CN114888063B - 一种埋地排污管道周围污染土壤原地修复方法 - Google Patents

一种埋地排污管道周围污染土壤原地修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种埋地排污管道周围污染土壤原地修复方法，将埋地管道周围的污染土壤开挖过筛后，通过加入修复剂和水制备成流态固化土壤，再回填至修复管道周围；再此基础上，通过快速碳化技术，进一步增强流态固化土壤实现重金属固定、有机物去除的效果，同时使回填流态固化土壤的强度实现快速提升。本发明方法能够充分实现异形区域污染土壤的快速修复与安全再利用。

Description

一种埋地排污管道周围污染土壤原地修复方法
技术领域
本发明涉及环境工程、岩土工程及市政工程等领域，具体涉及一种埋地排污管道周围污染土壤原地修复方法。
背景技术
为了节省地上空间，大部分工业园区、城市污水管道等采用埋地铺设。然而，在外界环境侵蚀、外界荷载、地层沉降、地震等作用下，该铺设常常遭到破坏。管道被破坏后，渗漏污水对周围土壤造成污染的同时，也对周围生态环境与人类健康构成严重威胁。目前对于埋地排污管道周围污染土壤的修复方式主要是将污染土壤挖开，然后换填干净砂土。对于该种传统的修复方式通常需要污染土壤外运处置、干净土壤内运、回填土壤机械压实等多道复杂工序。这不仅对工业园区的正常工业生产带来负面影响，而且存在修复时间长、修复费用高的缺点。因此，鉴于以上现状，亟需研发扰动小、修复周期短的经济型修复方式，以满足产工业园区、城市污水管道快速抢修的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种埋地排污管道周围污染土原地修复方法，以满足产工业园区、城市污水管道快速抢修的需求。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种埋地排污管道周围污染土壤原地修复方法，包括如下步骤：
(1)将埋地排污管道周围的污染土壤进行开挖，并筛除大于10cm的建筑垃圾或者碎石杂物；
(2)确定向开挖污染土壤中添加的修复剂、水的比例，将修复剂和水混合；
(3)采用拌合设备将步骤(2)得到的混合物与步骤(1)处理后的污染土壤进行充分搅拌，得到流态修复污染土壤；
(4)将步骤(3)得到的流态修复污染土壤回填至步骤(1)开挖后的埋地排污管道周围；
(5)在回填流态修复污染土壤中***注射二氧化碳的盲管；
(6)向盲管中通入二氧化碳；
(7)二氧化碳注射结束后，将水硬性灌注材料填入注射二氧化碳的盲管中，并将高出回填流态修复污染土壤的盲管截断；
(8)在经过快速碳化的回填固化流态修复污染土壤表层铺设土工膜；
(9)土工膜上层覆土后施作道路或者混凝土结构层；
其中，所述的埋地排污管道位于产企业厂房角落、生产车间设备底座周围的异形区域；
其中，所述的污染土壤为被污染物污染的土壤，所述的污染物为重金属、有机物中的任意一种或者几种的混合物。优选地，所述的重金属为铅、锌、镍、镉、铜中的任意一种或几种的组合，重金属污染物浓度范围为4000-10000mg/kg；所述的有机物为石油烃、氯代烃、苯系物中的任意一种或几种的组合，有机物污染物浓度范围为10000-15000mg/kg；所述重金属与有机物复合的污染物至少包含铅、锌、镍、镉、铜中的一种，以及石油烃、氯代烃、苯系物中的一种，且重金属污染物和有机物污染物的浓度范围分别为4000-10000mg/kg和10000-15000mg/kg。
步骤(1)中，埋地管道污染区域通过场地调查及风险评估结果确定污染范围，进而确定开挖范围(垂直向深度和水平向距离)。污染土壤采用窄斗挖机或者人工开挖等方式进行。开挖土壤采用带有筛孔的挖机抓斗、筛分破碎铲斗等设备完成，斗筛除大于10cm的建筑垃圾或者碎石等杂物。
步骤(2)中，向开挖污染土壤添加修复剂和水质量通过小试验确定，试验中以单一变量为优化原则。需要说明的是，修复剂和水添加量以污染土壤干重为基准。
