重金属污染场地注入、监测、探测一体化修复设备与方法

技术领域

本发明涉及污染土修复领域，特别涉及一种重金属污染场地注入、监测、探测一体化修复设备与方法。

背景技术

我国现存大量的重金属污染场地，严重威胁着生态环境安全与人类健康。重金属是影响全国农用地土壤环境质量的主要污染物，以镉、铜、铅、铬、锌、镍的污染情况较为普遍，其中工业行业带来的重金属污染尤其显著。由于我国工业化起步晚，但进程较快，同一块工业场地企业类型变化频繁，因此，我国的工业重金属污染场地多为多金属复合污染场地。由于土体中重金属滞留能力强、可降解性差等特点，所以重金属污染带来的影响可长达数十乃至数百年。同时，土体中的重金属在地下水渗流作用下不断迁移，水平距离可达数公里、深度近百米，危害范围不断扩大；且能在迁移的过程中发生一系列物理化学反应，在土壤环境中实现形态转化，使清除变得更加困难。此外，重金属还能通过土壤-水-植物系统进入动植物体内，进而通过食物链和地下水等间接或直接进入人体，造成慢性中毒。因此，重金属污染场地治理是社会的迫切需求。

重金属污染场地常用的修复方法有：换土填埋、水泥窑焚烧、土壤淋洗、微生物植物修复及原位注入化学修复等。原位注入化学修复是众多原位修复方法中应用最广泛的一种，是指通过向污染区域的土壤注入氧化剂或还原剂，通过氧化或者还原作用，使土体中的污染物转化为无毒或毒性相对较小的物质，进而达到修复目的。

以我国广泛存在的铅、锌污染场地为例，通过原位注入化学修复法将负载型纳米零价铁注入到地下污染层中，纳米零价铁能有效地去除土壤中的Pb

(1)在结构复杂、差异性较大的地层中注入时，修复剂易沿优势通道渗透，达不到理想的扩散效果；

(2)注入过程中修复剂迁移不可控、扩散范围无法监测；

(3)完成注入之后，修复剂最终扩散半径无法检测；

(4)无法实现修复剂定深、定量、定点注入。

针对上述问题，需要寻求一种操作方便易行，同时维护成本低、在实际工程中具有可推广性的重金属污染场地负载型修复剂配制、注入、监测、探测一体化装置与方法。

发明内容

本发明提供了一种重金属污染场地注入、监测、探测一体化修复设备与方法，其目的是为了解决现有的原位注入化学修复的弊端。

为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种重金属污染场地注入、监测、探测一体化修复设备，包括：

注入装置，包括储液罐和多个用于置入注入井内的分层注入单元，所述分层注入单元包括上膨胀体和下膨胀体，所述上膨胀体与下膨胀体之间设置有底端封闭的花管，所述花管的顶端与所述储液罐连通；

实时监测装置，包括多个温湿度传感器，所述温湿度传感器用于设置在监测井；

检测装置，用于检测待修复区域的电阻率。

优选地，所述注入装置还包括空压机和气体压力控制器，所述气体压力控制器与所述空压机通过气体管路连通，所述气体压力控制器上设置有至少两个独立控制的压力出口，其中一个压力出口与储液罐连通，其余压力出口分别连通有多个膨胀管路，每个所述膨胀管路分别与一个分层注入单元的上膨胀体和下膨胀体连通以控制多个分层注入单元内的上膨胀体和下膨胀体的膨胀幅度；

所述储液罐内设置有气囊，与储液罐连通的压力出口通过控制气囊的膨胀将储液罐内的注入液排入花管内。

优选地，所述膨胀管路上设置有压力表储液罐与花管之间设置有流量计；

所述检测装置包括高密度电阻率仪和与高密度电阻率仪连接的测线，所述测线上设置有若干垂直测线的电极，所述测线设置在所述注入井处，并且测线的中心位于注入井的圆心，多根测线呈放射状排布；

