地下水資源是水資源的重要組成部分，我國地下水污染已經非常嚴重[1]，不僅使原本緊張的水資源短缺問題更加嚴重，而且給人居健康、食品安全、飲用水安全、區(qū)域生態(tài)環(huán)境、經濟社會可持續(xù)發(fā)展甚至社會穩(wěn)定構成嚴重威脅與挑戰(zhàn)，地下水修復已成為當前備受公眾和社會關注的環(huán)境問題[2-3]。按照修復方式將地下水污染修復技術主要分為原位和異位修復技術[4]。常見的原位地下水修復技術包括抽出處理、空氣/臭氧噴射、沖洗、滲透性反應屏障、固定、化學氧化和生物修復[5-6]；常用的異位處理技術有兩項抽提技術和抽出處理修復技術[7-8]。異位修復技術需要對地下水進行抽提和回灌，對當地生態(tài)環(huán)境影響較大，故使用比例已逐漸降低[9]。相比而言，原位修復技術具有去除效率高、修復周期短、二次污染易于控制等優(yōu)點[10-13]，近年來取得了較多的成果[14]。藥劑的注入技術是原位修復技術的核心，因此對原位功能材料鉆進注入技術研究就至關重要。地下水原位修復材料投加方式主要有兩種:攪拌和注入/注射。其中攪拌分為淺層攪拌和深層攪拌；原位注入有Geoprobe直壓式高壓注射、注入井、ChemGrout化學注漿[15]、高壓旋噴技術[16-17]等。
1 注入井注入工藝
1.1 注入井注入工藝簡介
注入井法是在地下水監(jiān)測技術上發(fā)展起來的一種高壓壓裂的氧化劑投加方式。采用聚氯乙烯或金屬材料在污染區(qū)域范圍內建立注射井，氧化劑在常壓或高壓下被加入注射井中，在橫向和縱向的擴散作用下逐漸覆蓋整個污染區(qū)域，與污染物接觸反應后達到修復效果[18]。注入井法點位固定，藥劑通常以自由擴散的方式進行橫向以及縱向遷移。采用注入井與循環(huán)井或者抽提井聯用，可以增加修復藥劑在低滲透地區(qū)的遷移距離，以此達到更好的修復效果，注入井與抽提井聯用示意圖見圖1[19]。
圖1 注入井與抽提井聯用示意圖
1.2 注入井注入工藝分析
注入井工藝施工簡單，操作方便，適用于所有的氣態(tài)或者液態(tài)氧化劑，技術成熟，目前應用廣泛。注入井原位注入，需要構建大量注入井，基建費用高，施工周期長，修復完成后，會在修復地塊殘留注入井，影響后續(xù)的開發(fā)利用。注入過程采用自然流動或者低壓注入時，地層條件對注入效果影響較大，如遇粘土層或者地層性質不均一，影響藥劑擴散甚至影響修復完成程度[18]。注入藥劑與污染土壤的混合效果一般，不利于污染物的去除;而采用多次注藥的手段則既增加修復成本，又存在二次污染的危險[20-21]。總體來說，注入井局限性較多，但因為其施工簡單、操作方便、技術要求低，在國內被大量使用。要想克服注入井的多種局限性，可以合理的選擇聯合注入的方式，來提高藥劑擴散能力，以此來提高修復效果。
2 直推式注入工藝
2.1 直推式注入工藝簡介
直接推進鉆探技術(Direct Push Technology， DPT)作為一種新興的場地調查技術，以其快速、精確及節(jié)約資金等優(yōu)點在發(fā)達國家污染場地調查中得到了廣泛的應用[22]，近年來已將直推式鉆探技術應用到污染地下水的修復中。傳統的直推式注入修復技術對地下裂縫的發(fā)展不能控制，而直推式噴射注入技術（DPT Jet Injection ）克服了這一限制。DPT噴射技術是采用高壓噴射的方式，其工藝是首先將頂端帶注射孔的注射桿直接推進至地下指定深度[23]，然后再將修復材料通過高壓泵灌注到注藥管中，再通過鉆頭四周的孔洞進入到地下水中[24]。修復過程中，注射管道隨鉆探機械下鉆過程進入污染土壤，在其長度方向上，根據土壤污染深度分層設置氧化劑擴散孔。氧化劑在注射泵的壓力作用下經擴散孔進入每層污染土壤，在水平方向形成稀薄的氧化劑層，再進行縱向滲透擴散遷移，互相交匯，進而覆蓋整個污染區(qū)域[18]。DPT分層噴射注入示意圖見圖2。