(A)修复剂掺量优选过程为：将污染土壤的含水率确定为最优含水率的1.3倍，其最优含水率由击实试验确定。修复剂掺量范围值设置为3-21％，步长为3％。将修复土壤养护一定时间后，进行修复效果评价。
如果污染土壤中污染物为重金属，则将修复前后的污染土壤分别进行毒性浸出试验，并计算修复剂对重金属污染土壤的修复效率(E1)，其中E1的计算方法为E1＝(修复后污染土壤目标污染物浸出浓度-修复前污染土壤目标污染物浸出浓度/修复前污染土壤目标污染物浸出浓度×100％。如果污染土壤中污染物为有机物，则将修复前后的污染土壤分别进行污染物浓度试验，并计算修复剂对有机污染土壤的修复效率(E2)，其中E2的计算方法为E2＝(修复后污染土壤目标污染物浓度-修复前污染土壤目标污染物浓度/修复前污染土壤目标污染物浓度×100％。如果土壤污染物为重金属和有机复合污染土壤，则将修复前后的污染土壤分别进行污染物毒性浸出试验和有机物浓度试验，并分别计算修复剂对污染土壤中重金属的修复效率(E1)和对有机物的修复效率(E2)。
最优修复剂掺量的确定原则为：将不同掺量修复剂掺量条件下的污染土壤的修复效率进行比较，当较大修复剂掺量(i+3％)对应的修复效率E1i+3％与较小修复剂产量条件下(i％)对应的修复效率E1i％的比值大于1.05时，确定较小的修复剂掺量条件(即，i％)为最优修复剂掺量。
(B)含水率优选过程为：将污染土壤的修复掺量确定为从(A)中得到的最优修复剂掺量。水掺量初始值设置为污染土壤液限，步长为5％。参照ASTM C143/C143M的规范，测试不同水掺量条件下，污染土壤进行坍落度。当修复土壤坍落度水掺量满足修复坍落度目标时对应的水掺量，即为最优水掺量。
步骤(2)中，所述修复剂分为I型修复剂和II型修复剂，所述的I型修复剂为水泥、石灰、钢渣、矿渣中的任意一种或者几种的组合；所述的II型修复剂为I型修复剂和过硫酸钠的混合物。
优选地，当污染物为重金属时，则所述的修复剂为I型修复剂；当污染物为有机物时，则所述的修复剂为II型修复剂；当污染物为重金属和有机物的组合物时，则所述的修复剂为II型修复剂。
步骤(6)中，所述的通入二氧化碳，其二氧化碳纯度为95％以上。
上述原地修复方法，其修复时间为0.5-1小时。
步骤(2)中，水的添加量保证步骤(3)得到的流态修复污染土壤的坍落度为100-200mm。
步骤(3)中，按照步骤(2)中确定的修复剂、水的掺量，用卧室搅拌机、手持式搅拌机等设备，得到流态修复污染土壤。
步骤(4)中，流态修复污染土壤分批次回填至埋地排污管道周围的开挖遗留空间。其中每一批次回填厚度不超过20cm。
步骤(5)中，所述的盲管为梅花形布置，间距20-30cm，盲管直径为2-3cm，孔隙率为20-30％。
步骤(6)中，通入二氧化碳的时间为15-30分钟，注入二氧化碳的压力为1.2-1.8个大气压力。
步骤(7)中，待二氧化碳注射结束后，将水硬性灌注材料填充入注射二氧化碳的盲管中，以此来提高土体的力学性能。所述的水硬性灌注材料为水泥、石灰、钢渣或者膨润土中的任意一种或几种与水的混合物，固液质量比优选为1:1。然后将高出回填修复土壤的注气盲管截断。需保证遗留注气盲管顶端在回填碳化流动污染土壤顶面的2cm以下。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优势：
(1)本发明公开方法通过将埋地排污管道周围污染土壤原地修复，克服了污染土壤外运产生的运输费用，避免了污染土壤运输途中存在的潜在环境风险。
(2)本发明公开方法将污染土壤修复后进行回填，将修复污染土壤实现安全再利用，减少了砂石等传统填料的利用量。
(3)本发明公开方法中有效填充管道在产企业厂房角落、生产车间设备底座周围的异形区域，避免了机械压实带来的施工扰动对生产活动的影响。
(4)本发明公开方法通过碳化技术，有效增加土壤重金属污染物的固定效率、土壤有机污染物的去除效率；同时，显著降低土壤修复周期，修复时间减少至0.5-1小时。
(5)本发明公开方法能够实现土壤固碳，能够显著降低大气中二氧化碳的浓度，具有显著的环境效益。
附图说明
图1是本发明排污管道结构与周围土壤污染状况俯视图。
图2是本发明排污管道结构与周围土壤污染状况侧视图(图1的A-A’截面)。
