地下水人工回灌含水介质微生物堵塞试验研究

地下水人工回灌过程中,含水介质的堵塞除机械颗粒沉积和化学沉淀外,微生物起重要的作用。然而,目前探究回灌堵塞过程中以生物量为主要研究内容反映生物堵塞的发生,对其堵塞发生过程中微生物菌群组成结构的研究较少。采用室内一维渗流试验,开展含水介质微生物堵塞过程研究。分析含水介质渗透性、营养盐指标及胞外聚合物含量时空动态变化,利用16SrRNA高通量测序技术,深入分析微生物群落多样性和结构特征,从分子水平上揭示含水介质回灌堵塞过程中微生物群落特征及其演替规律。研究结果表明,随着回灌持续,含水介质渗透性呈现非线性降低趋势;空间上,堵塞主要发生在介质表层;时间上,各层介质渗透性依次经历稳定波动—快速下降—缓慢下降—趋于稳定4个阶段。含水介质附着细菌主要分布于26个门,65个纲,162个目,258个科,425个属,767个种。随着回灌的进行,细菌群落丰度、多样性及均匀度均呈现降低趋势。含水介质上附着细菌群落结构发生明显演替。菌群以变形菌门为优势菌门,拟杆菌门为次优势菌门;假单胞菌属(Pseudomonas)为主要优势菌属。     

地下水人工回灌气相堵塞特征的试验研究

地下水人工回灌可以高效地利用雨季丰沛的水量来缓解地下水过量开采造成的海水入侵、泉水断流等环境水文地质问题,但回灌堵塞一直是制约人工回灌效率的关键问题。针对雨洪水回灌携带的大量气泡问题,设计室内砂柱试验模拟装置,利用曝气水进行人工回灌,定时记录试验过程中测压管读数及出流流量,利用达西定律计算各层渗透系数,研究气相堵塞的发展过程和规律。结果表明:回灌过程中由于气相堵塞导致含水层渗透系数随时间呈指数衰减,气相堵塞主要发生在介质浅表层（0~30 cm）,且随时间有向下发展的趋势,堵塞速率随深度的增加逐渐减小,在回灌过程中适时停灌进行排气有利于减小气相堵塞对回灌效率的影响。     

人工回灌物理堵塞特征试验及渗滤经验公式推导

人工回灌是提高水资源利用水平的重要工程措施,然而回灌过程中的堵塞问题会影响入渗效率和入渗工程的使用寿命。为了深入研究堵塞的机理,以控制堵塞问题,通过砂柱试验模拟了地下水人工回灌物理堵塞过程,通过测定含水率的变化分析了由堵塞引起的砂柱饱和-非饱和状态的转化。试验中出流速率经过了迅速增大到一峰值后快速减小,然后又缓慢变小的过程,即：仅经过72 h的回灌,砂柱的出流速率减小为2.18 m/d;72 h后砂样出流速率的减小明显放缓;192 h时,砂样出流速率为0.81 m/d,约为出流速率最大值的1/10。试验结果表明：回灌水悬浮物颗粒进入砂样空隙中引起渗透性减弱,和逐渐沉积在砂柱顶部形成的淤泥层是造成堵塞的直接原因,而淤泥层的形成是造成渗滤速率迅速下降的关键因素;淤泥层的弱透水性使砂样由上至下含水率发生了变化,导致了砂样导水率和水力梯度都降低,促使回灌渗滤速率迅速减小;回灌时间越长,淤泥层厚度越大,出流速率越小。由10组对比试验的结果,综合考虑引起雨洪渗滤系统堵塞的各种因素,建立了无砾石滤料雨洪水回灌过程计算渗滤速率变化的经验模型,拟合结果决定性系数为0.932。     

砂岩热储地热尾水回灌悬浮物堵塞研究

砂岩热储人工回灌过程中介质堵塞问题严重影响到回灌效率,为查明回灌过程中悬浮物堵塞对回灌效率的影响。试验依据德城区鲁北院内回灌井现场尾水中悬浮物粒径分布特征,并以市政自来水为水源,粘性土颗粒为入渗介质,配制0.038 mm和0.050 mm的不同悬浮物粒径和0 mg/L、20 mg/L、50 mg/L、60 mg/L、100 mg/L的不同悬浮物浓度开展一维砂柱模拟回灌试验。试验结果表明:悬浮物堵塞会引起整柱相对渗透系数呈现"快速下降-趋于稳定"的趋势,且堵塞主要发生在表层,可能在一定程度上抑制了悬浮物颗粒向下迁移;悬浮物粒径的大小和浓度均可以影响热储介质堵塞发生时间,悬浮物粒径越大堵塞发生时间越早,浓度越高,堵塞时间越短。试验针对悬浮物堵塞试验研究成果及现实情况,提出了一些针对性的治理措施:(1)设计一级除砂器,除砂器不仅可以沉降颗粒较大的悬浮物,降低悬浮物浓度,也能对尾水进行降温,有益于缓解物理悬浮物堵塞。(2)经过除砂器后,尾水进入二级过滤器,设计粗过滤器的过滤级为50μm,而精过滤器的过滤级为10μm,过滤器的个数可以根据尾水回灌量确定。     