圖2 DPT分層噴射注入示意圖
DPT噴射注入技術，主要使用的是直推式鉆機、高壓泵等設備。目前，國內市場上存在有美國Geoprobe公司研發(fā)的Geoprobe 7822DT、南京貽潤環(huán)境科技有限公司自主研發(fā)的EPROBE 2000土壤污染調查與修復一體機、江蘇蓋亞環(huán)境科技股份有限公司、浙江清陽環(huán)境工程有限公司分別研制了GY -SR600 型和 QY -100L 型具有無原位擾動能力的環(huán)境取樣修復一體機[25]。技術參數見表1[26]。
其中，Geoprobe 7822DT型（見圖3）專門為土壤地下水污染調查領域研發(fā)，該設備結構緊湊，功能多樣。EPROBE 2000型（見圖4）是南京貽潤自主研發(fā)生產的土壤地下水環(huán)境取樣修復一體機，是專門針對土壤修復行業(yè)的高度集成化鉆機，配合土壤采樣、地下水建井、土壤取氣等工具，構成一套完整的土壤與地下水環(huán)境取樣修復智能系統，可實現遠距離無線遙控，行走時可以高、低速切換，三角形行走履帶裝置，場地通過性更強[26]。
圖3 Geoprobe 7822DT型鉆機
圖4 EPROBE 2000型鉆機
國內外所研制的直推式環(huán)境取樣與修復一體式鉆機，在智能化以及方便程度上差距不大，但是國產直推式一體機適用能力較差，并且功能參差不齊，直接導致了國內的修復市場大量被國外鉆機所占有的情況。
2.2 直推式注入工藝分析
DPT噴射注入具有以下優(yōu)點：（1）對地下水平裂隙的發(fā)展具有較強的控制力；（2）與標準直推式注入技術相比，注射時間更短，修復半徑更大；（3）鉆機輕便、推進迅速、靈活方便、對地層干擾小[27]。該鉆進注入技術適用于大部分的非固結地層，包括緊密淤泥、軟粘土、膨脹粘土、粉土及細砂等，對于一般第四系地層取樣深度最大可達30m左右[22]。
然而，直推式注入工藝本身存在一定的局限性，當鉆進深度較大時，鉆桿與孔壁會產生較大的摩擦力，直接導致了推進深度較小的問題。由于國內直推式鉆機性能與國外相比還有不小的差距，國內進行環(huán)境修復多用美國Geoprobe公司研發(fā)的環(huán)境取樣修復一體鉆機，該鉆機性能好、實用性強，但進口價格過高，直接限制了直推式注入技術在我國的發(fā)展。因此，我們需要加大研制力度，發(fā)展適用性強、鉆進深度大、修復半徑大的DPT鉆機，與此同時，綠色、安全也是我們要追求的目標。
3 高壓旋噴工藝
3.1 高壓旋噴工藝簡介
高壓旋噴施工技術是在靜壓注漿的理論與實踐基礎上引入高壓水流技術而發(fā)展起來的新技術，已形成了成熟的注漿劈裂理論[28]。原理是利用射流作用切割摻攪地層，改變原地層的結構和組成，同時灌入水泥漿或復合漿形成凝結體，形成連續(xù)搭接的水泥加固體，借以達到加固地基和防滲的目的[29]。將高壓旋噴技術應用于土壤以及地下水修復，利用鉆機將帶有噴嘴的鉆頭鉆至預定深度，以高壓將修復試劑噴出，土壤在噴射流的沖擊力、離心力和重力等作用下，與藥劑攪拌混合，并起化學反應，從而達到清除或減少污染物的目的[30]。高壓旋噴法基本種類有單管法、雙管法、三管法和多管法。新的旋噴工法包括雙高壓旋噴、超級旋噴以及交叉噴射技術等[31]。
單管法( Chemical Churning Pile，CCP)，其工作原理是在鉆探造孔后，把高噴管下入孔內相應部位，使用20～40 MPa的高壓水射流破壞清除樁底沉渣、混入樁體內的雜土以及膠結差、強度不高的樁體；然后再把高噴管下入孔內相應部位旋噴高強度等級的水泥漿液，使之與樁體中殘留的砂粒、碎石等混合凝固，并與樁體緊密結合，達到提高基身強度和樁基承載力的目的[32-33]。該工法直接以單管在轉動和提升過程中注入高壓水泥漿，邊切割土體邊混合形成加固柱體[34]。
