某化工厂铬渣堆原址土壤原位修复中试研究
Pilot-scale Study on In-situ Remediation of Soil at the Original Site of Chromium Residue Stockpile of a Chemical Plant
梁广秋 上海洁壤环保科技有限公司
Liang Guangqiu Shanghai Jierang Environmental Protection Technology Co., Ltd.
摘要：针对铬盐企业遗留场地六价铬污染分布广、原位修复药剂扩散参数难以精准确定的工程痛点，以某化工厂铬渣堆原址粉质黏土地层为研究对象，采用两阶段原位直推压密注药中试试验，优化施工工艺参数并验证多硫化钙还原修复效果。第一阶段通过显色剂示踪法开展单孔注药扩散试验，确定最优工艺参数；第二阶段采用最优参数开展区域修复验证，分析养护时间与修复效果的关联。结果表明：该场地浅层粉质黏土中压密注药最优参数为注药压力 4.5 MPa、单层注药时间 2 min、有效影响半径 0.6 m（推荐孔间距 1.0 m）、药剂为 8% 浓度多硫化钙、单层注药量 0.125 m³；采用该参数注药后，养护 8 天土壤六价铬点位达标率为 50%，整体去除效果优于同类工艺单轮注药水平，土质偏黏区域修复效果受土壤异质性影响显著。研究证实原位直推压密注药工艺适用于该类铬污染场地，经多轮补注可实现修复目标，可为同类粉质黏土地层六价铬污染原位修复提供工程参数参考。
关键词：压密注药、中试研究、影响半径、工艺参数
Abstract：Aiming at the engineering challenges of widely distributed hexavalent chromium pollution at legacy chromium salt sites and difficulties in accurately determining the diffusion parameters of in-situ remediation agents, this study takes silty clay strata at the original chromium slag pile of a chemical plant as the research object. A two-stage field pilot test of in-situ direct-push compaction grouting was carried out to optimize construction parameters and verify the remediation performance of calcium polysulfide reduction. In the first stage, single-hole grouting diffusion tests were conducted via a color tracer method to obtain the optimal construction parameters. In the second stage, regional remediation verification was performed using the optimized parameters to analyze the correlation between curing time and remediation efficiency. The results show that the optimal compaction grouting parameters for shallow silty clay at the site are as follows: grouting pressure of 4.5 MPa, single-layer grouting duration of 2 min, effective influence radius of 0.6 m (recommended hole spacing of 1.0 m), 8% calcium polysulfide solution as remediation agent, and single-layer grouting volume of 0.125 m³. After grouting with the above parameters, the compliance rate of soil hexavalent chromium sampling points reaches 50% after 8 days of curing, and the overall removal efficiency outperforms single-round grouting of similar technologies. The remediation effect in clay-rich areas is significantly affected by soil heterogeneity. This study verifies that the in-situ direct-push compaction grouting technology is applicable to such chromium-contaminated sites, and multiple supplementary grouting rounds can achieve remediation targets. It can provide technical parameter references for the in-situ remediation of hexavalent chromium pollution in similar silty clay strata.
