鄭瑾；張利賓，3；艾紹磊，3；李興春；杜顯元；高春陽(yáng)

（1.石油石化污染物控制與處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司；3.中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司；北京 102206）

1 研發(fā)背景

土壤作為人類、動(dòng)植物和微生物賴以生存的重要環(huán)境基礎(chǔ)，是自然界物質(zhì)和能量參與轉(zhuǎn)化、遷移和積累等循環(huán)過(guò)程的重要場(chǎng)所。然而，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，土壤污染問(wèn)題日益突出。目前，土壤污染被視為與大氣污染、水污染齊驅(qū)的三大污染之一，已成為社會(huì)各界的關(guān)注熱點(diǎn),根據(jù)環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公告》顯示，我國(guó)土壤總超標(biāo)率高達(dá)16.1%。近年來(lái)，污染土壤的原位修復(fù)由于無(wú)需對(duì)土方進(jìn)行開(kāi)挖、擾動(dòng)小、成本低，得到廣泛應(yīng)用，美國(guó)自80年代中期以來(lái)，已經(jīng)投入大量資金用于原位土壤修復(fù)，一些新的原位修復(fù)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，如原位化學(xué)氧化、原位化學(xué)還原、原位微生物修復(fù)等。

原位注入修復(fù)技術(shù)中直壓式注入法因具有靈活性高，易于優(yōu)化注入點(diǎn)，對(duì)藥劑滲透裂隙的發(fā)展具有較強(qiáng)的控制力等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被廣泛應(yīng)用于污染土壤原位修復(fù)工程中。直壓式注入技術(shù)使用的主要設(shè)備包括直壓式鉆機(jī)、注入鉆具和藥劑泵入裝置。目前的設(shè)備開(kāi)發(fā)主要集中在直壓式鉆機(jī)的國(guó)產(chǎn)化研發(fā)和注入鉆具的功能改進(jìn)，提供藥劑供給的藥劑泵入設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)存在機(jī)動(dòng)化性能差、集成化程度低、智能化程度弱等問(wèn)題，是制約該技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)高效應(yīng)用的因素之一。因此本文設(shè)計(jì)研發(fā)了一種實(shí)用的注入設(shè)備，以保證原位修復(fù)的高效注入及參數(shù)優(yōu)化。該注入設(shè)備不僅集成了修復(fù)場(chǎng)地所需的必要設(shè)備，而且在性能上得到了大幅提升和改進(jìn)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，注入設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、效果良好，修復(fù)效率與常規(guī)配置相比明顯得到提高。

2 總體方案設(shè)計(jì)

污染場(chǎng)地原位修復(fù)注入設(shè)備(以下簡(jiǎn)稱注入設(shè)備)如圖1所示。該注入設(shè)備由移動(dòng)橇、高壓注漿泵、氣路管匯、液路管匯、鉆具室、多參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備、加藥泵以及藥劑罐等組成。

圖1 污染場(chǎng)地原位修復(fù)注入設(shè)備

2.1 工藝流程說(shuō)明

該注入設(shè)備工藝流程如圖2所示，使用加藥泵將配置好的生物藥劑、化學(xué)藥劑分別加入生物藥劑罐、化學(xué)藥劑罐進(jìn)行存儲(chǔ)，使用攪拌器對(duì)生物藥劑和化學(xué)藥劑進(jìn)行進(jìn)一步的攪拌混合，為后續(xù)注入使用。

圖2 注入設(shè)備工藝流程圖

（1）藥劑注入：通過(guò)注漿泵或雙液注漿泵可分別將生物藥劑和化學(xué)藥劑分層壓裂注入地下土壤污染源，促進(jìn)污染物的快速分解，達(dá)到土壤修復(fù)的預(yù)期效果。

（2）氣體注入：通過(guò)無(wú)油空壓機(jī)向土壤內(nèi)注入空氣，為地下土壤修復(fù)的微生物提供良好的好氧環(huán)境；同時(shí)可通過(guò)無(wú)油空壓機(jī)向生物藥劑罐和化學(xué)藥劑罐進(jìn)行曝氣。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）該注入設(shè)備橇體根據(jù)專用拖車底盤(pán)設(shè)計(jì)，前橋通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)設(shè)備轉(zhuǎn)向功能，通過(guò)牽引車能夠在污染場(chǎng)地內(nèi)自由移動(dòng)，設(shè)備機(jī)動(dòng)性強(qiáng)。

（2）該注入設(shè)備將注入鉆具、藥劑罐、控制系統(tǒng)、注漿泵、注入管匯等集成設(shè)計(jì)，不僅具有很強(qiáng)的實(shí)用性和便利性，而且提高了作業(yè)效率。

