岩土施工技术应用于污染场地修复中的问题及研究

宋刚练

（1. 上海市地矿工程勘察院，上海 200072；2. 上海市地矿建设有限责任公司，上海 200436）

近年来，随着我国工农业生产和经济建设的迅猛发展，产生了大量的污染场地，对社会、经济发展和生态环境有着无法估量的影响。因此，污染土壤及地下水修复技术的研究备受关注。目前，污染场地的修复可分为异位修复和原位修复两种[1]。其中，原位修复是在污染场地上直接进行处理，与异位修复比较，具有施工简单、成本较低、对周边环境扰动小等优点，受到了广泛的应用[2-3]。

在原位修复技术应用中，药剂注入的效率及注入后药剂与污染土壤的混合程度是影响原位修复工期和效果的重要因素。传统的施工方法不能很好地将溶剂注入污染场地的准确位置，特别是对深度较深，面积较大的污染场地修复，修复周期长、投资大，修复效率低。岩土施工技术（深层搅拌[4]、高压旋喷[5]）应用于污染场地原位化学修复中，能够实现污染土壤和修复药剂的快速、高效、均匀混合（特别是深层污染土壤），并保证了污染土壤中污染物的高效去除。唐小龙等探究了直压注射法、注射井法、高压—旋喷注射法等药剂投加与分散技术的适用性，控制参数及优缺点等，其中高压—旋喷法在工程实践中表现出了良好的修复效果[6]。邵乐等将原位还原稳定化—高压旋喷注射修复技术成功应用于某铬盐厂中试，修复效果明显[7]，适应于类似污染场地的土壤修复项目，但修复后土体强度受到破坏，严重制约了该技术的推广和应用。高骏采用高压旋喷注浆法和深层搅拌法对南京燕子矶老工业区有机物污染土壤进行了修复，效果好、工期短、投资低[8]，值得应用推广，但修复后场地承载力不足的问题没能得到解决。

基于以上背景，本研究针对岩土施工技术在污染场地修复中存在的问题进行了深入的分析和探究，通过在修复药剂中投加适量的固化剂，克服岩土施工设备对污染场地修复后地基承载力不足的缺点。从而提升岩土施工技术在上海地区低渗透性土层的污染场地中的应用前景，也为上海地区原位修复工程的实施提供技术和经验借鉴。

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试土壤样品取自上海市某有机污染场地，该污染场地主要以苯、氯苯、1,4-二氯苯等芳香烃污染为主。采集深度为50～100cm，采集的土壤样品除去其中的石子等建筑垃圾后密封带回实验室以备使用。

实验药剂：选用国内市场常用氧化剂过硫酸钠（Na2S2O8，AR），蒸馏水自制。固化剂为普通的硅酸盐水泥（P.O42.5）。

1.2 实验方案

高压旋喷和深层搅拌设备在污染场地进行原位注入修复药剂时，通过形成高压喷射流冲击破坏土层或利用搅拌钻头的强制搅拌作用实现修复药剂与污染土壤的充分混合，与此同时土体的原始结构受到了严重的破坏，并且修复药剂是以一定比例的溶液注入，使得污染场地在达到修复目标的同时，修复后的土体呈浆糊状承载力极低，导致后续的施工机械无法进入，对于场地的再开发利用带来了极大的困难。因此，本节中通过在修复药剂中添加一定比例的固化剂（水泥），保证在对污染土壤进行修复的同时，提高修复后土体的承载力，满足后期施工的需求，并探究了固化剂（水泥）对污染场地修复效果的影响。

分别称取200g污染土样，投加不同比例的过硫酸钠及水泥，待搅拌均匀后，养护一周送样对污染土壤中有机污染物的浓度进行检测。方案一为按照1%比例添加过硫酸钠的土样，共设2个分组；方案二为按照3%比例添加过硫酸钠的土样，共设5个分组；方案三为按照5%比例添加过硫酸钠的土样，共设2个分组；方案四为按照7%比例添加过硫酸钠的土样，共设2个分组，方案五为按照9%比例添加过硫酸钠的土样，共设2个分组。具体样品分组见表1。

表1 固化剂对过硫酸钠氧化效果影响参数设置Table 1 Effect of curing agent on the oxidation effect of sodium persulfate

2 结果与讨论

2.1 固化剂（水泥）对过硫酸钠氧化性能的影响

本节通过小试实验研究了固化剂（水泥）的投加对修复药剂修复效果的影响，其中不同投加量的过硫酸钠对氯苯降解率的具体变化如图1所示。

从图1中可以看出，随着氧化剂过硫酸钠的浓度不断增加，其对污染土壤中氯苯的降解率也不断地增加，当过硫酸钠的投加量在7%左右时，氧化剂对氯苯的降解率能够达到90%以上。并且随着氧化剂投加量的继续增加，氯苯的降解率没有明显的变化，因此在考虑成本的情况下，7%的氧化剂投加量比较合适。