Keywords: compaction grouting; pilot test; influence radius; construction parameters
0 引言
六价铬迁移性强，铬盐厂几乎整个厂区表层均有六价铬严重污染，重污染集中在浸取车间、酸化结晶车间、铬渣堆场等六价铬生产区；从污染垂向分布分析，六价铬迁移过程中会被土壤中有机质等还原性物质还原成三价铬，粉粘土比砂砾石对六价铬的吸附更强；地下水污染分布情况：污染程度高，集中在铬渣堆场、浸取车间和红矾车间，铬渣堆场浓度达数百mg/L。以长沙铬盐厂为例，铬盐厂地块污染分布广（基本全场），深度大（>10m），土方量大（上百万方），污染浓度高（总量数千mg/kg，浸出值上百mg/L）。
化学还原法是六价铬污染土壤的主流修复技术，通过向土壤中添加还原剂（工程上常用FeSO4/CaSx），通过还原作用，使土壤中的Cr（VI）转化为Cr（Ⅲ）。原位压密注药可借助高压推动药剂在土壤孔隙中扩散，适配粉质黏土等低渗透性地层，但药剂影响半径、注药压力等关键参数受场地条件影响显著，无法直接照搬经验，需通过现场中试确定。
本研究以某化工厂铬渣堆原址粉质黏土地层为对象，开展两阶段原位压密注药中试：第一阶段通过显色剂示踪明确单孔注药的有效影响半径与最优施工参数；第二阶段基于优化参数开展区域修复验证，分析养护时间对修复效果的影响，验证工艺可行性，以指导后续修复工程的工艺参数设计和施工[1]。
1 试验思路及设计
1.1试验原理与目的
运用直推方式使钻头到达指定修复深度后，药剂在高压作用下冲开地下阻力，沿土壤间隙有效扩散，与地下污染物反应，从而实现污染土壤修复。
有效影响半径的判定标准：显色剂均匀分布、且药剂浓度可满足六价铬还原反应需求的最大扩散距离。
本试验确定的压密注药修复施工参数，包括注药压力、注药量、有效作用范围、修复效果等。
1.2地块工程地质条件
场地及周边属冲积平原地貌，高程73～75m，坡降3‰，地形西北向东南倾斜，北高南低。场地地表岩性为粉质粘土。
地块所属区域的浅层地下水为第四系松散岩类孔隙水，含水层岩性以粉砂、细砂为主。
1.3试验设计路线
试验分为两个阶段进行：一阶段为施工参数试验，通过现场施工，完成后取样验证，获取最佳施工参数；采用最佳施工参数进行二阶段修复效果试验，注药完成后养护3~5天，取样送检分析获取最佳修复参数。
（1）第一阶段试验设计
设计注药压力5MPa，理论流量37.5L/min。试验点位：Y1、Y2，其中点位布置图如下：
图 1-1 影响半径试验点位设计图
试验深度与位置：地表以下1~3m，垂直方向每提升0.5m注药一次，注药位置4个，由下至上为：埋深2.8m、埋深2.3m、埋深1.8m、埋深1.3m。
注药量及时间：假定单点注药影响半径为1.5m，按有效孔隙度0.32计，则每个注药点位可注入最大液体药剂量4.52m³；按污染需求药剂量计算：试验区内六价铬最大污染浓度22.10mg/kg，土壤容重按1.8kg/m³；由于原位修复反应条件较差，按5倍理论值保守计算，设计药剂稀释至浓度8%，每个注药点位药剂量0.122m³。综上，考虑工程可操作性，本阶段设计每个注药点位药剂量为0.125m³，每个注药点位药剂量0.5m³。按流量37.5L/min计，单个注药点位注药时间为13.3min。两个点位总药剂量为1m³。
显色试剂：为了更好的反映注药有效影响直径，第一阶段试验设计采用食品级果绿色素（叶绿素铜酸盐）确定有效作用直径。叶绿素铜酸盐易溶于水和乙醇溶液，水溶液为透明的翠绿，随浓度增加而加深，耐光、耐热，稳定性较好。总药剂量1m³，设计质量浓度为0.5%，因此需要果绿色素共5kg。
（2）第二阶段试验设计