（3）通過(guò)儀表傳感器和電動(dòng)控制閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)注入設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制，降低作業(yè)人員工作強(qiáng)度，提高設(shè)備智能化和操作性。

（4）系統(tǒng)設(shè)有15路水質(zhì)傳感器數(shù)據(jù)采集器，可同時(shí)監(jiān)測(cè)3口監(jiān)測(cè)井，每口井可監(jiān)測(cè)pH,電導(dǎo)率，水位，溶解氧，氧化還原電位5種參數(shù)，并及時(shí)上傳至PLC通訊模塊，自動(dòng)繪制實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線，為工作人員數(shù)據(jù)分析提供強(qiáng)有力支撐。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

高壓注漿泵最大壓力：17MPa；

高壓注漿泵注入顆粒最大粒徑：1mm；

高壓注漿泵最大流量：60 L/min；

生物藥劑罐和化學(xué)藥劑罐體積：各1 m3；

清水罐體積：0.5 m3；

攪拌器轉(zhuǎn)速：150 rpm；

加藥泵最大流速：4.4 m3/h；

空壓機(jī)最高排氣壓力：0.8 MPa；

空壓機(jī)最大排氣量：480L/min；

設(shè)備尺寸：5500×2400×2980mm。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 移動(dòng)橇設(shè)計(jì)

移動(dòng)橇主框架由Q345型材焊接而成，根據(jù)專用拖車底盤(pán)設(shè)計(jì)。橇底為輪式、兩橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，前橋采用嵌入式轉(zhuǎn)盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)橇的轉(zhuǎn)向功能；配置直徑650mm的實(shí)心輪胎，滿足10T的承載能力；在橇體前端設(shè)有牽引架，利用鉆機(jī)或叉車進(jìn)行牽引，現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)速度不大于8km/h；在橇體頂部四個(gè)角設(shè)計(jì)的吊耳，用于設(shè)備的吊裝。橇體上按照目視化管理要求設(shè)有清晰明確的操作標(biāo)識(shí)和安全警示牌，確保人員安全，同時(shí)為了便于設(shè)備操作，移動(dòng)橇內(nèi)空間布置合理，滿足人員操作以及維修要求。

3.2 藥劑罐設(shè)計(jì)

藥劑罐使用不銹鋼型材進(jìn)行制作并進(jìn)行加固，結(jié)構(gòu)上分內(nèi)、中、外3層，其中內(nèi)層又分為三個(gè)罐體，分別為生物藥劑罐、化學(xué)藥劑罐和清水罐。

生物藥劑罐和化學(xué)藥劑罐主要用于藥劑的配置，清水罐可對(duì)其他罐體和管路進(jìn)行反沖洗或補(bǔ)充清水；各罐體底部安裝的排污管線，便于對(duì)罐體內(nèi)部清理，達(dá)到近零排放。中層腔體內(nèi)充滿清水，通過(guò)電熱棒對(duì)腔體內(nèi)的清水進(jìn)行加熱，充當(dāng)水浴的作用，從而使內(nèi)層罐體內(nèi)的液體溫度控制在所設(shè)定的溫度范圍內(nèi)。外層填充了保溫棉，防止內(nèi)層熱量外散，起到保溫的作用。

藥劑罐罐體上的遠(yuǎn)傳液位計(jì)，安裝有電子傳感器，可實(shí)現(xiàn)液位高低數(shù)據(jù)的監(jiān)控及自動(dòng)報(bào)警；同時(shí)與注漿泵、加藥泵進(jìn)行功能互鎖，實(shí)現(xiàn)注漿泵、加藥泵的自動(dòng)開(kāi)機(jī)和停機(jī)，起到保護(hù)設(shè)備的作用。

藥劑罐的罐體上部的補(bǔ)液泵，根據(jù)水浴腔內(nèi)的機(jī)械式液位計(jì)，當(dāng)液位低于下限時(shí)，補(bǔ)液泵自動(dòng)啟動(dòng)，從清水罐內(nèi)吸取清水，為水浴腔進(jìn)行補(bǔ)液，防止加熱棒發(fā)生干燒現(xiàn)象。當(dāng)液位高于上限時(shí)，自動(dòng)停止補(bǔ)水。

3.3 液路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液路系統(tǒng)主要由藥劑罐、輸入管匯、電動(dòng)球閥、高壓注漿泵、輸出管匯、安全閥、流量計(jì)等組成。核心設(shè)備為高壓注漿泵，其作用是將藥劑罐內(nèi)的藥劑通過(guò)液路管匯高壓輸出至污染源。液路系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 液路系統(tǒng)原理圖

