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地下水原位修复材料钻进注入技术现状调研

北极星环境修复网  来源:探矿工程技术信息  作者:冯超 王瑜  2020/6/27 11:58:32  我要投稿  

北极星环境修复网讯:摘要:我国地下水污染已呈现从点状污染向带状和面状污染发展的态势,原位钻进注入方法无需开挖、扰动小、成本低,已成为地下水修复的发展热点和方向。本文对国内外功能修复材料原位钻进注入工艺方法和设备进行了调研,重点介绍了直推式钻进注入、喷射注入、压裂注入等工艺方法,总结了各种工艺方法的特点、适用性和局限性,并分析了原位功能材料钻进注入的难点与关键技术,可为该项技术的进一步开发利用提供参考。

关键词

地下水;原位功能修复材料;钻进;注入技术;发展

地下水资源是水资源的重要组成部分,我国地下水污染已经非常严重[1],不仅使原本紧张的水资源短缺问题更加严重,而且给人居健康、食品安全、饮用水安全、区域生态环境、经济社会可持续发展甚至社会稳定构成严重威胁与挑战,地下水修复已成为当前备受公众和社会关注的环境问题[2-3]。按照修复方式将地下水污染修复技术主要分为原位和异位修复技术[4]。常见的原位地下水修复技术包括抽出处理、空气/臭氧喷射、冲洗、渗透性反应屏障、固定、化学氧化和生物修复[5-6];常用的异位处理技术有两项抽提技术和抽出处理修复技术[7-8]。异位修复技术需要对地下水进行抽提和回灌,对当地生态环境影响较大,故使用比例已逐渐降低[9]。相比而言,原位修复技术具有去除效率高、修复周期短、二次污染易于控制等优点[10-13],近年来取得了较多的成果[14]。药剂的注入技术是原位修复技术的核心,因此对原位功能材料钻进注入技术研究就至关重要。地下水原位修复材料投加方式主要有两种:搅拌和注入/注射。其中搅拌分为浅层搅拌和深层搅拌;原位注入有Geoprobe直压式高压注射、注入井、ChemGrout化学注浆[15]、高压旋喷技术[16-17]等。

1 注入井注入工艺

1.1 注入井注入工艺简介

注入井法是在地下水监测技术上发展起来的一种高压压裂的氧化剂投加方式。采用聚氯乙烯或金属材料在污染区域范围内建立注射井,氧化剂在常压或高压下被加入注射井中,在横向和纵向的扩散作用下逐渐覆盖整个污染区域,与污染物接触反应后达到修复效果[18]。注入井法点位固定,药剂通常以自由扩散的方式进行横向以及纵向迁移。采用注入井与循环井或者抽提井联用,可以增加修复药剂在低渗透地区的迁移距离,以此达到更好的修复效果,注入井与抽提井联用示意图见图1[19]。

图1 注入井与抽提井联用示意图

1.2 注入井注入工艺分析

注入井工艺施工简单,操作方便,适用于所有的气态或者液态氧化剂,技术成熟,目前应用广泛。注入井原位注入,需要构建大量注入井,基建费用高,施工周期长,修复完成后,会在修复地块残留注入井,影响后续的开发利用。注入过程采用自然流动或者低压注入时,地层条件对注入效果影响较大,如遇粘土层或者地层性质不均一,影响药剂扩散甚至影响修复完成程度[18]。注入药剂与污染土壤的混合效果一般,不利于污染物的去除;而采用多次注药的手段则既增加修复成本,又存在二次污染的危险[20-21]。总体来说,注入井局限性较多,但因为其施工简单、操作方便、技术要求低,在国内被大量使用。要想克服注入井的多种局限性,可以合理的选择联合注入的方式,来提高药剂扩散能力,以此来提高修复效果。

2 直推式注入工艺

2.1 直推式注入工艺简介

直接推进钻探技术(Direct Push Technology, DPT)作为一种新兴的场地调查技术,以其快速、精确及节约资金等优点在发达国家污染场地调查中得到了广泛的应用[22],近年来已将直推式钻探技术应用到污染地下水的修复中。传统的直推式注入修复技术对地下裂缝的发展不能控制,而直推式喷射注入技术(DPT Jet Injection )克服了这一限制。DPT喷射技术是采用高压喷射的方式,其工艺是首先将顶端带注射孔的注射杆直接推进至地下指定深度[23],然后再将修复材料通过高压泵灌注到注药管中,再通过钻头四周的孔洞进入到地下水中[24]。修复过程中,注射管道随钻探机械下钻过程进入污染土壤,在其长度方向上,根据土壤污染深度分层设置氧化剂扩散孔。氧化剂在注射泵的压力作用下经扩散孔进入每层污染土壤,在水平方向形成稀薄的氧化剂层,再进行纵向渗透扩散迁移,互相交汇,进而覆盖整个污染区域[18]。DPT分层喷射注入示意图见图2。