重金属污染场地注入、监测、探测一体化修复设备还包括中控装置，所述中控装置与所述压力表、流量计、温湿度传感器、气体压力控制器、空压机、高密度电阻率仪信号连接。

本申请还提供了一种修复方法，采用前述的重金属污染场地注入、监测、探测一体化修复设备，其特征在于，包括如下步骤：

S1.在污染场地修复前，对待修复区域进行探测，获取待修复区域的初始电阻率；

S2.开挖注入井和监测井，并将温湿度传感器、分层注入单元分别下放至监测井和注入井内；

S3.制备修复剂；

S4.调整上膨胀体和下膨胀体的膨胀幅度，使得上膨胀体、下膨胀体分别与注入井的内壁发生紧密接触；

S5.将修复剂通过花管注入到上膨胀体、下膨胀体之间的污染层，并且在注入的过程中实时获取各监测井温度和湿度随时间的变化以及修复剂注入量随时间的变化；

S6.修复剂注入完毕后，对待修复区域进行探测，获得修复后的电阻率。

优选地，在步骤s2中，注入井深至污染层，若干监测井环绕注入井布设，并且监测井的扩散深度和扩散半径不同。

优选地，修复剂为膨润土悬浮液携带高岭土负载纳米零价铁的悬浊液，膨润土为钠化改性膨润土。

优选地，所述高岭土负载纳米零价铁中纳米零价铁的质量比为25％-33％。

优选地，悬浊液中的膨润土质量占比为3％，K-nZVI质量占比为0.2％-0.4％。

优选地，在步骤s4前，对重金属污染场地注入、监测、探测一体化修复设备进行气密性检查。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

在本申请中，利用两个膨胀体充气膨胀挤压膨胀体四周地层(注入井内壁)，进而膨胀体与注入井内壁紧密接触，使得修复剂仅能在两个膨胀体之间的地层内进行扩散，避免了修复剂迁移的不可控性，造成扩散范围无法监控。

同时，两个膨胀体还从别从上下两个方向限制修复液在注入井的深度位置，实现定点、定位修复。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明的示意图；

图2是分层注入单元与注入井的装配示意图；

图3是温湿度传感器与监测井的装配示意图；

图4是注入井与若干监测井的位置示意图；

图5是修复方法的步骤示意图。

【附图标记说明】

11-储液罐、121-上膨胀体、122-下膨胀体、123-花管、124-膨胀管路、125-流量计13-空压机、14-气体压力控制器、

21-温湿度传感器

31-高密度电阻率仪、32-测线、33-电极、

4-中控装置、

a-注入井、b-监测井、

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1-4所示，本发明的实施例提供了一种重金属污染场地注入、监测、探测一体化修复设备，包括注入装置、实时监测装置和监测装置，其中注入装置包括储液罐11和多个用于置入注入井a的分层注入单元，该分层注入单元包括上膨胀体121和下膨胀体122，上膨胀体121和下膨胀体122在纵向之间设置有花管123，该花管123的顶端与储液罐11连通，底端封闭。实时监测装置包括多个温湿度传感器21，温湿度传感器21用于埋设在监测井b内。检测装置用于检测待修复区域的电阻率。

在本申请中，利用上膨胀体121和下膨胀体122分别置入注入井a内，并通过上膨胀体121和下膨胀体122的膨胀与注入井a的内壁发生挤压，对待修复区的土体进行挤压，当修复剂由储液罐11流入花管123时，花管123水平喷射修复剂，修复剂在两个膨胀体之间的地层内发生流动，实现对该区域污染地层的修复；通过移动两个膨胀体在竖直方向上的位置，实现控制修复层深度和厚度的精准控制，方便对重金属污染场地的定点、定深、定量和精准修复。

