一种用于土壤地下水修复的双流体注入集成系统

技术领域

本发明涉及一种用于环境修复技术领域中的原位注射技术系统，具体地，涉及一种用于修复低渗透地层土壤地下水污染的移动式双流体注入集成系统。

背景技术

我国长期以来把石油化工产业视作重要的支柱性产业。而石油化工企业用水量大、排水量大、对原材料及产品的运输要求等特点造就了其临海、临江、临湖的布局特点。其中仅长江沿岸便有几十万家化工企业，长江经济带以21％的土地承载着全国30％的石化产业。化工产业中可能的管线及储罐泄漏或废水排放等问题会引起对土壤及地下水的严重污染，涉及的主要污染物包含石油烃、苯系物、多环芳烃、酚类、氯代烃等，这些物质进入人体后将对健康造成严重危害。

目前对于这类在产石化场地污染常用的修复方式为原位修复。相较于异位修复，原位修复不涉及土壤或地下水的清挖/抽出、运输及储存，既能减少修复成本也能有效防范二次污染，同时也适用于不适宜大范围开挖的场地。原位修复中包含的原位注射修复技术，指的是向土壤或地下水中注射投加特定的修复药剂来与地下污染物发生反应，将其转化为无毒或低毒的物质而实现修复的目的。相较于其他原位修复技术，原位注射有着效率高、适用范围广等突出的优点。

土壤地下水修复工程中采用的常规的原位注射技术主要包含直压式高压注射及注入井注射，主要适用于饱和带土壤和地下水的污染修复。直压式高压注射为通过直接压入地下的注射杆将配置好的液体药剂通过注射泵注入污染土层进行修复。注入井注射为在修复区域设置注入井，液体修复药剂在注射泵的压力下通过注射井进入污染土层来实现污染修复。这些常规注射技术的缺点为：均主要依靠土层中的孔隙和裂隙作为通道来分散修复药剂并通过地下水流来帮助药剂的进一步扩散，因而主要适用于均匀且中高渗透性的饱和带地层。

石油化工企业集聚的我国长江经济带地区有着土壤渗透性低、粘/夹层多且地下水位浅、渗透性差的特点。若使用常规注射技术，则由于优先流动途径的存在，修复药剂的功能将主要作用于高水力传导区域，修复效果将主要限于高渗透性地层。而残留于低渗透性土层中的污染物则会由于浓度梯度缓慢向高渗透土层中扩散，成为污染物的长期次要来源，抑制修复效果并造成修复工作“拖尾”甚至反弹。低渗透区域污染物的扩散可长达数年至数十年，地块中低渗透与高渗透地层的夹杂使得此缺陷更为显著，这也大大增加了整体修复的难度。

申请号为201610464626.7的“土壤及地下水原位注入——高压旋喷注射原位修复系统及方法”中国发明专利中，提到一种利用岩土领域中地基处理的高压旋喷方法来进行原位注射的技术，以解决低渗透地区的原位注射问题。其存在的问题是要求的注射压力大(25～30Mpa)，对设备要求高，在现场操作过程中有一定危险性；且会造成对土体结构破坏，将大大降低土体的承载力，在部分浅层土层效果有限；注射流量大，易引起返浆冒浆，造成药剂浪费以及二次污染；设备移动时需频繁拆装系统各部件等。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于低渗透地层土壤地下水污染的原位修复移动式双流体注入集成系统，解决现有原位注射技术的缺陷和不足，完成对地层的气、液双流体注射，进而提高修复效率，减少修复时间与成本。

为了达到上述目的，本发明提供了一种用于土壤地下水修复的双流体注入集成系统，其中，所述的集成系统包含注射单元、配药单元和辅助单元；所述的注射单元包含注射泵、空气压缩机、注射杆、注射顶杆、连接腔、注射头、喷头外壳和注射控制机构；所述的配药单元包含药剂配置槽和药剂存储槽；所述的辅助单元包含电控柜、杆件箱、下压装置和撬装平台；所述的注射单元、配药单元和辅助单元均集成于撬装平台上；所述的电控柜、杆件箱、下压装置、注射顶杆、空气压缩机、注射泵、药剂存储槽、药剂配置槽沿水平方向依次设置在撬装平台上方；注射杆从撬装平台上竖直向下设置，连接腔、注射头、喷头外壳沿竖直方向设置在撬装平台下方并与注射杆连接。

