原位注药装置的制作方法

1.本实用新型涉及污染地块土壤及地下水修复工程技术领域，更具体地，涉及一种原位注药装置。


背景技术：

2.原位注射工艺通常是用于污染源区域的修复和治理，即在原位摧毁大量污染物，而不需要将土壤挖出或者将地下水抽出后在地面处理。这种方式既省钱又快捷。其中原位化学氧化法是有机污染土壤与地下水修复的最佳技术之一，不仅效果显著，且经济性较好。对于原位化学氧化技术而言，药剂的无损投加和分散，以及提高氧化反应效能，是其技术的核心所在。
3.原位化学反应，通常使用过氧化物作为氧化剂来完成氧化作用的，单一使用这些氧化剂存在着与有机污染物反应速度慢的问题，在实际修复项目中，通常加入活化剂(或催化剂)，促进其反应。这类高级氧化反应通常是会产生各种自由基的反应。活化剂在促进氧化剂与有机污染物反应的同时，也会加速过氧化物的分解。相关技术对过硫酸钠碱激活、双氧水激活反应的机理和分解速率做了详细的研究。在实际工程修复项目中，通常将高浓度的氧化剂与活化剂一起大批量配置，并放置较长的时间，有的超过8小时，再将其注入使用。这样会加速药剂的自分解，难以保证氧化药剂实验有效的用量。
4.因此，现在需要提供一种原位注药装置，其能至少解决现有技术中所存在的上述问题。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题中的至少一个，根据本实用新型的一方面，提出了一种原位注药装置，其包括：药剂装置，所述药剂装置包括：氧化剂罐，用于盛放氧化药剂；活化剂罐，用于盛放活化剂；储气罐，用于盛放压缩空气；以及三个单独的管路，用于分别输送所述氧化药剂、所述活化剂、以及所述压缩空气并保证在注药之前所述氧化药剂不与所述活化剂相接触；以及注药装置，所述注药装置包括：钻机，用于钻地注药；钻具，与所述钻机相连接并用于在所述钻机的控制下进行钻地，所述钻具包括钻杆，所述三个单独的管路汇聚到所述钻杆；以及喷射头，位于所述钻具的底部，用于将药剂注入地下，以进行原位反应。
6.在一个实施例中，所述钻机是高压旋喷钻机。
7.在一个实施例中，所述药剂装置包括加热装置，用于在将药剂注入地下之前将所述氧化剂罐和所述活化剂罐中的药剂分别加热到预定的温度。
8.在一个实施例中，所述钻具的头部嵌入了压力监测模块，用于监测旋喷处压力的变化。
9.在一个实施例中，所述钻机将实时监控的数据发送到外部的显示装置。
10.在一个实施例中，所述实时监控的数据包括以下中的至少一项：压力、深度、所述钻具的提升速度和旋转速、药剂量、药剂比例、以及注药速率。
11.在一个实施例中，所述原位注药装置根据所述显示装置上重新设置的数值来执行修正操作。
12.在一个实施例中，所述喷射头从上至下依次设置有压力探测仪、活化剂喷嘴、空气喷嘴、氧化剂喷嘴、以及钻头。
13.本实用新型所提出的原位注药装置能保证药剂不加速自分解，保证氧化药剂实验有效的用量，通过监测地层压力和相关注入参数，并及时修正操作，可以减少返浆、冒浆的现象，并且可以明显提升氧化能力。
附图说明
14.通过结合附图对本实用新型的实施例进行更详细的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。
15.图1示出了根据本实用新型的实施例的原位注药装置的示意图；以及
16.图2示出了根据本实用新型的实施例的原位注药装置中的喷射头的示意图。
17.其中，附图标记所表示的含义为：热水箱1、氧化剂罐2、活化剂罐3、夹套4、循环泵5、进水管道6、出水管道7、空气压缩机8、储气罐9、输送管道10、旋喷钻机11、钻具12、喷射头13、氧化剂喷嘴131、活化剂喷嘴132、空气喷嘴133、压力探测仪134、钻头135。
具体实施方式
18.为了使得本实用新型的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本实用新型的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是本实用新型的全部实施例，应理解，本实用新型不受这里描述的示例实施例的限制。基于本实用新型中描述的本实用新型实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本实用新型的保护范围之内。