该阶段的试验以小试试验结果为依据，结合第一阶段的施工参数试验情况，验证不同药剂投加量对该地块污染的原位修复效果，确定最佳药剂投加量，为整个地块后续的原位修复工程提供可靠数据支撑。
1）中试药剂：本次中试选用药剂为多硫化钙（液体29%），稀释至8%。
2）注药点位数量：根据第一阶段确定的影响范围，本次试验区域共计200m³，确定注药点位40个。
3）药剂量：设计至少2个水平的药剂添加质量比，根据第一阶段试验结果重新计算药剂量，暂估20m³。
4）检测点位：12个，送检深度为1m，2m，3m共36个样品，在修复前后分别送检，检测项目为六价铬。
1.4试验准备
1.4.1人材机准备
试验过程包括场地平整、设备安装调试、药剂配置、压密施工、土壤取样等工序，各工序所需劳动力数量和工种各不相同。本中试项目拟投入管理人员1人，作业人员3人。
根据修复工程施工要求，中试项目拟配置Geoprobe钻机、注药泵、吊机等工程机械、设备。
1.4.2场地准备
确认现场有接水、接电条件：满足试验所需设备总功率约4kW；一阶段药剂用水量1m³，二阶段药剂用水量暂估20m³。
现场临时道路需满足大型机械进出及转运，部分临时道路做适当平整工作，以方便设备运输车辆进出。
1.4.3药剂准备
现场定量配制注入药剂。下钻至指定深度后，根据设计将一定量的药剂加入药剂搅拌设备中，搅拌设备为2T的聚乙烯药剂桶，配备有电动搅拌机，电机功率为1.5KW，加入水至2T刻度线，开启搅拌机，设定转速为30r/min，搅拌20分钟。待药剂调配完毕后，关闭搅拌机，将注药泵取泥管连接至搅拌桶。采用边提升边注射的方式将药剂由下往上注入污染土壤中。
2 项目实施
2.1施工要点
注药管下沉：下管与钻孔两道工序合二为一，钻孔完毕，下管作业即完成。在下管过程中，为防止泥沙堵塞喷嘴，可采取包扎塑料膜或胶布的防护措施。注药钢管用直推钻机推进时应注意，钻杆垂直向下，不得锤击（外购注药钢管为无缝钢管，未热处理，锤击力大易损耗），应当放下铲板抵住地面直接按压，发现角度不对时不得强力扳正，否则会弯曲乃至折断。
清洗器具：灌药完毕后应及时将各管路冲洗干净，管内、机内不得残存药剂，以防堵塞。通常把药剂换成水，在地面上喷射，以便把注药泵喷射管内的药剂全部排出，直至出现清水为止。
注药设备性能要求：①耐腐蚀：主泵采用特殊材料，缸体及活塞可适应多种强腐蚀性药剂；②机动性强：使用液压驱动防腐注药泵，并将其安装在主机液压系统，摒弃外接的柴油发电机及单独液压站、注药泵等，通过性强，机动灵活；③防倒灌：通过特制的注药钻具实现单向注药，可有效防止涌砂层细砂进入钻杆从而导致的注药失败情况；④压力稳定：通过液压马达带动曲轴旋转，从而带动三个陶瓷缸体内部活塞往复运动，达到加压注入的目的，该种方式流量压力稳定，注药效果好。
2.2第一阶段试验
移动钻机至确定孔位，在确定喷嘴完好的前提下，通过直推钻机将注药钻头推进至设计深度，开启高压注药泵，工作压力设计5MPa。注药方式为边注药边提升，当单点压密注药提升到设计深度后，每层注入125L显色药剂，每层注药结束以无明显返浆现象为准。
本试验验证影响范围采用不扰动直推采样方式取固定方向上一定距离的岩芯样，现在进行目测判断，以满管分布显色药剂为有效影响范围验证依据。
验证采样工作按0.2m间隔依次采样，每次采样后立刻剖管观测岩芯情况，以未出现满管作为不再扩大采样范围的标准。
根据第一阶段试验成果，调整第二阶段中试技术参数。现场调整注药孔间距为100cm，注入药剂为浓度稀释至8%（土壤中六价铬质量比）的多硫化钙溶液。
C区62个注药点，现场注药施工按第一阶段调整后参数实施。
采集了养护两个阶段后的土壤样品，C区分别在注药施工结束后的第4天和第8天采集了两次土样。
C区养护两个阶段均采集6个土样，修复深度1-3m采集1个混合样送实验室检测，共计送检12个土壤样品。
图 2-2 养护阶段采样点位布设图（C区）