上述的用于土壤地下水修复的双流体注入集成系统，其中，所述的注射顶杆竖直向下与注射杆连接并贯通，连接腔设置在注射杆底端，连接腔的底部与注射头连接，喷头外壳套置在注射头外；下压装置固定在撬装平台上，用于安装注射杆。

上述的用于土壤地下水修复的双流体注入集成系统，其中，所述的辅助单元中还包含电缆与管道；管道包含输药软管、压缩空气软管；电缆设置在电控柜与注射单元、配药单元、下压装置之间；下压装置、注射控制机构、注射泵、空气压缩机分别通过电缆连接电控柜；输药软管和压缩空气软管设置在注射单元与配药单元之间；药剂配置槽、药剂存储槽、注射泵通过输药软管依次连接，注射泵的出口与注射顶杆通过输药软管连接，空气压缩机的出口通过压缩空气软管与注射顶杆连接。

上述的用于土壤地下水修复的双流体注入集成系统，其中，所述的辅助单元中，撬装平台集成承载全套系统，并在两侧的底部装有带自锁结构的万向轮；下压装置包含液压油缸、电磁调节阀、电磁换向阀、液压单向阀、齿轮泵，完成对注射杆的下压；杆件箱内储存包含注射杆的杆件；电控柜完成系统整体的电力接入与分配。

上述的用于土壤地下水修复的双流体注入集成系统，其中，所述的系统采用380V三相电力输入。

上述的用于土壤地下水修复的双流体注入集成系统，其中，所述的配药单元中，药剂配置槽内设有搅拌机，并带有液位刻度，顶部还设有加药计量机构。

上述的用于土壤地下水修复的双流体注入集成系统，其中，所述的加药计量机构为累积流量计。

上述的用于土壤地下水修复的双流体注入集成系统，其中，所述的注射单元中，注射控制机构包含压力表、流量计、调节阀门，注射控制机构连接注射泵和空气压缩机，并分别调节其流量进行控制。

上述的用于土壤地下水修复的双流体注入集成系统，其中，所述的注射单元中，注射顶杆为双层管结构，外层管与内层管之间形成外腔，内层管内设有内腔，注射顶杆上设有2个入口通道，分别连接空气压缩机与注射泵，注射顶杆的下部通过螺纹与注射杆连接；注射杆由若干根连接组成，每根均为双层管结构，外层管与内层管之间也形成外腔，内层管内设有内腔，分别与注射顶杆的外腔与内腔相通，并通过注射顶杆使内腔连接于注射泵，外腔连接于空压机；两根注射杆间通过螺纹连接固定，最下端的注射杆与连接腔连接；连接腔顶端连接注射杆，底端连接注射头。

上述的用于土壤地下水修复的双流体注入集成系统，其中，所述的注射头为压缩空气驱动的双流体旋转喷头，通过螺纹连接于连接腔上；注射头在压入土层时由喷头外壳覆盖保护，喷头外壳顶部为圆锥形，后部为筒状，通过滑条与连接腔连接。

本发明提供的用于土壤地下水修复的双流体注入集成系统具有以下优点：

(1)全套系统集成于撬装平台上，便于起吊、运输，节省了拆卸、组装、调试等步骤所需的时间，降低了施工人员劳动强度，同时提高了修复施工效率。撬装平台下方装有带有自锁结构的万向轮，方便系统在注射点位之间移动。撬装平台及其承载的系统整体在注射杆下压时作为反力克服机构，使下压更为稳定。

(2)注射过程中注射杆的下压使用静力液压，避免了锤击下压等操作所造成的横向扰动，减少对于土层的影响，可有效避免注射过程中的冒浆等问题，且相比于高压注射，系统能耗更低。