含水层人工回灌物理堵塞的实验与数值模拟

以地表水体和雨洪水作为回灌水源,人工补给地下含水层过程中会发生含水层堵塞问题(特别是物理堵塞),将严重影响人工回灌的效果.采用模拟实验系统研究了悬浮固体颗粒对含水介质堵塞的机理,并用数学模型预测了含水介质物理堵塞的发生和发展过程.研究表明,含水介质的渗透性在回灌初期不断下降,随着回灌时间的延长逐渐趋于稳定;另外,悬浮物堵塞会导致介质的非均质性,渗透距离越小的砂层,堵塞越严重.建议将回灌液悬浮物浓度控制在25mg/L之内,在雨季悬浮物浓度较高时要进行周期性反冲洗,其频率为1次/d.     

人工回灌条件下滨海砂质含水层渗透性的时空演变特征

人工回灌补给滨海含水层是海水入侵修复经常采用的工程措施,然而人工回灌条件下滨海砂质含水层经常出现渗透性显著降低的现象,其含水介质渗透性的时空演变规律仍不清楚。本文以青岛市大沽河下游咸水入侵区含水层砂样为研究对象,通过利用不同尺度的室内砂柱淡咸水驱替试验,对定水头和定流速条件下人工回灌咸淡水驱替过程中砂质含水层渗透性的时空演变特征进行了研究。结果表明：当淡水驱替咸水时含水介质的渗透性会发生显著变化,整个砂柱的渗透性先降低后回升,原因是回灌过程中砂柱中的黏土矿物发生释放、迁移、沉积;定水头条件下,在砂柱的前半段存在一个淘空区,渗透系数是初始渗透系数的1.6~2.0倍,砂柱其它部分渗透性是先降低再轻微回弹;定流速条件下,砂柱的渗透系数随时间的变化均呈现先降低后升高趋势,且砂柱各段离入水口的距离越远其渗透系数的值越小;砂柱黏粒含量的变化规律与渗透性的演化特征相吻合。研究成果可为人工回灌治理滨海含水层海水入侵提供一定的科学依据。     

地下水人工回灌堵塞问题研究进展

地下水人工回灌堵塞问题的产生与回灌水质、入渗介质的矿物成分及颗粒组成特征等多种因素有关,通常根据成因将堵塞分为物理堵塞、化学堵塞和生物堵塞3种类型。大颗粒悬浮物的物理堵塞效应与机理的研究比较成熟,但对于中间颗粒,尤其是胶体颗粒物的堵塞作用机制的研究还相对比较薄弱;化学堵塞的机理复杂,影响因素众多,水文地球化学模拟技术在化学堵塞机理的研究中显示了良好的应用前景;生物堵塞主要由回灌水中细菌和藻类等微生物的繁殖和代谢导致,大量的研究集中在细菌方面,对藻类引起的堵塞问题研究尚不深入;多种堵塞的相互作用过程和作用机理是目前研究的难点问题。堵塞预测的方法主要包括3种:①指标法(如MFI、悬浮物浓度、浊度、AOC、BFR等),简单实用,但不能对堵塞演化过程进行描述或对堵塞程度进行定量表达;②经验公式法,受特定场地的条件限制,难以直接推广和利用;③解析公式法,对堵塞机理的表达更加科学、合理,但模型的建立与求解难度较大。通过合理的水质预处理技术和合理的回灌工艺,可以有效延迟堵塞发生的时间、减缓堵塞累积的程度。开发快速、高效、简单的堵塞处理技术对于延长工程使用寿命和降低经济成本具有重要的现实意义。     

地下水人工回灌过程中多孔介质悬浮物堵塞实验

地下水人工回灌技术的发展与推广常因其回灌过程中物理、化学及生物作用产生的入渗介质堵塞现象而受到严重制约。针对堵塞现象中最常见且最主要的悬浮物堵塞问题,采用室内模拟实验方法,通过将悬浊水连续注入均质的石英砂柱中,来刻画多孔介质中悬浮物堵塞的现象及发生的过程,并分析其发展规律,同时量化计算了堵塞速率。实验结果表明：回灌15 h左右表层介质渗透系数开始降低,即堵塞在表层开始发生,并随时间增加不断向深部发展;连续回灌100 h后表层渗透系数趋于稳定,进入介质内部悬浮物的量减少,内部堵塞发展也趋于稳定,此时堵塞主要在入渗深度10 cm左右的范围内。计算不同堵塞层的堵塞速率λ:表层0～1 cm的λ最大,为0.038 3 h^-1,λ随入渗深度增加而减小。对于介质整体的渗透性而言,其降低明显滞后于表层介质,但随时间发展主要受堵塞层的控制。     