图3是本发明排污管道周围土壤污染和修复开挖情况示意俯视图。
图4是本发明排污管道周围土壤污染和修复开挖情况示意侧视图(图3的A-A’截面)。
图5是本发明排污管道周围土壤污染开挖后产生的孔洞俯视图。
图6是本发明排污管道周围土壤污染开挖后产生的孔洞侧视图(图5的A-A’截面)。
图7是本发明排污管道周围开挖孔洞内回填流态固化土壤及快速碳化装置连接俯视图。
图8是本发明排污管道周围开挖孔洞内回填流态固化土壤及快速碳化装置连接侧视图(图7的A-A’截面)。
图9是本发明二氧化碳注入盲管梅花形注入布局示意图。
图10是本发明二氧化碳注入盲管沿盲孔轴心的剖面图。
图11是本发明二氧化碳注入盲管示意图。
图12是本发明临近排污管道最近一排二氧化碳注入盲管示意图。
图13是本发明埋地管道周围污染土壤修复后侧视图。
其中，埋地排污管道101、埋地排污管道破损处102、管道破损引起的土壤污染边界103、污染土壤104、未污染土壤105、未污染且不需要开挖的土壤106、污染且需要开挖的土壤107、未污染且需要开挖的土壤108、开挖边界109、污染土壤开挖后形成的坑洞110、未污染土壤开挖形成坑洞111、管道支撑201、回填流态固化土壤301、二氧化碳注入盲管401、二氧化碳注入盲管连接管402、调压阀门403、开关404、二氧化碳注入盲管与连接管的连接扣件405、盲孔4011、网布4012、注入水硬性灌注材料的二氧化碳注入盲管4013、压缩二氧化碳气体501、压缩二氧化碳容器502、二氧化碳注入盲管位置连线601、回填料701、土工膜702、混凝土结构层703、快速碳化回填流态固化土801。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
实施例1
某电镀企业电镀车间的酸洗废水通过埋地管道引入污水处理池进行处理。其中排污管道由于地层不均匀沉降发生破坏，而对周围土壤造成污染。场地调查及风险评估结果表明，目标污染物为重金属镍，重金属镍全量浓度为4573mg/kg，浸出浓度为0.94mg/L。修复目标为修复后土壤的镍浸出浓度小于0.10mg/L。其中，土壤的镍浸出浓度参照HJ/T299进行。
主要步骤如下：
(1)根据场地调查结果，确定破损管道周围土壤污染状况及污染范围(图1和图2)，采集典型污染土壤样品。
(2)修复剂优化试验。根据击实试验获取的最优含水率(18.3％)，调整污染土壤的含水率为23.8％(最优含水率的1.3倍)。然后按照修复剂掺量范围3-21％，步长3％，进行修复土样制备。作为优选方案，I型修复剂为石灰和钢渣的混合物，其质量比为1:2。将修复土壤养护28天后，进行浸出浓度测试。试验表明，最优修复剂掺量为15％。
(3)含水率优化试验。修复土壤中水掺量的初始值设置为污染土壤液限(37.5％)，步长为5％。参照ASTM C143/C143M，测试不同水掺量条件下，污染土壤进行坍落度。作为优选，污染土壤的含水率确定为47.5％时，对应的坍落度为173mm。
(4)污染土壤开挖与预处理。根据污染状况调查结果，制定开挖方案(图3和图4)。将污染土壤进行开挖，污染土方量约为17m3，深度为0.9m。在管道周围开挖形成坑洞(图5和图6)，并对破损管道进行修补。将开挖污染土壤通过方孔筛剔除大于10cm的碎石等杂物，用清水冲洗后，作为企业固废进行处置。筛余土壤约为15m3。
(5)流态固化土壤拌合。采用卧式搅拌机，分批次将污染土壤、修复剂和水拌合，得到流动态修复污染土壤。
(6)流态固化土壤回填。分批次将拌合均匀的流态固化土壤回填至管道周围的沟槽(图7和图8)，其中每批次回填厚度为20cm。每批次回填后，用振捣棒轻轻搅动回填的流态固化土壤去除内部的气泡后静置3分钟，进行下一批次回填。
(7)注气管道埋设。将注气管道按照梅花形布置(图9)，间距为25cm，在管道周围适当变化管道间距以适应空间位置，但最大化管道间距不大于30cm。注气盲管(图10，图11和图12)直径为2.5cm，圆形盲孔(4011)直径为3cm，孔隙率约为25％。
