pH計，電子秤，量筒，膠頭滴管、燒杯等。

1.2 試驗方法

1.2.1 修復藥劑配置

過硫酸鈉溶液及亞硫酸氫鈉溶液配制：分別用蒸餾水配制質量濃度為5% 的過硫酸鈉溶液和亞硫酸氫鈉溶液。

Fenton試劑配制：每1 L水中，加入35%雙氧水140 mL，硫酸亞鐵4.5 g，檸檬酸3.4 g，檸檬酸鈉9.6 g。

1.2.2 試驗步驟

(1)浸泡前先用稀鹽酸分別對內外管和噴嘴進行除銹處理，再依次使用蒸餾水、酒精洗凈，最后使用烘箱烘干。將試驗材料分為3組，分別測量試件質量。

(2)浸泡前，使用pH計測量浸泡液pH值，貼上標簽以區(qū)分，用封口膜封口，防止揮發(fā)。

(3)分別測量浸泡時間為24、72、144 h時燒杯內溶液pH值，觀察溶液及試件變化情況。

(4)144 h時停止浸泡，取出試件，再次稱重(清洗步驟同上)。

1.3 結果與分析

1.3.1 顏色變化

從圖1可以看出(a)杯中試件經(jīng)過硫酸鈉溶液浸泡144 h后，溶液渾濁，產生大量褐色沉淀；(b)、(c)杯中劑亞硫酸氫鈉溶液和Fenton試無明顯變化。

圖1 144 h后3種溶液狀態(tài)變化

1.3.2 減重率

樣品減重率(%)=〔(樣品浸泡前質量-樣品浸泡后質量)/樣品浸泡前質量〕×100%。

從表1可以看出，相同的材料，在不同的浸泡介質中，經(jīng)過硫酸鈉溶液浸泡的材料減重率最大，亞硫酸氫鈉溶液和Fenton試劑次之。 從整體來看，噴嘴減重率最高，內管次之，外管最低，前兩種試劑介質對密封圈幾乎沒有影響，F(xiàn)enton試劑中的密封圈質量有所變化。

表1 旋噴部件在不同浸泡介質中減重率 %

通過對比3種不同浸泡介質中材料的減重率可見，過硫酸鈉溶液對旋噴設備試件的腐蝕性最大。由于內外管和噴嘴的主要成分為鐵，溶液中的過硫酸鈉將試件中的鐵氧化生成Fe3+，使溶液變?yōu)樽攸S色，最后生成紅褐色沉淀，其主要反應方程式為：

Fe+2S2O82-→Fe2++2SO42-+2SO4-

Fe2++S2O82-→Fe3++SO42-+2SO4-

Fe+2Fe3+→2Fe2+

Fe2+SO4-→Fe3++SO42-

噴嘴在幾種試件中減重率最高，是由于噴嘴的比表面積最大，發(fā)生氧化還原反應溶液與試件接觸的比例最多。從表1中可以看出，在經(jīng)過亞硫酸氫鈉浸泡過的高壓管，減重率出現(xiàn)負值，是因為高壓管切斷處斷層中橡膠與鋼絲的縫隙，經(jīng)過亞硫酸氫鈉溶液的浸泡，縫隙處有結晶析出，使得質量增加。結合圖1、表1可以看出，亞硫酸氫鈉溶液對鐵制品試件無明顯腐蝕作用，但試件表面附著大量透明晶體，見圖2。這對于設備的使用會產生一定的影響，特別是旋噴設備中狹窄的通道，如噴嘴。

圖2 亞硫酸氫鈉溶液中試件表面的結晶體

Fenton試劑具有很強的氧化能力，在于其中含有Fe3+和H2O2。其反應機理為：

Fe2++H2O2→Fe3++OH-+HO·

Fe3++H2O2+OH-→Fe2++H2O+HO·

Fe3++H2O2→2Fe2++H++HO2

HO2+H2O2-→H2O+O2↑+HO·

Fenton試劑由于反應條件不同，反應速度也會產生一定的差異。芬頓試劑反應體系非常復雜,其中 H2O2在 Fe2 +催化作用下生成的羥基自由基-HO·是反應體系的關鍵，它會與有機物反應，破壞其結構，達到分解有機物的目的。由于密封橡膠圈屬于有機制品，所以會被氧化，使其質量減小。

1.3.3 pH值變化

表2為浸泡過程中浸泡介質pH值變化，不同浸泡介質起始pH值是不同的。在24 h前pH值比初始值有所降低，但隨著時間推移，在24～72 h之間溶液pH值開始上升，但在72 h之后pH值保持不變。