(3)双流体注射对土壤的剪切及打击作用可帮助打开部分土壤中原本密闭的孔隙，增加土壤有效孔隙率，使得修复药剂能与污染土壤地下水进行更加充分的接触，减少冒浆现象；同时原本密闭在非连通孔隙中的污染物因有效孔隙率的增加以及微通道的打通，同样将增加与药剂的混合接触并通过反应去除。

(4)双流体注射头为旋转喷头，由压缩空气驱动旋转，通过旋转喷洒使药剂注射更为均匀。部分压缩气体在进入土壤孔隙后将向上逸散，在此过程中有助于纵向打开土壤孔隙，进一步帮助修复药剂在竖直方向上的分散。

(5)气、液双流体的同时注射将形成有效的湍流，加快了药剂在土壤缝隙中的扩散速度；湍流不规则的运动使气体与液体发生强烈混合，使得药剂分布更为均匀；并且湍流增大了摩擦，有利于药剂与污染物的充分接触，从而强化了药剂与污染物的反应。

(6)通过双流体旋转注射头旋转喷射以及压缩气体双流体的配合，可以有效雾化药剂，使得液滴可以在包气带随气体一起分散，并且可以减小液滴尺寸，增加液滴数量，从而增加了药剂的表面积，实现注射技术直接包气带污染修复中的应用；雾化后的小液滴可使得药剂能进入并在土壤孔隙、微通道中更均匀的散布，从而提升修复药剂在包气带、低渗透地层的分散和扩散效果，减少或消除低渗透地层残留污染物缓慢释放造成的长期逆向扩散，解决修复工程的“拖尾”及反弹问题。

附图说明

图1为本发明的用于土壤地下水修复的双流体注入集成系统的结构示意图。

图2为本发明的集成系统中连接腔与喷头外壳处于闭合状态的示意图。

图3为本发明的集成系统中注射头双流体旋转喷嘴的剖面示意图。

图4为本发明的集成系统中注射部件处于注射状态的结构示意图。

其中：1、电控柜；2、注射泵；3、空气压缩机；4、注射杆；5、注射顶杆；5-1、外腔入口；5-2、内腔入口；6、连接腔；7、注射头；7-1、旋转喷嘴；8、喷头外壳；9、药剂配置槽；10、药剂存储槽；11、杆件箱；12、下压装置；13、撬装平台；14、滑条；15、注射控制机构。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。

本发明提供的用于土壤地下水修复的双流体注入集成系统，包含注射单元、配药单元和辅助单元；注射单元包含注射泵2、空气压缩机3、注射杆4、注射顶杆5、连接腔6、注射头7、喷头外壳8和注射控制机构15；配药单元包含药剂配置槽9和药剂存储槽10；辅助单元包含电控柜1、杆件箱11、下压装置12和撬装平台13；注射单元、配药单元和辅助单元均集成于撬装平台13上；电控柜1、杆件箱11、下压装置12、注射顶杆5、空气压缩机3、注射泵2、药剂存储槽10、药剂配置槽9沿水平方向依次设置在撬装平台13上方；注射杆4从撬装平台13上竖直向下设置，连接腔6、注射头7、喷头外壳8沿竖直方向设置在撬装平台13下方并与注射杆4连接。

优选地，注射顶杆5竖直向下与注射杆4连接并贯通，连接腔6设置在注射杆4底端，连接腔6的底部与注射头7连接，喷头外壳8套置在注射头7外；下压装置12固定在撬装平台13上，用于安装注射杆4。

该辅助单元中还包含电缆与管道；管道包含输药软管、压缩空气软管；电缆设置在电控柜1与注射单元、配药单元、下压装置12之间；下压装置12、注射控制机构15、注射泵2、空气压缩机3分别通过电缆连接电控柜1；输药软管和压缩空气软管设置在注射单元与配药单元之间；药剂配置槽9、药剂存储槽10、注射泵2通过输药软管依次连接，注射泵2的出口与注射顶杆5通过输药软管连接，空气压缩机3的出口通过压缩空气软管与注射顶杆5连接。