3.1第一阶段试验分析
本次中试第一阶段试验严格按照设计要求进行试验，设计定量注药压力为5MPa，现场试验记录数据见下表。
表 3-1 单点压密注药设备运行参数记录表
试验深度（m） | 注药 压力（MPa） | 单层注 药量 (L) | 注药耗时 (min) | 流量 (L/min) | 稳定 压力（MPa） | 最大观测半径（m） | 有效半径（m） |
-2.8 | 5 | 125 | 1.82 | 69 | 4.6 | 0.9 | 0.6 |
-2.5 | 1.71 | 73 | 4.5 | 0.8 | 0.6 | ||
-1.8 | 1.67 | 75 | 4.5 | 0.8 | 0.6 | ||
-1.3 | 1.51 | 83 | 4.4 | 0.9 | 0.6 |
现场试验观测结果显示，显色药剂最大观测半径约为0.9m，但现场观测0.8m及0.9m采样管，均未出现满管显色药剂，不可作为有效影响半径。
现场不同试验深度在东、北方向0.5m处采样管出现满管，西、南方向0.6m处采样管出现满管，综合分析明确本地块单点注药有效影响半径为0.6m，注药点间距宜为1.0m。
药剂量分析：
中试方案设计阶段预估单点注药有效影响半径为1.5m，综合小试阶段确定有效修复药剂量，计算单点需注入0.5m³ 8%浓度多硫化钙药剂。
方案预估单点有效修复体积为14.13m³，经第一阶段试验确定单点有效修复体积为2.26m³，按有效孔隙度0.32计，每个注药点可注入最大液体药剂量0.73m³，预估修复体积为实测值6.25倍。
现场试验阶段，地块上层注药点返浆现象较为严重，依托第一阶段试验参数，同时考虑中试效果的可达性，设计不调整单点注入药剂总量0.5m³（单层0.125m³），修复药剂仍保持设计浓度8%。
经现场试验分析，最终确定的试验参数如下：注药压力：4.5MPa；单层注药时间：2 min；有效影响半径：0.6 m（孔间距1.0 m）；药剂浓度：8%多硫化钙；单层药剂量：0.125m³。
第二阶段试验前采集6个土壤对照点（C区各6个），C区每个对照点采集1个混合土壤样（YC01-1~YC01-6）。两个中试区域养护不同时间采样，主要是为了验证养护时间与注药修复效果的关联性。
注药养护完成后，在有效影响范围内，针对修复薄弱区随机选取土壤采样点，养护后土壤采样不分层，均采集混合土壤样品送检。C区在养护4天和8天分别采集6个土壤点（编号YC02-1~YC02-6及YC03-1~YC03-6）。
表 3-2 C区养护后土样检测结果统计表（1-3m）
采样位置 | 注药前（六价铬） | 采样位置 | 养护4天（六价铬） | 养护4天（总铬） | 采样位置 | 养护8天（六价铬） | 养护8天（总铬） |
YC01-1-2 | 25.4 | YC02-1-2 | 12.8 | 277 | YC03-1-2 | 1.3 | 78.6 |
YC01-2-2 | 33.4 | YC02-2-2 | 50.8 | 844 | YC03-2-2 | 17.6 | 114 |
YC01-3-2 | 12.9 | YC02-3-2 | 21.9 | 234 | YC03-3-2 | 8.1 | 83.4 |
YC01-4-2 | 11.6 | YC02-4-2 | 5.5 | 119 | YC03-4-2 | 4.6 | 123 |
YC01-5-2 | 21.7 | YC02-5-2 | 1.3 | 81.1 | YC03-5-2 | 2.1 | 225 |
YC01-6-2 | 10.1 | YC02-6-2 | 5.6 | 85.5 | YC03-6-2 | 8.5 | 118 |
图 3-1 C区注药修复效果分析图（六价铬）