3.4 氣路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣路系統(tǒng)主要由無(wú)油空壓機(jī)、輸出管匯、流量計(jì)、減壓閥、電動(dòng)球閥等組成。核心設(shè)備為無(wú)油空壓機(jī)，其作用一是將氣體通過(guò)氣路管匯輸出至污染源，二是為生物藥劑罐或化學(xué)藥劑罐進(jìn)行曝氣，增加藥劑含氧量，提高藥劑的活性。

3.5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的界面分別是設(shè)備流程控制界面、參數(shù)設(shè)定界面、實(shí)時(shí)曲線界面、歷史曲線界面、報(bào)警記錄界面和數(shù)據(jù)報(bào)表界面。在這些界面上，一是設(shè)計(jì)了高壓注漿泵、無(wú)油空壓機(jī)、加藥泵、補(bǔ)液泵、電熱棒和攪拌器的啟停功能；二是設(shè)計(jì)了高壓注漿泵和無(wú)油空壓機(jī)的壓力、流量、累計(jì)注入量和累計(jì)運(yùn)行時(shí)間參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示功能；三是設(shè)計(jì)了液路系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)運(yùn)行流程動(dòng)態(tài)顯示功能；四是設(shè)計(jì)了溫度、液位等報(bào)警參數(shù)的設(shè)定功能；五是設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)pH、電導(dǎo)率、水位等功能。設(shè)備整體實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互、無(wú)人值守，提高了設(shè)備的智能化和自動(dòng)化。

3.6 監(jiān)測(cè)單元

如圖4所示，建立在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀對(duì)監(jiān)測(cè)井內(nèi)的水位、pH、電導(dǎo)率、溶解氧及ORP等參數(shù)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，可連續(xù)讀取監(jiān)測(cè)井的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以獲取藥劑注入后所影響的范圍，預(yù)估藥劑達(dá)到的時(shí)間，結(jié)合藥劑在地下水中的遷移規(guī)律，考察藥劑擴(kuò)散分布的均勻性。

圖4 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

4 試驗(yàn)及應(yīng)用

注入設(shè)備分別在某廢棄油庫(kù)和某煉油廠污染場(chǎng)地進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)如圖5所示。在運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備控制系統(tǒng)、高壓注漿泵、無(wú)油空壓機(jī)、加藥泵、電動(dòng)球閥、加熱棒等電器元件正常運(yùn)行；液路系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)及整機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，未發(fā)生任何故障。設(shè)備最大試驗(yàn)壓力達(dá)到5.5MPa，最大流量達(dá)到60L/min，累計(jì)注液量380m3，累計(jì)注氣量約200000L，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間150h。試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄并繪制曲線，實(shí)際測(cè)定的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)基本滿足設(shè)計(jì)要求如表1所示，是目前國(guó)內(nèi)先進(jìn)的場(chǎng)地污染修復(fù)設(shè)備。

表1 指標(biāo)對(duì)比表

8 藥劑罐控溫范圍 室溫～30℃室溫～30℃ 滿足

圖5 污染場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖（左：某廢棄油庫(kù)；右：某煉油廠）

5 結(jié)論與展望

綜上所述，該注入設(shè)備具備以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）機(jī)動(dòng)化設(shè)計(jì)：設(shè)備根據(jù)專用拖車底盤(pán)設(shè)計(jì)，具備轉(zhuǎn)向、減震以及剎車等專用功能，利用配套的鉆機(jī)對(duì)其進(jìn)行牽引，可在待修復(fù)的污染場(chǎng)地內(nèi)穩(wěn)定行駛，修復(fù)作業(yè)面積廣，設(shè)備機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)；

（2）集成化設(shè)計(jì)；設(shè)備根據(jù)修復(fù)需求，將目前場(chǎng)地修復(fù)使用的無(wú)油空壓機(jī)、高壓注漿泵、藥劑罐、鉆具等專用設(shè)備與工藝流程集成于移動(dòng)橇上，采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備集成化、工藝集成化、控制集成化，能夠使設(shè)備結(jié)構(gòu)布置更緊湊，工藝流程更完整，施工效率更高效；

（3）智能化設(shè)計(jì)：設(shè)備不僅能夠控制各設(shè)備的自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)藥劑自動(dòng)配置和各設(shè)備間的聯(lián)動(dòng)控制，還能夠?qū)⒍鄥?shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)和運(yùn)行實(shí)時(shí)參數(shù)同步顯示在可視化觸摸屏上。通過(guò)上述先進(jìn)的自動(dòng)化、智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“人機(jī)交互”和“機(jī)器換人”。