同时，利用两个膨胀体充气膨胀挤压膨胀体四周地层(注入井内壁)，进而膨胀体与注入井内壁紧密接触，使得修复剂仅能在两个膨胀体之间的地层内进行扩散，避免了修复剂迁移的不可控性，造成扩散范围无法监控。

优选地，在本实施例中，上膨胀体121和下膨胀体122为气囊，气囊通过充放气可以实现膨胀以及收缩，方便进行施工和收纳。

进一步的，注入装置还包括空压机13和气体压力控制器14，空压机13与气体压力控制器14通过气体管路连通，该气体压力控制器14上至少设置有两个独立控制的压力出口，其中一个压力出口与储液罐11连通，其余压力出口分别连通有多个膨胀管路124，每个膨胀管路124分别与一个层注入单元上膨胀体121和下膨胀体122连通。气体压力控制通过控制输入两个膨胀体的充气量，确保两个膨胀体与注入井a的内壁发生充分的挤压。

前述的储液罐11内设置有另一气囊，该气囊位于储液罐11的底部，修复剂灌装在储液罐11内。在气囊的挤压下，修复剂由储液罐11上方的管道流入花管123中，并经花管123注入到地层中。由于修复剂为悬浊液，容易发生沉淀，因此，当气体压力控制器14控制该气囊膨胀时，能够搅动修复剂，有助于缓解沉淀的现象，提高修复效果。

进一步的，储液罐11的顶部还设置有装料阀门和排气孔，在装料时，排气孔处于开启状态。储液罐11的底部设置有连接法兰，方便拆卸储液罐11进行清洗。

优选地，在膨胀管路124上设置有压力表和膨胀阀门，该压力表用于检测两个膨胀体的气压以确保两个膨胀体与注入井a发生充分接触。在储液罐11与花管123之间设置有流量计125和流量阀门和流量压力计，流量计125用于记录修复剂注入的瞬时流量和累积流量。流量阀门用于控制储液罐11与花管123之间的通断，流量压力计相对流量阀门更靠近储液罐11一侧。

前述的检测装置包括高密度电阻率仪31和测线32，其中测线32与高密度电阻率仪31与测线32信号相连，测线32用于设置在注入井a处，并且保证测线32的中心位于注入井a的中心。测线32上还设置有若干垂直测线32的电极33，该电极33在检测时插入待修复区域的土层内。

优选的，测线32设置有多个，多个测线32以注入井a的中心呈放射状排布。

优选的，注入井a的横截面为圆形。

重金属污染场地注入、监测、探测一体化修复设备还包括中控装置4，中控装置4与压力表、流量计125、温湿度传感器21、气体压力控制器14、空压机13和高密度电阻率仪31信号连接。

中控装置4能够控制气体压力传感器的每个压力出口的功率，并且记录绘制注入压力随时间变化曲线。

中控装置4还能通过流量计125记录瞬时流量和累积流量并绘制流量随时间变化曲线。

优选地，花管123的直径小于两个膨胀体未膨胀前的直径，并且花管123侧面的的喷射孔径保持一致且均匀分布。

前述的温湿度传感器21包括探头和与探头信号连接的无线信号发射器，无线信号发射器接受探头的信号并将信号传输至中控装置4。探头埋入监测井b内。

图1-4结合图5，本申请还提供了一种修复方法，采用前述的修复设备，包括如下步骤：

S1.在污染场地进行修复前，对待修复区域进行探测，获取待修复区域的初始电阻率。初始电阻率通过高密度电阻率仪31和测线32获得。

S2.开挖注入井a和监测井b，并且注入井a和监测井b深至污染层中，若干监测井b环绕注入井a布设，并且监测井b距离注入井a的距离不同，监测井b的深度不同，温湿度传感器21埋设在监测井b内，实现对注入井a周边立体空间内各位置的监测。