图2 DPT分层喷射注入示意图

DPT喷射注入技术,主要使用的是直推式钻机、高压泵等设备。目前,国内市场上存在有美国Geoprobe公司研发的Geoprobe 7822DT、南京贻润环境科技有限公司自主研发的EPROBE 2000土壤污染调查与修复一体机、江苏盖亚环境科技股份有限公司、浙江清阳环境工程有限公司分别研制了GY -SR600 型和 QY -100L 型具有无原位扰动能力的环境取样修复一体机[25]。技术参数见表1[26]。

其中,Geoprobe 7822DT型(见图3)专门为土壤地下水污染调查领域研发,该设备结构紧凑,功能多样。EPROBE 2000型(见图4)是南京贻润自主研发生产的土壤地下水环境取样修复一体机,是专门针对土壤修复行业的高度集成化钻机,配合土壤采样、地下水建井、土壤取气等工具,构成一套完整的土壤与地下水环境取样修复智能系统,可实现远距离无线遥控,行走时可以高、低速切换,三角形行走履带装置,场地通过性更强[26]。

图3 Geoprobe 7822DT型钻机

图4 EPROBE 2000型钻机

国内外所研制的直推式环境取样与修复一体式钻机,在智能化以及方便程度上差距不大,但是国产直推式一体机适用能力较差,并且功能参差不齐,直接导致了国内的修复市场大量被国外钻机所占有的情况。

2.2 直推式注入工艺分析

DPT喷射注入具有以下优点:(1)对地下水平裂隙的发展具有较强的控制力;(2)与标准直推式注入技术相比,注射时间更短,修复半径更大;(3)钻机轻便、推进迅速、灵活方便、对地层干扰小[27]。该钻进注入技术适用于大部分的非固结地层,包括紧密淤泥、软粘土、膨胀粘土、粉土及细砂等,对于一般第四系地层取样深度最大可达30m左右[22]。

然而,直推式注入工艺本身存在一定的局限性,当钻进深度较大时,钻杆与孔壁会产生较大的摩擦力,直接导致了推进深度较小的问题。由于国内直推式钻机性能与国外相比还有不小的差距,国内进行环境修复多用美国Geoprobe公司研发的环境取样修复一体钻机,该钻机性能好、实用性强,但进口价格过高,直接限制了直推式注入技术在我国的发展。因此,我们需要加大研制力度,发展适用性强、钻进深度大、修复半径大的DPT钻机,与此同时,绿色、安全也是我们要追求的目标。

3 高压旋喷工艺

3.1 高压旋喷工艺简介

高压旋喷施工技术是在静压注浆的理论与实践基础上引入高压水流技术而发展起来的新技术,已形成了成熟的注浆劈裂理论[28]。原理是利用射流作用切割掺搅地层,改变原地层的结构和组成,同时灌入水泥浆或复合浆形成凝结体,形成连续搭接的水泥加固体,借以达到加固地基和防渗的目的[29]。将高压旋喷技术应用于土壤以及地下水修复,利用钻机将带有喷嘴的钻头钻至预定深度,以高压将修复试剂喷出,土壤在喷射流的冲击力、离心力和重力等作用下,与药剂搅拌混合,并起化学反应,从而达到清除或减少污染物的目的[30]。高压旋喷法基本种类有单管法、双管法、三管法和多管法。新的旋喷工法包括双高压旋喷、超级旋喷以及交叉喷射技术等[31]。

单管法( Chemical Churning Pile,CCP),其工作原理是在钻探造孔后,把高喷管下入孔内相应部位,使用20~40 MPa的高压水射流破坏清除桩底沉渣、混入桩体内的杂土以及胶结差、强度不高的桩体;然后再把高喷管下入孔内相应部位旋喷高强度等级的水泥浆液,使之与桩体中残留的砂粒、碎石等混合凝固,并与桩体紧密结合,达到提高基身强度和桩基承载力的目的[32-33]。该工法直接以单管在转动和提升过程中注入高压水泥浆,边切割土体边混合形成加固柱体[34]。