19.原位化学反应，通常使用过氧化物作为氧化剂来完成氧化作用的，单一使用这些氧化剂存在着与有机污染物反应速度慢的问题，在实际修复项目中，通常加入活化剂(或催化剂)，促进其反应。这类高级氧化反应通常是会产生各种自由基的反应。活化剂在促进氧化剂与有机污染物反应的同时，也会加速过氧化物的分解。相关技术对过硫酸钠碱激活、双氧水激活反应的机理和分解速率做了详细的研究。在实际工程修复项目中，通常将高浓度的氧化剂与活化剂一起大批量配置，并放置较长的时间，有的超过8小时，再将其注入使用。这样会加速药剂的自分解，难以保证氧化药剂实验有效的用量。
20.在原位注药的地下环境一般在18℃左右，氧化反应温度的影响至关重要。增加反应温度，不仅可提高反应速度，还可以将低温条件下难以氧化分解的有机污染物彻底反应去除。
21.针对以上技术问题，本实用新型提供了一种原位注药装置。该原位注药装置采用分别注药的注药方式。分别注药是为了在药剂注入之前氧化剂不与活化剂接触，将两种药剂分别管路与压缩空气混合旋喷注入地下，进而可以保证药剂不加速自分解，保证氧化药剂实验有效的用量。
22.现有技术中公开了一种地下水原位化学氧化修复的混合注药装置，其将氧化剂和活化剂暂存，混合后用隔膜泵注入。隔膜泵采用泵入技术，需要预先建有有效的泵入管道，适用范围相对狭窄。而高压旋喷钻机适用范围广，可直接进行钻地注药，且可以进行不同深层的注药，可以边下钻边旋转边注药，高效便捷。
23.本实用新型所提供的原位注药装置采用高压旋喷钻机将药剂同时加注，并通过喷射头旋喷同步注入土壤和地下水中。高压旋喷注药，通常会存在返浆、冒浆问题，主要是在地层中，形成了超地质承受的压力，出现了土层中优势通道的产生，不仅造成化学药剂的浪费，还容易有污染场地二次污染的产生。难点还在于同步注药和药剂充分有效触及与反应的过程监控，直接影响注药修复效果。
24.因此，本实用新型所提供的原位注药装置还能够实时监控注入的地层溶液的流量、注入压力、喷射杆的提升速度和旋转速等。尽量保证按中试参数施工，在达到设计药剂的有效扩散半径的同时，通过监测地层压力和相关注入参数，并及时修正操作，可以减少返浆、冒浆的现象。
25.本本实用新型所提供的原位注药装置主要包括：高压旋喷钻机、外接履带多功能钻机、三重管钻具、三重管喷；用于配药及加热的氧化剂配液罐、活化剂配液罐、加热装置；与后台动力泵相关的装置，例如高压注浆泵、中压泵、空压机、高压管；以及监控装置，例如外接的监视系统、地下压力传感器、气体流量计、气体压力表等。
26.下面，参照图1来描述根据本实用新型的实施例的原位注药装置。
27.如图1所示，一种原位注药装置，其包括：药剂装置，所述药剂装置包括：氧化剂罐，用于盛放氧化药剂；活化剂罐，用于盛放活化剂；储气罐，用于盛放压缩空气；以及三个单独的管路，用于分别输送所述氧化药剂、所述活化剂、以及所述压缩空气并保证在注药之前所述氧化药剂不与所述活化剂相接触；以及注药装置，所述注药装置包括：钻机，用于钻地注药；钻具，与所述钻机相连接并用于在所述钻机的控制下进行钻地，所述钻具包括钻杆，所述三个单独的管路汇聚到所述钻杆；以及喷射头，位于所述钻具的底部，用于将药剂注入地下，以进行原位反应。
28.在一些实施例中，所述钻机是高压旋喷钻机。具体地，本实用新型所提供的原位注药装置采用高压旋喷钻具将药剂同时加注，并通过喷射头旋喷同步注入土壤和地下水中。现有技术中公开了一种地下水原位化学氧化修复的混合注药装置，其将氧化剂和活化剂暂存，混合后用隔膜泵注入。隔膜泵采用泵入技术，需要预先建有有效的泵入管道，适用范围相对狭窄。而高压旋喷适用范围广，可直接进行钻地注药，且可以进行不同深层的注药，可以边下钻边旋转边注药，高效便捷。
29.本实用新型所提供的原位注药装置采用三重管高压旋喷原理，三个单独的管路，分别输送配置好的氧化药剂溶液、置好的活化剂溶液、压缩空气三种介质。三个管路同在一个钻杆中，在以高压泵产生的大于20-30mpa(最高可达40mpa)的高压下，将氧化药剂溶液喷射。该喷射流周围，环绕一股0.5-0.7mpa左右圆筒状气流。喷射流和气流同轴冲切土体，形成较大的空隙，再由中泵注入压力为1-2mpa左右的活化剂溶液填充混合。当喷嘴作旋转和慢速提升运动时，便在土壤和地下水中将氧化药剂和活化药剂，均匀分散混合，达到设计要求的有效半径。氧化剂在活化剂的作用下，与场地土壤和地下水中污染物发生原位的反应，去除或降低污染物的量。
30.本实用新型所提供的原位注药装置采用分别注药的注药方式。分别注药是为了在药剂注入之前氧化剂不与活化剂接触，将两种药剂分别管路与压缩空气混合旋喷注入地下，进而可以保证药剂不加速自分解，保证氧化药剂实验有效的用量。