将分层注入单元下放至注入井a内。

S3.制备修复剂。修复剂为膨润土悬浮液携带高岭土负载纳米零价铁的悬浊液，膨润土为钠化改性膨润土。

常规的修复剂中，常常将高岭土负载纳米零价铁混合到水中形成悬浊液作为修复剂，但是水和高岭土负载纳米零价铁配成的悬浊液修复效果较差，为此本申请利用膨润土悬浮液替代水，膨润土悬浮液与高岭土负载纳米零价铁混合形成本申请的修复剂，具有较好的修复效果。

检查重金属污染场地注入、监测、探测一体化修复设备的气密性。气密性的检测包括两方面，一方面是检测气路的气密性，另一方面是流体管路的气密性检查。当检测装置组装完毕后，在储液罐11内注满清水，打开空压机13，将两个膨胀体进行充气至满足于膨胀体与注入井a发生紧密挤压后，关闭膨胀阀门，观察压力表的数值变化，一端时间后，压力表数值保持恒定，则证明气路的气密性完好。进一步的，维持膨胀体当前压力，关闭流量阀门，一段时间后，流量压力计的数值保持恒定，则证明流体管路的气密性完好。

配置好修复剂后，将修复剂注入到储液罐11内待用。

S4.调整上膨胀体121和下膨胀体122的膨胀幅度，使得上膨胀体121和下膨胀体122分别与注入井a的内壁发生紧密接触，并向注入井a的内壁施加挤压力，并维持当前的挤压力。

S5.将修复剂通过花管123注入到两个膨胀体之间的污染层，并且在注入的过程中实时获取各监测井b中温度、湿度随时间的变化以及修复剂注入量随时间的变化。

S6.修复剂注入完毕后，对待修复区域进行探测，获得修复后的电阻率。

在注入完成之后0h、2h、4h、8h、24h、48h、120h和240h分别将测线32放置在注入井a的上方，并且将电极33插入土壤中，对修复区域进行电导率检测，并与场地修复之前的检测数据进行对比，分析负载型纳米零价铁扩散迁移情况。

定期采取注入井a最大影响范围处地下水样，并检测铅离子和锌离子浓度。结合监测数据(压力、流量和温湿度变化)和检测数据，分析评价修复效果。

在本申请中，高岭土负载纳米零价铁中纳米零价铁的质量比为25％-33％。悬浊液中膨润土质量占比为3％，K-nZVI质量占比为0.2％-0.4％。

实施例1

在实施例1中，按照膨润土和水质量比为0％、1％、3％、5％，高岭土负载纳米零价铁(K-nZVI)和水质量比为0.1％、0.2％、0.4％配制修复剂。根据试验方案称取相应质量的水、膨润土以及K-nZVI；分多次将膨润土加入到水中，其次高速搅拌悬浮液5min；悬浮液静置水化24h；最后将称取好的K-nZVI与膨润土悬浮液充分混合，高速搅拌3min，膨润土悬浮液携带K-nZVI修复剂配制完成，之后进行吸光度测试。以修复剂静置4h的相对吸光度(某时刻吸光度/初始吸光度)大小评价修复剂的稳定性。相对吸光度越大，表明修复剂体系越稳定。具体试验方案及结果如表1所示。

表1 4h后不同配比修复剂相对吸光度

注：膨润土与水的比例为零，则代表不添加膨润土。膨润土与水的比例以及K-nZVI与水的比例彼此独立，互不影响。

由表1可知，在不掺入膨润土的情况下，K-nZVI在水中沉降较快，约4h后吸光度下降到初始值的30％。通过对比发现，即使膨润土掺量很少也能有效提高K-nZVI颗粒的分散性和稳定性，且膨润土掺量越多，K-nZVI分散性和稳定性越好。根据表1，修复剂中膨润土掺量应大于等于3％。