由上图可知，各中试区域经注药后六价铬浓度整体有所下降，但YC02-2-2数据超过对照点，分析可能是由于土壤的不均质性，导致YC02-2-2区域原背景值超过对照点。
C区养护4天及8天均有3个样品达标，其中YC03-6-2养护8天较养护4天，数据有明显上升，超目标值，一段时间后出现“返黄”，初步分析是还原过程中六价铬反应不彻底，碱消解难以彻底溶出六价铬，还原过程药剂投加过量对六价铬检测结果有干扰。
C区中试合格率为50%。按第一阶段确定的工艺参数基本可靠，对于土质偏粘区域需加密注药，减小注药点间距。C区中试结果满足预期目标，比一般同类型项目一轮注药效果更好，证明采用原位压密注药工艺修复污染地块技术可行，通过多轮注药可保证地块修复达标。
4 结论与建议
（1）工艺参数结论：明确了该场地 1~3 m 浅层污染土壤原位压密注药的最优施工参数。针对粉质黏土地层，直推压密注药的推荐参数为：注药压力 4.5 MPa，单层注药时间 2 min，单孔有效影响半径 0.6 m（注药点孔间距宜取 1.0 m）；修复药剂采用质量浓度 8% 的多硫化钙溶液，单层注药量 0.125 m³（单孔 4 个注药层合计 0.5 m³）。
（2）修复效果结论：单轮注药可有效降低土壤六价铬浓度，工艺整体具备可行性。试验区注药后六价铬浓度整体呈下降趋势，养护 8 天点位达标率可达 50%，修复效果优于同类型场地单轮注药的普遍水平；养护时间延长可显著提升六价铬还原程度，但局部点位存在 “返黄” 现象，主要受土壤非均质性、药剂分布不均及过量还原剂对检测结果的干扰共同影响。
（3）适用边界结论：原位压密注药工艺在粉质黏土地层可实现药剂有效扩散，但修复效果受土壤黏粒含量影响显著。土质偏黏区域药剂扩散半径缩小，易出现修复盲区，需通过加密注药点、多轮补注保障修复效果；单轮注药难以实现全域达标，长期多轮次注药是消除土壤异质性影响的必要手段。
4.2建议
（1）施工工艺优化：全场修复施工阶段，针对注药孔口普遍存在的返浆现象，可采用孔口封堵措施降低返浆量，减少药剂无效损耗；优先选择地下水位较低的时段（雨季前或旱季）开展注药作业，降低高水位对药剂扩散的稀释与阻碍作用。
（2）差异化处置策略：对于局部强黏性土层，经多轮注药仍无法达到修复目标时，不建议持续采用原位注药工艺，可结合异位修复或土壤渗透强化工艺协同处置，避免药剂浪费与工期延误。
（3）检测方法优化：针对过量还原剂对六价铬检测结果的干扰，可建立 “过硫酸钾消解消除过量还原剂 — 甲醇消除剩余氧化剂” 的样品前处理方法，排除药剂残留干扰[2]，提升修复效果检测的准确性。
（4）后续研究方向：可进一步开展长期养护跟踪试验，验证还原后三价铬的长期稳定性与再氧化风险；同时补充不同土层、不同深度的注药参数试验，完善场地全深度修复的工艺参数体系。
参考文献
[1] 黄莹，徐民民，李书鹏，等。还原稳定化法修复六价铬污染土壤的中试研究 [J]. 环境工程学报，2015, 9 (2): 951-958. DOI: 10.12030/j.cjee.20150274.
[2] Hu S Y, Li D, Man Y D, et al. Evaluation of remediation of Cr(VI)-contaminated soils by calcium polysulfide: Long-term stabilization and mechanism studies[J]. Science of the Total Environment, 2021, 790: 148140. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2021.148140.
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