二重管法( Jambo Special Pile,JSP),施工原理是利用钻机的钻具将带有喷嘴的钻头钻进至设计深度后,在高压泵高压的作用下,将一定水灰比的水泥浆液,通过高压管泵送至钻头,使所注入的高压水泥浆液经过喷嘴喷射出来,冲击、切割周围土体;同时钻具又以一定的速度旋转并进行提升,这样水泥浆液强制搅拌周围土体形成圆柱体的桩体[35]。二重管喷射修复示意图如图5所示。

图5 二重管喷射技术修复示意图

三重管法(Column Jet Pile,CJP),双高压旋喷技术 (Rodin Jet Pile ,RJP)就是三重管法,与普通三重管不同的是RJP工法中固化材料喷射流也是高压介质。RJP是一种水、气、浆液喷射法,使用的是分别输送水、气以及浆液的三重管。RJP的工作流程是在施工场地先进行钻探,使孔深达到预定深度,再使用旋喷管注浆的方法。将RJP应用到地下水以及土壤的修复中,使用水、气、修复药剂进行喷射,其工作原理(见图6)是利用两股超高压喷射流——超高压水喷射流和超高压修复材料喷射流,外套压缩空气,分阶段对土体进行切割。把注浆管放到孔底,先利用超高压水射流外套空气对土体进行切割,随后利用超高压修复材料对土体进行加固,采取一边喷射一边提管的方式,直到旋喷管提离钻孔开口处,随后进行钻孔封堵[31]。

图6 双高压旋喷技术修复示意图

MJS工法 (Metro Jet System),又称全方位高压喷射工法,是在传统高压喷射注浆工艺的基础上,采用了独特的多孔管和前端造成装置 (习惯称之为Monitor) ,多孔管由排泥管、高压水泥浆管、倒吸水管(2个)、主空气管、倒吸空气管、排泥阀传感器控制线路管(2个)、削孔喷水管、多孔管连接螺栓孔、备用管路等组成。前端造成装置上分布有压力传感器、排泥口、喷浆口等。实现了孔内强制排浆和地内压力监测,并通过调整强制排浆量来控制地内压力,以防止地内压力过大对地面造成隆起,大幅度减少对环境的影响,而地内压力的降低也进一步保证了成桩直径,确保地基加固的效果[36]。MJS工法原理图见图7[37]。

图7 MJS工法原理图

3.2 高压旋喷工艺分析

旋喷注浆法在原位修复施工中具有以下特点:(1)适用地层较广;(2)施工简便、灵活、设备较轻便、机动性强、施工效率较高,且注入的液体可以准确计量和控制;(3)喷射深度限制小,可多角度注入,且注入深度较深[38];(4)旋喷注浆修复污染物成本(不超过500元/m3),传统注药方式(800~900元/m3)[39],成本更低。高压旋喷工艺适用地层,从淤泥、淤泥质土、粉质粘土、粘土、砂到砾石类土,均有良好的注入效果,适用性较广。

高压旋喷注浆单管法具有一定局限性,虽然施工管理方便、施工速度快、工程造价低,但是其作用半径较小,用于污染物修复的效率就低。目前国内采用双管法和三管法的旋喷注浆的桩径直径在2 m左右,用于污染场地修复时,修复半径仍然较小,药剂注入点需求就会增多,注入点之间的搭接就会变多,会造成很大的浪费。而日本的MJS工法相比于传统的高压旋喷注浆修复所使用经费更低、工期更短;搅拌效果好,排泥量少;工艺简单,成桩直径大,效果好。因此我们应该研究MJS工法,推广此工法在国内的使用,以此来满足国内污染地下水修复的技术需求。

4 压裂注入工艺

4.1压裂注入工艺简介

水力压裂是采用较大压力向井筒附近的初始裂缝中注入大量压裂液,将岩石逐渐撑开并形成水力主裂缝并在地层中延伸,压裂过程中裂尖的应力场会改变周围的地应力,影响天然微裂缝的开裂,改变地层渗透率[40]。水力压裂技术是最有前途的石油等能源的增产技术之一,而将水力压裂技术应用到污染场地地下水的修复中,其实质就是将利用到能源的各种压裂液用砂浆和修复药剂混合来取代。施工原理是在污染场地进行布井,布井完成后,通过压裂在井道周围的土层中形成砂层,在形成砂层的之后或者形成砂层的同时,往砂层内注入修复试剂[41],重复上述过程,即可在井中形成不同的砂层,也就是实现了修复药剂的分层注入。施工工序为:(1)进行场地调查,确定污染地下水的分布;(2)注入井的优化布置;(3)安装所需要的工程设备,分别为混合装置,注入装置;(4)将砂浆与药剂进行混合;(5)钻井钻到预定深度,下PVC管作为护管,护管要在预定砂层的深度开孔,护管与井壁间隙用砂浆混凝土封井;(6)下入注浆管进行喷射;(7)砂层形成的同时,喷射修复药剂修复污染的地下水。