31.在一些实施例中，所述药剂装置包括加热装置，用于在将药剂注入地下之前将所述氧化剂罐和所述活化剂罐中的药剂分别加热到预定的温度。具体地，在原位注药的地下环境一般在18℃左右，氧化反应温度的影响至关重要，增加反应温度，不仅可提高反应速度，还可以将低温条件下难以氧化分解的有机污染物彻底反应去除。因此，在本实用新型中，氧化药剂配置罐和活化剂配置罐，均连接加热系统，可以分别将配置罐中药剂溶液加热到设定的温度。
32.本实用新型所提供的原位注药装置采用高压旋喷钻具将药剂同时加注，并通过喷射头旋喷同步注入土壤和地下水中。高压旋喷注药，通常会存在返浆、冒浆问题，主要是在地层中，形成了超地质承受的压力，出现了土层中优势通道的产生，不仅造成化学药剂的浪费，还容易有污染场地二次污染的产生。这样做的难点还在于同步注药和药剂充分有效触及与反应的过程监控，直接影响注药修复效果。
33.因此，本实用新型所提供的原位注药装置还能够实时监控注入的地层溶液的流量、注入压力、喷射杆的提升速度和旋转速等，尽量保证按中试参数施工，在达到设计药剂的有效扩散半径的同时，通过监测地层压力和相关注入参数，并及时修正操作，可以减少返浆、冒浆的现象。
34.在一些实施例中，所述钻具的头部嵌入了压力监测模块，用于监测旋喷处压力的变化。
35.在一些实施例中，所述钻机将实时监控的数据发送到外部的显示装置。
36.在一些实施例中，所述实时监控的数据包括以下中的至少一项：压力、深度、所述钻具的提升速度和旋转速、药剂量、药剂比例、以及注药速率。
37.在一些实施例中，所述原位注药装置根据所述显示装置上重新设置的数值来执行修正操作。
38.具体地，本实用新型中的高压旋喷钻机具有现场调节下钻、提升速度的功能和钻杆转速的功能，并将数据无线发送给外挂显示终端。后台注药高压柱塞泵和中压注浆泵以及压缩空气系统，均可调整流量参数和压力参数，并将数据无线发送给显示终端。另外，注药过程中的检测和修整是根据设备系统中的压力、深度、药剂量、注药速率等参数监测记录仪显示的数据进行加减压力、上升下降钻具深度以及减缓返浆剧烈程度、缩小扩大返浆范围等实现的。
39.接下来，参照图2来描述根据本实用新型的实施例的原位注药装置中的喷射头。
40.如图2所示，所述喷射头从上至下依次设置有压力探测仪、活化剂喷嘴、空气喷嘴、氧化剂喷嘴、以及钻头。
41.下面，具体描述采用本实用新型的原位注药装置的原位注药施工过程。
42.1、配药作业：按设计比例，在氧化剂配液罐中，将氧化剂和清水搅拌均匀，并加热至预定温度；在活化剂配液罐中，将活化剂和清水搅拌均匀，并加热至预定温度备用；
43.2、引孔作业：根据原位注药布点方案，将引孔地质钻机固定在设计的孔位上。钻孔的目的是为将旋喷注浆管插入预定的地层中。钻进过程中，要及时检查钻机的水平度和钻
杆的倾斜度；
44.3、试喷作业：注浆管插入前，应进行地面试喷，以检查各项技术参数是否达到设计要求，使用地质钻机钻孔完毕后，拔出钻具，并换上旋喷管插入预定深度。当注浆管插入预定深度后，应进行清水试压，设备和管路安全正常后，则可开始高压注药；
45.4、注药作业：当旋喷管插入预定深度后，启动高压氧化泵、活化剂泵、空压机。旋喷开始时，旋转提升旋喷管，自下而上连续进行喷药，注意检查注浆流量、空气流量、压力、旋转和提升速度等参数是否符合设计要求，并且随时做好记录，绘制作业过程曲线；
46.5、清洗作业：每天喷射结束及时拔管，施工完毕应把注浆管等机具设备冲洗干净，管内机内不得残存药剂溶液，通常把药液换成水，在地面上喷射，以便把药剂泵、注浆管软管内的浆液全部排出。
47.接下来，具体描述根据本实用新型的原位注药装置的实施例。
48.实施例1
49.在某2000m2的多环芳烃染地块，将固体过流酸钠，在氧化药剂罐中加水溶解、加热、搅拌配置为15％的浓度，升温至70-75℃。将七水硫酸亚铁在活化药剂罐中加水溶解、加热、搅拌配置为10％的浓度，升温至50-55℃。氧化剂注入压力25-30mp，活化剂的压力1-1.2mpa，压缩空气压力在0.6-0.7mpa。氧化剂注入量在80l/min，活化及注入量在30l/min。转速在15转/min，提速40cm/min。按三角形布点法布点，间距0.8m，采用本实用新型的原位注药装置进行原位注射。养护2个月后，土壤中有机污染多环芳烃的浓度达到修复目标值。
50.实施例2
51.在某2500m2的tph污染地块，将固体过流酸钠，在氧化药剂罐中加水溶解、加热、搅拌配置为20％的浓度，升温至70-75℃。将液碱在活化药剂罐中加水溶解、加热、搅拌配置为15％的浓度，升温至70-75℃。氧化剂注入压力20-25mp，活化剂的压力1.8-2mpa，压缩空气压力在0.6-0.7mpa。氧化剂注入量在80l/min,活化及注入量在80l/min。转速在10转/min，提速40cm/min。按三角形布点法布点，间距1.2m，采用本实用新型的原位注药装置进行原位注射。养护2个月后，地下水中tph有机污染的浓度达到修复目标值。