并且从图1中还可以看出，在氧化剂投加量相同时，投加固化剂（水泥）的氧化剂对氯苯的降解率曲线始终高于单一氧化剂对氯苯的降解率曲线，说明固化剂（水泥）的加入，在一定程度上促进了氧化剂对氯苯的降解，原因可能是由于固化剂（水泥）偏碱性，过硫酸钠最佳的反应环境为弱碱性，而在过硫酸钠氧化有机物的过程中会产生H+，使溶液的pH值变小，固化剂（水泥）的加入适当地弥补了过硫酸钠的分解使溶液pH的下降，有利于过硫酸钠发挥更有效的氧化作用。同时固化剂（水泥）在与氧化药剂混合的过程中，能够放出一部分热量，相当于在氧化剂降解氯苯的过程中起到了热激活的作用，从而也能提高过硫酸钠对氯苯的降解效果。

图1 不同氧化剂投加量对氯苯降解率的影响Fig.1 Effect of different oxidant dosages on the degradation rate of chlorobenzene

从图2中可以看出，随着氧化剂过硫酸钠的浓度不断增加，其对污染土壤中氯苯的降解率也不断地增加。并且从图2中还可以看出，在氧化剂投加量相同时，投加固化剂（水泥）的氧化剂对1,4-二氯苯的降解率曲线始终高于单一氧化剂对1,4-二氯苯的降解率曲线，说明固化剂（水泥）的加入，在一定程度上促进了氧化剂对1,4-二氯苯的降解。原因可能为P.O42.5型硅酸盐水泥偏碱性，一定程度上可以作为过硫酸钠的碱激活剂，在其作用下过硫酸钠活化分解成具有强氧化性的硫酸根自由基（SO42-）。该硫酸根自由基氧化还原电位（E）可达到+2.6V，远超过硫酸钠在没有活化剂参与情况下的2.1V氧化还原电位，故对1,4-二氯苯等有机污染的降解效果更明显。

图2 不同氧化剂投加量对1,4-二氯苯降解率的影响Fig.2 Effect of different oxidant dosages on the degradation rate of 1,4-dichlorobenzene

2.2 不同投加量的氧化剂对污染物氧化效果的评估

本节通过小试实验研究了不同投加量的氧化剂对苯降解率的影响。从图3可以看出，随着氧化剂过硫酸钠的浓度不断增加，其对污染土壤中苯的降解率也不断地增加。并且，在氧化剂投加量相同时，投加固化剂（水泥）的氧化剂对苯的降解率曲线始终高于单一氧化剂对苯的降解率曲线，说明固化剂（水泥）的加入，在一定程度上促进了氧化剂对苯的降解。同时，本污染场地中对苯的修复目标值为0.9mg/kg，图3也显示，单一的过硫酸钠和添加水泥的过硫酸钠对苯的降解效果均达到了修复目标值的要求。

2.3 不同投加量的固化剂（水泥）对污染物氧化效果的影响

从图4中可以看出，随着过硫酸钠中水泥添加比例的逐渐上升，污染土壤中氯苯、1,4-二氯苯等有机污染物浓度也在不断下降，其趋势主要分3个区间段：先快速下降、再缓慢下降、最后趋于平缓。其中上述污染物浓度在0～3%水泥区间段的下降趋势异常显著，在3%～6%水泥区间段的下降趋势较为适中，而最后在6%～13%水泥区间段的下降趋势则慢慢趋于平缓，说明当固化剂浓度高于6%时，其对污染物的去除效果影响不大。

图3 不同比例氧化剂投加量对苯降解率的影响Fig.3 Effect of different proportions of oxidant dosage on the degradation of benzene

图4 不同比例水泥对污染物降解效果的影响Fig.4 Effect of different proportions of cement on the degradation of pollutants

通过参照袁宝 等对水泥土无侧限抗压强度试验的研究[9]可以看出，随水泥掺量增大，水泥土无侧限抗压强度增大，水泥掺量由2%增大到10%，水泥土无侧限抗压强度值由676kPa 增大到1514kPa。这主要是由于随水泥掺量增加，水泥水化作用和火山灰反应产物对土体的填充和挤密作用加强，从而提高了水泥土的无侧限抗压强度。本研究中水泥掺量为6%，水泥土无侧限抗压强度能达到1000kPa左右，满足修复后场地再开发利用中对地基承载力的要求。因此，在工程应用中固化剂水泥的添加比例应控制在6%左右。

3 总结

本文在综合之前研究成果的基础上，开展了高压旋喷和深层搅拌设备在污染场地修复中应用的研究，通过对实验结果进行分析可得出以下结论：

（1）通过开展小试实验研究得出，加入的固化剂（水泥）能够作为氧化药剂过硫酸钠的碱激活剂和热活化剂，进而提高过硫酸钠对污染土壤中有机物的氧化性能。

（2）岩土施工设备应用于污染场地原位修复中，能够实现修复药剂与污染物的快速、高效混合，通过小试试验结果可以看出，添加6%固化剂的过硫酸钠对污染土壤中有机物的去除效果均满足场地修复目标值的要求。

（3）为了提高修复后土体的承载力，本研究中水泥掺量为6%，水泥土无侧限抗压强度能达到1000kPa左右，满足修复后场地再开发利用中对地基承载力的要求。

（4）本文提出了岩土施工技术应用于污染场地原位修复中修复后场地承载力不足的问题及相应的解决对策和建议，为岩土施工技术在全国污染场地修复工程中的大力推广提供了可靠的保证。