辅助单元中的撬装平台13集成承载全套系统，并在两侧的底部装有带自锁结构的万向轮，方便移动，撬装平台13整体在下压时作为反力克服机构；下压装置12包含液压油缸、电磁调节阀、电磁换向阀、液压单向阀、齿轮泵，完成对注射杆4的下压；杆件箱11内储存包含注射杆4的杆件；电控柜1完成系统整体的电力接入与分配。

该系统采用380V三相电力输入。

配药单元中的药剂配置槽9内设有搅拌机，并带有液位刻度，顶部还设有加药计量机构。药剂存储槽10与药剂配置槽9连接，用以储存配置好的药液，并通过输药软管与注射单元连接。

该加药计量机构为累积流量计。

注射单元中的注射控制机构15包含压力表、流量计、调节阀门，注射控制机构15连接注射泵2和空气压缩机3，并分别调节其流量进行控制。注射泵2与空气压缩机3出口均通过管道与注射顶杆5连接。注射控制机构15用以调节注射泵2和空气压缩机3流量。

注射单元中的注射顶杆5为双层管结构，外层管与内层管之间形成外腔，内层管内设有内腔，注射顶杆5上设有2个入口通道，分别连接空气压缩机3与注射泵2，注射顶杆5的下部通过螺纹与注射杆4连接；注射杆4由若干根连接组成，每根均为双层管结构，即二重管；外层管与内层管之间也形成外腔，内层管内设有内腔，分别与注射顶杆5的外腔与内腔相通，并通过注射顶杆5使内腔连接于注射泵2，外腔连接于空压机；两根注射杆4间通过螺纹连接固定，最下端的注射杆4与连接腔6连接；连接腔6顶端连接注射杆4，底端连接注射头7。

注射头7为压缩空气驱动的双流体旋转喷头，设有旋转喷嘴7-1，通过螺纹连接于连接腔6上；注射头7在压入土层时由喷头外壳8覆盖保护，喷头外壳8顶部为圆锥形，后部为筒状，通过滑条14与连接腔6连接。

下面结合实施例对本发明提供的用于土壤地下水修复的双流体注入集成系统做更进一步描述。

实施例1

一种用于土壤地下水修复的双流体注入集成系统，特别适用于石化类场地低渗透地层污染原位修复，其包含注射泵2、空气压缩机3、注射杆4、注射顶杆5、连接腔6、双流体旋转注射头7、喷头外壳8组成的注射单元；药剂配置槽9、药剂存储槽10组成的配药单元；电控柜1、杆件箱11、下压装置12、撬装平台13组成的辅助单元。所有系统均集成于撬装平台13上。

当双流体注入集成系统处于注射工作状态时，注射顶杆5、注射杆4、连接腔6、双流体旋转注射头7依次通过螺纹连接。喷头外壳8于压入时对双流体旋转注射头7起保护作用，于注射前下滑露出双流体旋转注射头7。以上部件均通过下压装置12下压至计划修复深度。注射泵2、空气压缩机3通过软管连接于注射顶杆5上。药剂存储槽10与注射泵2通过输药软管相连。按实际需要在药剂配置槽9中调配药剂。参见图1所示，图中箭头指示方向为流体传输方向。

将事前探测中得到的地层数据与计算得到的注射体积、流量、压力等参数由注射控制机构15输入，并通过注射泵2和空气压缩机3上的执行机构实现参数调节，以达成对于各地层、各深度的精准注射，有效改善地层异质性造成的诸多原位注射问题，避免药剂的浪费以及冒浆等带来的潜在二次污染。

注射单元杆件下压时，连接腔6与喷头外壳8处于闭合状态参见图2所示。连接腔6中设有气液出口渐缩端，与双流体旋转注射头7相通，使得气、液管的直径缩小至与双流体旋转注射头7入口的尺寸相同。喷头外壳8下端为锥面，且外径与连接腔6相同，有利于下压钻入土层。下压时，喷头外壳8受到下方土层竖直向上的力，通过滑条14向上滑动，与连接腔6接触闭合，使得双流体旋转注射头7在钻入时隐藏于喷头外壳8中，防止钻入时土壤由于受到挤压与双流体旋转注射头7接触，以及避免可能导致的旋转喷嘴7-1堵塞、损坏或旋转不顺。