52.实施例3
53.在某2800m2的苯系物污染地块将固体过流酸钠，在氧化药剂罐中加水溶解、加热、搅拌配置为20％的浓度，升温至70-75℃。将双氧水在活化药剂罐中加水稀释、加热、搅拌配置为10％的浓度，升温至30-35℃。氧化剂注入压力25-30mp，活化剂的压力1.4-1.6mpa，压缩空气压力在0.6-0.7mpa。氧化剂注入量在80l/min，活化及注入量在20l/min。转速在12转/min，提速30cm/min。采用本实用新型的原位注药装置进行原位注射。养护1个月后，地下水及土壤中苯系有机污染的浓度达到修复目标值。
54.本实用新型的原位注药装置能够提供如下的有益效果：
55.在药剂注入之前氧化剂不与活化剂接触，将两种药剂分别管路与压缩空气混合旋喷注入地下，进而可以保证药剂不加速自分解，保证氧化药剂实验有效的用量。氧化剂为过氧化物，优先采用过硫酸钠、双氧水等。活化剂为氧化、还原性化合物或碱性化合物，优先采用硫酸亚铁、双氧水、液碱。氧化剂的浓度在5-30％，最优在15-25％。活化剂的浓度在5-30％，最优在15-25％；
56.注射的氧化药剂和活化药剂在注入前被加热，增加了在地下土壤和地下水反应温
度，可以明显提升氧化能力；较优的氧化药剂温度在40-90℃，最优在60-70℃。活化药剂温度在40-90℃，最优在30-70℃；
57.外挂监控设备对喷头的提升速度，转速、螺距以及垂直度进行实时监控和显示；对药剂的喷射压力、流量进行实时监控和显示。现场可以灵活改变氧化剂和活化剂的注药比例，从而改变氧化的速度。操作参数为氧化剂注入压力20-35mp，活化剂的压力1-2mpa，压缩空气压力在0.5-0.7mpa，氧化剂注入量在20-150l/min，活化及注入量在20-150l/min，转速10-20转/min，提速5-50cm/min。具有地层压力的测试监控组件，能测定测试注水时注射工艺参数变化时的地层压力的变化情况，提高注药的扩散性同时减少返浆的产生。地层系数可控制在1:1.3以下。
58.尽管这里已经参考附图描述了示例实施例，应理解上述示例实施例仅仅是示例性的，并且不意图将本实用新型的范围限制于此。本领域普通技术人员可以在其中进行各种改变和修改，而不偏离本实用新型的范围和精神。所有这些改变和修改意在被包括在所附权利要求所要求的本实用新型的范围之内。
59.在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本实用新型的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
60.类似地，应当理解，为了精简本实用新型并帮助理解各个实用新型方面中的一个或多个，在对本实用新型的示例性实施例的描述中，本实用新型的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该本实用新型的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本实用新型要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如相应的权利要求书所反映的那样，其实用新型点在于可以用少于某个公开的单个实施例的所有特征的特征来解决相应的技术问题。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本实用新型的单独实施例。
61.本领域的技术人员可以理解，除了特征之间相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
62.此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本实用新型的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
63.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式或对具体实施方式的说明，本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。