4.2压裂注入工艺分析

高压压裂注入的特点是将砂石通过高压泵入土壤形成土层裂隙,进而形成砂层,增大了土壤的渗透性,更有利于修复药剂的迁移,修复效果更好;可以实现定点、定深、定量的注入修复药剂,增大了修复药剂的利用率;修复半径可达4~7m,效率更高。高压压裂可以广泛适用于渗透性较低的粘土含量较高的土壤以及固有建筑物覆盖范围内的地下土壤。虽然高压压裂修复半径大、技术简单易于操作,但是最大的局限性是建井周期长,将会导致施工周期长、人工费增加。相比于不用建井的直推式注入和高压旋喷注入,在施工周期上就缺少了一定的优势。

5 注入关键技术

污染场地修复中往往存在污染类型多样化、污染物分布不均匀、水文地质条件复杂、地层非均质等难点,决定了土壤以及地下水修复的注入关键技术包括:

(1)注入井分布优化:环境修复的最终目标是将污染区域内污染物的浓度降低到目标要求的范围之内,这就要求注入井的选择一定要能使修复材料在横向上充分覆盖所有污染区域。注入井优化布置,目的是从宏观上符合污染羽分布,并且搭接区域的选择一定要合理,这样不仅可以节约成本,还能够保证施工的效率,因此对注入井分布进行优化将具有重要意义。

(2)精准钻进技术:注入井优化布置保证了修复材料在横向上能够覆盖所有污染区域,对注入点进行精确定位可以保证修复药剂在污染介质中的纵向渗透效果,使修复药剂在纵向上满足修复要求。这样就能做到精准注入,提高修复效率。

(3)浆液的扩散效果:研究地下水原位修复的钻进注入技术对地下水的修复具有重要的意义,目前,地下水原位修复钻进注入技术的评价主要考虑修复半径这一因素,随着修复半径扩大,所需要的注入井数量就会减少,这将会大大降低污染物修复的成本。因此,我们在施工时,应把浆液的扩散效果作为一个重要考虑因素,尽可能扩大注入扩散半径,提高注入效果,降低修复成本。

(4)防止地下水交叉污染:污染场地往往存在污染物分布不均、水文地质条件复杂等难题,很有可能会造成不同层位地下水的交叉污染,这给污染场地原位修复造成了巨大的困难。因此,我们在施工时要注意不同层位水修复的封隔,防止地下水交叉污染。

(5)药剂智能注入技术:地下水原位修复中修复药剂的选择直接影响到污染物的修复程度,而如何根据污染程度,将药剂智能化的注入到污染区域,对于地下水原位修复的研究具有重大意义。在进行施工时,应根据勘察所确定的污染程度、污染范围,实时探测修复效果并及时反馈,做到动态调节,从而确保施工的效率、降低施工成本。

6 结论

随着人们生活水平的提高,对生存的环境要求也越来越高,原位修复材料钻进注入技术将是地下水修复的重要技术,未来必将得到较大的发展。目前我国主要应用于地下水修复的技术为传统的注入井注入修复。与传统技术相比,直推式注入和高压旋喷技术这两种新兴技术具有更大的适应性,只要克服直推式修复钻机的成本问题以及高压旋喷技术修复直径小的问题,可以预见这两种技术将会成为我国环境修复的主流方式。我国原位修复材料钻进注入修复技术,与国外先进技术还缺少一定的灵活性和先进性,可以在赶超国外技术的同时,在地下水修复中采用综合修复技术,以此来降低修复成本、提高修复效率。

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作者简介

冯超,男,汉族,1995年生,中国地质大学(北京)在读硕士研究生,地质工程专业,主要从事环境钻探修复技术方面的研究,北京市海淀区学院路29号,354018041@qq.com。


原标题:论文精选 ▏地下水原位修复材料钻进注入技术现状调研

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