双流体旋转注射头7的剖面参见图3所示，旋转喷嘴7-1朝向为中心的切线方向。压缩气体经由旋转喷嘴7-1喷出，其反作用力带动喷头旋转，帮助修复药剂经由喷嘴旋转喷出、实现药剂通过机械方式的雾化与均匀散布，同时在压缩气体的影响下进一步形成更小的液滴，实现修复药剂在低渗透区及包气带的扩散。

注射单元杆件在注射时的整体结构参见图4所示。经由杆件的整体上提，喷头外壳8由于重力作用沿滑条14下滑并与连接腔6分离，通过两侧的滑条14悬挂于连接腔6下方，使得喷头外壳8内原本隐藏的双流体旋转注射头7露出，允许注射修复工作的开展，并在连接腔6与喷头外壳8之间形成一小段空腔，防止注射头7与土体接触导致旋转不顺。注射顶杆5上的外腔入口5-1和内腔入口5-2分别通过软管与空气压缩机3和注射泵2连接，使压缩空气、修复药剂分别进入注射顶杆5与注射杆4的外、内管并顺注射杆4流下，在连接腔6内经过渐缩端进入管径较小的双流体旋转注射头7，带动旋转喷嘴7-1的旋转并经由其喷出。其中注射杆4的数量将由注射深度决定。旋转喷嘴7-1的旋转方向垂直于接口方向，在注射杆4竖直压入的情况下为水平旋转。

电控柜1为室外型可扩展电控柜，包含系统电源接入与控制模块；注射泵2流量范围为0-2m

实施例2

一种用于土壤地下水修复的双流体注入集成系统，其工作时的过程包含：

步骤1，使用起重装置起吊并将撬装平台13安放至修复场地。

步骤2，将撬装平台13移至注射点位，使得下压装置12对准注射点，锁紧万向轮上的自锁结构；打开电源，开启药剂配置槽9中的搅拌机开始配制药剂；

步骤3，组装双流体旋转注射头7、连接腔6与喷头外壳8、注射杆4并固定至下压装置12；启动下压装置12开始下压；当第一根注射杆4下压完成后，解除固定，连接并将第二根注射杆4固定于下压装置12下，再次下压；

步骤4，重复步骤3，直到实际下压深度超过设计最大注射深度约0.5m，固定注射杆4，将注射顶杆5组装于最上端注射杆4上；

步骤5，将注射杆件整体稍许上提使得双流体旋转注射头7抵达设计注射深度，喷头外壳8沿滑条14下滑，露出注射头7；

步骤6，将注射泵2、空气压缩机3与注射顶杆5连接；空气压缩机3连接至注射顶杆5外腔，注射泵2连接至注射顶杆5内腔；

步骤7，启动注射单元；注射泵2和空气压缩机3将药剂与压缩空气分别注入注射顶杆5、注射杆4的内外腔，并沿注射杆4而下进入连接腔6；药剂与压缩空气自连接腔6进入双流体旋转注射头7，压缩空气驱动旋转喷嘴7-1旋转，将药剂雾化后喷出；

步骤8，上提注射杆4至下一注射深度，重复步骤6、步骤7、步骤8，直到该注射点位所有设计注射深度完成药剂注射；

步骤9，重复步骤2至步骤8，直到所有设计注射点位完成药剂注射。

本发明提供的用于土壤地下水修复的双流体注入集成系统，可利用一套集成系统完成土壤与地下水的原位注射修复，达成液体药剂与气体的双流体同时注射，增强药剂的分散、扩散、渗透能力以及与地下污染物的混合能力，从而提高修复效率，提升修复效果。使用时将集成撬装系统转移至注射点附近，使用下压装置将注射杆直压至地下修复深度；气、液双流体注射采用空压机和注射泵连接注射杆的二重管旋转喷射，压缩空气驱动喷头旋转，同时利用气体切割土体，实现液体药剂雾化，帮助液体药剂在低渗透地层中顺利分散并与污染物充分混合接触，可同时适用于包气带土壤以及饱和带土壤和地下水的污染修复。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。