二重管法( Jambo Special Pile，JSP)，施工原理是利用鉆機的鉆具將帶有噴嘴的鉆頭鉆進至設計深度后，在高壓泵高壓的作用下，將一定水灰比的水泥漿液，通過高壓管泵送至鉆頭，使所注入的高壓水泥漿液經過噴嘴噴射出來，沖擊、切割周圍土體；同時鉆具又以一定的速度旋轉并進行提升，這樣水泥漿液強制攪拌周圍土體形成圓柱體的樁體[35]。二重管噴射修復示意圖如圖5所示。
圖5 二重管噴射技術修復示意圖
三重管法(Column Jet Pile，CJP)，雙高壓旋噴技術 (Rodin Jet Pile ，RJP)就是三重管法，與普通三重管不同的是RJP工法中固化材料噴射流也是高壓介質。RJP是一種水、氣、漿液噴射法，使用的是分別輸送水、氣以及漿液的三重管。RJP的工作流程是在施工場地先進行鉆探，使孔深達到預定深度，再使用旋噴管注漿的方法。將RJP應用到地下水以及土壤的修復中，使用水、氣、修復藥劑進行噴射，其工作原理（見圖6）是利用兩股超高壓噴射流——超高壓水噴射流和超高壓修復材料噴射流，外套壓縮空氣，分階段對土體進行切割。把注漿管放到孔底，先利用超高壓水射流外套空氣對土體進行切割，隨后利用超高壓修復材料對土體進行加固，采取一邊噴射一邊提管的方式，直到旋噴管提離鉆孔開口處，隨后進行鉆孔封堵[31]。
圖6 雙高壓旋噴技術修復示意圖
MJS工法 (Metro Jet System)，又稱全方位高壓噴射工法，是在傳統高壓噴射注漿工藝的基礎上，采用了獨特的多孔管和前端造成裝置 (習慣稱之為Monitor) ，多孔管由排泥管、高壓水泥漿管、倒吸水管(2個)、主空氣管、倒吸空氣管、排泥閥傳感器控制線路管(2個)、削孔噴水管、多孔管連接螺栓孔、備用管路等組成。前端造成裝置上分布有壓力傳感器、排泥口、噴漿口等。實現了孔內強制排漿和地內壓力監(jiān)測，并通過調整強制排漿量來控制地內壓力，以防止地內壓力過大對地面造成隆起，大幅度減少對環(huán)境的影響，而地內壓力的降低也進一步保證了成樁直徑，確保地基加固的效果[36]。MJS工法原理圖見圖7[37]。
圖7 MJS工法原理圖
3.2 高壓旋噴工藝分析
旋噴注漿法在原位修復施工中具有以下特點:（1）適用地層較廣；（2）施工簡便、靈活、設備較輕便、機動性強、施工效率較高，且注入的液體可以準確計量和控制；（3）噴射深度限制小，可多角度注入，且注入深度較深[38]；（4）旋噴注漿修復污染物成本（不超過500元/m3），傳統注藥方式（800～900元/m3）[39]，成本更低。高壓旋噴工藝適用地層，從淤泥、淤泥質土、粉質粘土、粘土、砂到礫石類土，均有良好的注入效果，適用性較廣。
高壓旋噴注漿單管法具有一定局限性，雖然施工管理方便、施工速度快、工程造價低，但是其作用半徑較小，用于污染物修復的效率就低。目前國內采用雙管法和三管法的旋噴注漿的樁徑直徑在2 m左右，用于污染場地修復時，修復半徑仍然較小，藥劑注入點需求就會增多，注入點之間的搭接就會變多，會造成很大的浪費。而日本的MJS工法相比于傳統的高壓旋噴注漿修復所使用經費更低、工期更短；攪拌效果好，排泥量少；工藝簡單，成樁直徑大，效果好。因此我們應該研究MJS工法，推廣此工法在國內的使用，以此來滿足國內污染地下水修復的技術需求。
4 壓裂注入工藝
4.1壓裂注入工藝簡介