從pH值變化可以看出，過硫酸鈉溶液pH值先減小后增大，是由于鐵被過硫酸根離子氧化，發(fā)生了氧化還原反應，使pH值隨之發(fā)生變化，同時，由于Fe3+的產生，溶液顏色發(fā)生變化，且生成大量氫氧化鐵沉淀于燒杯底部，24 h時的亞硫酸氫鈉溶液中發(fā)生了析氫腐蝕，酸性較強，在72 h后發(fā)生吸氧腐蝕,溶液酸性減弱,其主要反應方程式為：

表2 浸泡過程中浸泡介質 pH值變化

析氫腐蝕：Fe+2H+→Fe2++H2↑

吸氧腐蝕：2Fe+O2+H2O→2Fe(OH)2

Fenton試劑剛與試件接觸時可發(fā)現(xiàn)有少量氣泡附在試件表面，是由于Fenton試劑的酸性環(huán)境使其發(fā)生了酸化反應，隨著時間的推移，pH增加，氣泡也不再產生。

2 土壤修復現(xiàn)場模擬試驗研究

本次現(xiàn)場試驗地點為上海某工地，該地地質條件滿足試驗要求。試驗試劑選擇水泥漿，水泥漿具有固化作用，在進行有效作用邊界測量時，容易確定且動態(tài)螺距效果明顯。7 d后開挖，此時水泥固化完畢，可以清楚的確定旋噴半徑，觀察動態(tài)螺距效果。

2.1 模擬試驗及參數(shù)設計

本次試驗所選取的試驗參數(shù)為：噴嘴2.0/2.5 mm，泵壓25 MPa，壓縮空氣0.55～0.6 9 MPa，旋轉速度15 r/min，提升速度30/45/60 cm/min，鉆入深度5 m?？孜?個，呈一字排開，孔間距為1.5 m。

現(xiàn)場試驗水灰比為1.5，水泥漿密度1.366 g/cm3。

2.2 試驗結果與分析

2.2.1 注漿量分析

從表3可以看出，注漿量的計算值普遍大于實測值，其主要原因有以下幾點:(1)射流沿管道流動時，會有沿程損失，在噴嘴處壓強小于泵壓，計算值使用泵壓;(2)按公式計算注漿量時所使用的損失系數(shù)值取得最大，使得結果偏大；(3)現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)時存在人為誤差。

2.2.2 有效直徑和混合效果分析

(1)動態(tài)螺距：水泥的良好固結性，有利于動態(tài)螺距的觀察與測量。表3數(shù)據(jù)顯示，每組動態(tài)螺距的實際值都小于其設計值，這主要是由于水泥漿的固結收縮所導致的測量偏差。圖3顯示了射流切割土體后形成的動態(tài)螺距形態(tài)，可以看出每層土體均有向下傾斜的趨勢。這是鉆桿拔出后，孔內和每層土之間缺少支撐物，由于負壓和自重的作用，導致土層均有向下傾斜的趨勢。

表3 水泥漿模擬試驗數(shù)據(jù)記錄情況

圖3 開挖后全景圖

(2)有效直徑和混合效果：表4數(shù)據(jù)顯示，水泥漿的有效直徑一般都大于1 m；當水泥漿密度較高時，2.5 mm噴嘴噴射所得的有效直徑略大于2.0 mm噴嘴，但是噴嘴直徑大小的影響比水溶性燃料?。浑S著噴射鉆具的提升速度增加，有效直徑有輕微的降低，其對有效直徑的影響效果不明顯。如圖4所示，開挖后能準確測得有效半徑。

圖4 動態(tài)螺距形態(tài)圖

如圖4所示，30 cm是射流的直接破壞作用范圍，30 cm向外則是水泥漿的滲透作用范圍。由此可知，土體滲透性是影響有效直徑的一項重要影響因素。

3 結論

(1)過硫酸鈉溶液對內外管和噴嘴腐蝕性比亞硫酸氫鈉溶液和Fenton試劑強。鐵制品試件在亞硫酸氫鈉溶液中會附著大量結晶，因此會影響設備的使用。

(2)Fenton試劑對設備的腐蝕性相對較弱，而且對有機污染物的氧化效果更為明顯，F(xiàn)enton試劑分解產物主要為水和氧氣，屬于環(huán)境友好型試劑。

(3)經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)的對比分析，在上海這種高粘性土中，高壓旋噴工藝適用于土壤原位修復中的工藝參數(shù)為：動態(tài)螺距1～2 cm，即提升速度為15～30 cm/min，旋轉速度15 r/min，噴嘴直徑2.5 mm左右，壓強25 MPa左右，在保證現(xiàn)場設備安全的情況下，噴嘴直徑和壓強適當增加可以提高修復效率。