实施例2：

采用旋转黏度计对不同配比修复剂进行黏度测试。黏度是表征修复剂流变性的重要指标，黏度越低，可注性越强。具体试验方案及结果如表2所示。

表2不同配比修复剂黏度值

由表2可知，膨润土和K-nZVI掺量的增加都会导致修复剂黏度增大。膨润土对修复剂黏度的影响更为显著，而K-nZVI对修复剂黏度的影响与膨润土掺量有关。膨润土掺量为5％时，随K-nZVI掺量的增加，修复剂黏度增大了1倍；而膨润土掺量为1％和3％时，随K-nZVI掺量的增加，修复剂黏度增幅平缓，表明K-nZVI对膨润土掺量较高的修复剂黏度影响较大。此外，当膨润土掺量为5％时，修复剂黏土出现突增，且随K-nZVI掺量增加黏度增大速率较快。综上，修复剂中膨润土掺量宜为3％，K-nZVI掺量宜为0.4％。

实施例3：

配制1000mg/L的重金属铅、锌离子溶液，按照膨润土：水为3％，K-nZVI：水为0.4％进行修复试验。其中所用的K-nZVI中纳米零价铁(nZVI)和高岭土(Kaolin)之比分别为1:0,1:4,1:3,1:2,2:3，并设置一组仅掺入膨润土的对照实验。试验溶液pH未做调节。具体试验方案及结果如表3所示。

表3重金属铅、锌离子去除率((Re)

由表3可见，相比纯膨润土和nZVI，K-nZVI对重金属铅、锌离子具有明显去除效果。对比nZVI和Kaolin之比分别为1:0,1:4,1:3,1:2,2:3的试验结果发现，高岭土负载纳米零价铁中nZVI和Kaolin之比为1:3和1:2时，铅、锌离子的去除率较高。其中二者质量比为1:2时，去除率最高，分别为94.4％和92.4％。综上所述，高岭土负载纳米零价铁中纳米零价铁质量占比宜为25％～33％。

在本申请提供的一种重金属污染场地注入、监测、探测一体化修复设备及方法，1)利用注入装置、监测装置检测装置和控制装置，将注入、监测、监测和修复实现自动化，并且将修复剂注入过程中的压力、流量、地层温湿度变化进行存储和可视化处理，可远程24小时监测注入情况，并根据实际注入情况调整注入参数，相比传统的修复剂注入设备，本申请的集成度更高，功能更全面，远程控制以及注入-监测-检测一体化。

2)本申请提供的重金属污染场地注入、监测、探测一体化修复设备通过花管123和两个膨胀体的结合使用，可以实现对修复区域的深度和厚度进行精准把控，提高修复剂在修复区域内的可控性，方便在工后进行快速检测，实现中金属污染场地的定点、定量、定深和精准修复。

3)本申请还提供了一种修复剂的配比，利用膨润土悬浮液具有良好的携带能力，兼具重金属吸附、还原特性配置修复剂，提高修复剂体系的稳定性，且具有较小的黏度值，减小修复注入过程中的阻力，能够有效增大纳米零价铁的迁移距离，减少纳米零价铁在眼土层的沉积，增大纳米零价铁在污染地层中的扩散半径，起到强化传输的目的。

4)膨润土悬浮液携带高岭土负载纳米零价铁中，采用钠化改性膨润土悬浮液携带高岭土负载纳米零价铁，高岭土负载纳米零价铁能有效解决纳米零价铁易团聚、易氧化的问题，配制钠化改性膨润土悬浮液携带纳米零价铁能减少纳米零价铁在修复剂体系中的沉降。此外，钠化改性膨润土具有较强的重金属吸附作用、高岭土负载纳米零价铁具有强还原性，因此，相比传统纳米零价铁修复剂，本发明提供的方法，重金属去除率更高，污染场地修复效果更好。

相比其它纳米零价铁强化传输材料，本发明中所用材料钠化改性膨润土和高岭土廉价易得；与传统注入装置相比，本发明装置集成度高，操作方法简单，可远程控制；增强修复效果的同时，节省污染场地修复成本。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。