水力壓裂是采用較大壓力向井筒附近的初始裂縫中注入大量壓裂液，將巖石逐漸撐開并形成水力主裂縫并在地層中延伸，壓裂過程中裂尖的應力場會改變周圍的地應力，影響天然微裂縫的開裂，改變地層滲透率[40]。水力壓裂技術是最有前途的石油等能源的增產技術之一，而將水力壓裂技術應用到污染場地地下水的修復中，其實質就是將利用到能源的各種壓裂液用砂漿和修復藥劑混合來取代。施工原理是在污染場地進行布井，布井完成后，通過壓裂在井道周圍的土層中形成砂層，在形成砂層的之后或者形成砂層的同時，往砂層內注入修復試劑[41]，重復上述過程，即可在井中形成不同的砂層，也就是實現了修復藥劑的分層注入。施工工序為：（1）進行場地調查，確定污染地下水的分布；（2）注入井的優(yōu)化布置；（3）安裝所需要的工程設備，分別為混合裝置，注入裝置；（4）將砂漿與藥劑進行混合；（5）鉆井鉆到預定深度，下PVC管作為護管，護管要在預定砂層的深度開孔，護管與井壁間隙用砂漿混凝土封井；（6）下入注漿管進行噴射；（7）砂層形成的同時，噴射修復藥劑修復污染的地下水。
4.2壓裂注入工藝分析
高壓壓裂注入的特點是將砂石通過高壓泵入土壤形成土層裂隙，進而形成砂層，增大了土壤的滲透性，更有利于修復藥劑的遷移，修復效果更好；可以實現定點、定深、定量的注入修復藥劑，增大了修復藥劑的利用率；修復半徑可達4～7m，效率更高。高壓壓裂可以廣泛適用于滲透性較低的粘土含量較高的土壤以及固有建筑物覆蓋范圍內的地下土壤。雖然高壓壓裂修復半徑大、技術簡單易于操作，但是最大的局限性是建井周期長，將會導致施工周期長、人工費增加。相比于不用建井的直推式注入和高壓旋噴注入，在施工周期上就缺少了一定的優(yōu)勢。
5 注入關鍵技術
污染場地修復中往往存在污染類型多樣化、污染物分布不均勻、水文地質條件復雜、地層非均質等難點，決定了土壤以及地下水修復的注入關鍵技術包括：
(1)注入井分布優(yōu)化：環(huán)境修復的最終目標是將污染區(qū)域內污染物的濃度降低到目標要求的范圍之內，這就要求注入井的選擇一定要能使修復材料在橫向上充分覆蓋所有污染區(qū)域。注入井優(yōu)化布置，目的是從宏觀上符合污染羽分布，并且搭接區(qū)域的選擇一定要合理，這樣不僅可以節(jié)約成本，還能夠保證施工的效率，因此對注入井分布進行優(yōu)化將具有重要意義。
(2)精準鉆進技術：注入井優(yōu)化布置保證了修復材料在橫向上能夠覆蓋所有污染區(qū)域，對注入點進行精確定位可以保證修復藥劑在污染介質中的縱向滲透效果，使修復藥劑在縱向上滿足修復要求。這樣就能做到精準注入，提高修復效率。
(3)漿液的擴散效果：研究地下水原位修復的鉆進注入技術對地下水的修復具有重要的意義，目前，地下水原位修復鉆進注入技術的評價主要考慮修復半徑這一因素，隨著修復半徑擴大，所需要的注入井數量就會減少，這將會大大降低污染物修復的成本。因此，我們在施工時，應把漿液的擴散效果作為一個重要考慮因素，盡可能擴大注入擴散半徑，提高注入效果，降低修復成本。
(4)防止地下水交叉污染：污染場地往往存在污染物分布不均、水文地質條件復雜等難題，很有可能會造成不同層位地下水的交叉污染，這給污染場地原位修復造成了巨大的困難。因此，我們在施工時要注意不同層位水修復的封隔，防止地下水交叉污染。
(5)藥劑智能注入技術：地下水原位修復中修復藥劑的選擇直接影響到污染物的修復程度，而如何根據污染程度，將藥劑智能化的注入到污染區(qū)域，對于地下水原位修復的研究具有重大意義。在進行施工時，應根據勘察所確定的污染程度、污染范圍，實時探測修復效果并及時反饋，做到動態(tài)調節(jié)，從而確保施工的效率、降低施工成本。
6 結論
隨著人們生活水平的提高，對生存的環(huán)境要求也越來越高，原位修復材料鉆進注入技術將是地下水修復的重要技術，未來必將得到較大的發(fā)展。目前我國主要應用于地下水修復的技術為傳統的注入井注入修復。與傳統技術相比，直推式注入和高壓旋噴技術這兩種新興技術具有更大的適應性，只要克服直推式修復鉆機的成本問題以及高壓旋噴技術修復直徑小的問題，可以預見這兩種技術將會成為我國環(huán)境修復的主流方式。我國原位修復材料鉆進注入修復技術，與國外先進技術還缺少一定的靈活性和先進性，可以在趕超國外技術的同時，在地下水修復中采用綜合修復技術，以此來降低修復成本、提高修復效率。