(8)注气管道连接。将所有注气管道(402)一端通过螺栓与二氧化碳气瓶连接，另一端通过连接扣件(405)与二氧化碳注入盲管(401)连接，并调节二氧化碳出气压力阀门(403)至1.5个大气压。其中，储存于压缩罐(501)的二氧化碳(502)纯度为99.9％。
(9)二氧化碳气体注入。开启二氧化碳气瓶开关(404)，通气10分钟后关闭气阀。(10)浸出毒性测试。二氧化碳气体注入后，按照3立方米一个样品的采样频率，
立即采集注入气体后的修复土壤样品，进行浸出浓度测试。测试结果表明修复土壤重金属镍浸出浓度为0.007mg/L，满足修复目标。
(11)注气管道移除。注气结束后，将高出回填修复土壤的二氧化碳注入盲管(401)
截断，并用水硬性灌注材料(石灰和钢渣混合物的浆液，其中，石灰和钢渣质量比为1:1，加水使得固液质量比为1:1)灌注。需保证遗留注气盲管顶端在回填碳化流动污染土壤顶面的2cm以下。
(12)强度测试。参照GB 50021，采用轻型动力触探试验，立即测试修复回填土壤的DCPI值，评价修复污染土壤的承载力。测试结果表明，回填土壤的DCPI值为4.3mm/击。
(13)土工膜铺设。回填的固化流态污染土壤表层铺设土工膜(702，图13)。
(14)混凝土结构层铺设。土工膜上层覆土后施作混凝土结构层(703，图13)。
实施例2
某石油化工企业生产车间的地面在设备震动下，使排污管道产生裂缝，造成浅层地基土壤污染。场地调查及风险评估结果表明，目标污染物为石油烃，最大浓度为13508mg/kg。修复目标为修复后土壤的石油烃浓度小于500mg/kg。其中，土壤中的石油烃浓度参照HJ1021进行。
主要步骤如下：
(1)根据场地调查结果，确定破损管道周围土壤污染状况及污染范围(图1和图2)，采集典型污染土壤样品。
(2)修复剂优化试验。根据击实试验获取的最优含水率(15.7％)，调整污染土壤的含水率为20.4％(最优含水率的1.3倍)。然后按照修复剂掺量范围3-21％，步长3％，进行修复土样制备。作为优选方案，修复剂为I型修复剂和过硫酸钠的混合物。其中，I型修复剂中选用石灰、钢渣的质量比为1:2，I型修复剂与过硫酸钠的质量比为3:1。将修复土壤养护28天后，进行浸出浓度测试。
试验表明，最优修复剂掺量为10％。
(3)含水率优化试验。修复土壤中水掺量的初始值设置为污染土壤液限(35.3％)，步长为5％。参照ASTM C143/C143M，测试不同水掺量条件下，污染土壤进行坍落度。作为优选，污染土壤的含水率确定为45.3％时，对应的坍落度为189mm。
(4)污染土壤开挖与预处理。根据污染状况调查结果，制定开挖方案(图3和图4)。将污染土壤进行开挖，污染土方量约为25m3，深度为0.6m。在管道周围开挖形成坑洞(图5和图6)，并对破损管道进行修补。将开挖污染土壤通过方孔筛剔除大于10cm的碎石等杂物，用清水冲洗后，作为企业固废进行处置。筛余土壤约为24m3。
(5)流态固化土壤拌合。采用卧室搅拌机，分批次将污染土壤、修复剂和水拌合，得到流动态修复污染土壤。
(6)流态固化土壤回填。分批次将拌合均匀的流态固化土壤回填至管道周围的沟槽(图7和图8)，其中每批次回填厚度为15cm。每批次回填后，用振捣棒轻轻搅动回填的流态固化土壤去除内部的气泡后静置5分钟，进行下一批次回填。
(7)注气管道埋设。将PVC材质的注气管道按照梅花形布置(图9)，间距为20cm，在管道周围适当变化管道间距以适应空间位置，但最大化管道间距不大于30cm。注气盲管(图10，图11和图12)直径为2.5cm，圆形盲孔(4011)
直径为3cm，孔隙率约为25％。
(8)注气管道连接。将所有注气管道(402)一端通过螺栓与二氧化碳气瓶连接，另一端通过连接扣件(405)与二氧化碳注入盲管(401)连接，并调节二氧化碳出气压力阀门(403)至1.5个大气压。其中，储存于压缩罐(501)的二氧化碳(502)纯度为99.9％。
(9)二氧化碳气体注入。开启二氧化碳气瓶开关，通气10分钟后关闭气阀。
(10)污染物全量测试。采集注入气体后的修复土壤样品，进行石油烃全量测试。测试结果表明修复土壤石油烃浓度为53mg/kg，满足修复目标。
(11)注气管道移除。注气结束后，将高出回填修复土壤的二氧化碳注入盲管(401)截断，并用水硬性灌注材料(水泥和钢渣混合物的浆液，其中，石灰和钢渣质量比为1:1，加水使得固液质量比为1:1)灌注。需保证遗留注气盲管顶端在回填碳化流动污染土壤顶面的2cm以下。
(12)强度测试。参照GB 50021，采用轻型动力触探试验，测试修复回填土壤的DCPI值，评价修复污染土壤的承载力。测试结果表明，回填土壤的DCPI值为8.2mm/击。
(13)土工膜铺设。回填的固化流态污染土壤表层铺设土工膜(702，图13)。
(14)混凝土结构层铺设。土工膜上层覆土后施作混凝土结构层(703，图13)。
本发明提供了一种埋地排污管道周围污染土壤原地修复方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种埋地排污管道周围污染土壤原地修复方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将埋地排污管道周围的污染土壤进行开挖，并筛除大于10cm的建筑垃圾或者碎石杂物；
(2)确定向开挖污染土壤中添加的修复剂、水的比例；
(3)采用拌合设备将步骤(2)确定的修复剂、水与步骤(1)处理后的污染土壤进行充分搅拌，得到流态修复污染土壤；
(4)将步骤(3)得到的流态修复污染土壤回填至步骤(1)开挖后的埋地排污管道周围；
(5)在回填流态修复污染土壤中***注射二氧化碳的盲管；
(6)向盲管中通入二氧化碳；
(7)二氧化碳注射结束后，将水硬性灌注材料填入注射二氧化碳的盲管中，并将高出回填流态修复污染土壤的盲管截断；
(8)在经过快速碳化的回填固化流态修复污染土壤表层铺设土工膜；
(9)土工膜上层覆土后施作道路或者混凝土结构层；
其中，所述的埋地排污管道位于产企业厂房角落、生产车间设备底座周围的异形区域；
其中，所述的污染土壤为被污染物污染的土壤，所述的污染物为重金属污染物、有机物污染物或者重金属与有机物复合的污染物；
其中，所述的重金属为铅、锌、镍、镉、铜中的任意一种或几种的组合，重金属污染物浓度范围为4000-10000mg/kg；所述的有机物为石油烃、氯代烃、苯系物中的任意一种或几种的组合，有机物污染物浓度范围为10000-15000mg/kg；所述重金属与有机物复合的污染物至少包含铅、锌、镍、镉、铜中的一种，以及石油烃、氯代烃、苯系物中的一种，且重金属污染物和有机物污染物的浓度范围分别为4000-10000mg/kg和10000-15000mg/kg；
其中，步骤(2)中，所述修复剂分为I型修复剂和II型修复剂，所述的I型修复剂为水泥、石灰、钢渣、矿渣中的任意一种或者几种的组合，I型修复剂掺量为污染土壤干重的1-25％；所述的II型修复剂为I型修复剂和过硫酸钠的混合物，I型修复剂和过硫酸钠的混合物其质量比为6:1-1:3，I型修复剂和过硫酸钠的总掺量为污染土壤干重的1-25％；
其中，当污染物为重金属时，则所述的修复剂为I型修复剂；当污染物为有机物时，则所述的修复剂为II型修复剂；当污染物为重金属和有机物的组合物时，则所述的修复剂为II型修复剂；
其中，步骤(6)中，所述的通入二氧化碳，其二氧化碳纯度为95％以上；
其中，所述的原地修复方法，其修复时间为0.5-1小时。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，水的添加量保证步骤(3)得到的流态修复污染土壤的坍落度为100-200mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)中，所述的盲管为梅花形布置，间距20-30cm，盲管直径为2-3cm，孔隙率为20-30％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6)中，通入二氧化碳的时间为15-30分钟，注入二氧化碳的压力为1.2-1.8个大气压力。
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