井周堵塞对承压含水层定流量回灌渗流场影响的半解析研究

为分析定流量条件下回灌堵塞对井周含水层渗流响应的影响,采用指数形式的渗透系数衰减方程反映堵塞作用下井周含水层渗透特性的时变效应,建立了考虑堵塞效应的定流量非完整回灌井流力学模型,采用变量代换、Laplace变换和有限余弦Fourier变换得到了井周含水层中水位抬升在Laplace空间的解,应用Stehfest数值逆变换方法获得了实时空间内的水头抬升和回灌压力。参数分析结果表明,较小的渐近渗透系数Kr,∞会增加回灌过程中水头抬升和回灌压力,并加剧含水层达到拟稳态时的渗流响应;较大的渗透系数衰减指数λ仅增加回灌过程中水头抬升和回灌压力,但不影响含水层达到拟稳态时的渗流响应;因Kr,∞和λ不同而引起的水头差在井筒处达到最大值并沿径向距离逐渐减小。研究结果可以为定流量回灌中井周含水层堵塞的识别与预测提供理论依据。     

回灌井暂时性堵塞物的形成及其排除过程变化机制分析

以定期回扬方法及时排除回灌井中的暂时性堵塞物是整个回灌工作的重要环节,它对延长回灌井寿命提高回灌效益是至关重要的。回灌过程中井下形成的暂时性堵塞物,主要由三部分物质组成:回灌水本身固有的杂质;回灌水源转入地下后与地下水之间产生一系列物理、化学和生物化学反应所形成的物质;含水介质中的细颗粒成份。在回扬作用下这些暂时性堵塞物形成回扬水混浊度而被排除到井外,所以研究暂时性堵塞物的形成及其排除过程变化规律,要从研究回扬水混浊度变化机制入手,亦即通过回扬试验来实现。     

长江口盐沼硫酸盐还原菌的分布特征与环境机制

选择长江口崇明东滩两类植被区（互花米草、土著植被）纵向剖面,根据不同高程部位柱样土壤和植被根际硫酸盐还原菌（SRB）与异养菌的数量,颗粒有机碳（POC）含量与δ13C值,孔隙水Cl-/SO2-   ４摩尔比等,研究盐沼SRB的空间分布特征与机制。自高潮滩向光滩,柱样氧含量降低,SO2-   ４含量增加,导致SRB含量增加,SRB在有机质矿化中的作用增强。高潮滩柱样不同深度层位的异养菌数量明显大于中潮滩和光滩柱样的相应层位,这与由陆向海柱样氧含量及POC含量降低有关。SRB对植被根际环境的变化较敏感,芦苇根际最有利于SRB生长,藨草根际次之;互花米草根际不利于SRB生长,根系分泌物可能对SRB有抑制作用。土壤有机质含量是导致不同纵向剖面相同高程部位柱样之间微生物数量差异的主要因素。同一纵向剖面不同高程部位柱样之间在土壤氧含量与SO2-   ４含量方面的不同,导致这些柱样微生物数量存在差异。盐沼柱样孔隙水Cl-/SO2-４摩尔比总体偏低,多小于19.33,指示有非海源SO2- ４加入。非海源SO2-４的加入掩盖了硫酸盐还原作用对SO2-４的消耗,增加了利用孔隙水Cl-/SO2-４摩尔比定量研究盐沼硫酸盐还原作用强度的难度。柱样中SRB越多,Cl-/SO2-４摩尔比就越大,硫酸盐还原作用就越明显。     

超深层孔隙型热储地热尾水回灌堵塞机理

超深层孔隙型地下热水回灌难的问题已成为制约关中盆地地下热水可持续开发利用的瓶颈.本文以超深层孔隙型地热流体为载体,以热储原水-回灌尾水-热储介质-堵塞垢物之间水岩作用下矿物组分溶解沉淀规律为基础,以咸阳回灌1号井为例,应用室内堵塞实验模拟及水文地球化学模拟耦合方法,展开超深层孔隙型地热尾水回灌堵塞机理研究.结果表明:造成堵塞的主要因素有物理、化学、气体、微生物等,其中物理堵塞形式主要为颗粒运移和悬浮物堵塞,颗粒运移受回灌流速和储层物性影响明显,温度、压力是悬浮物堵塞的主控因素,而粘土膨胀影响甚微;化学堵塞程度随温度升高而加剧,主要化学沉淀为碳酸盐垢,且在回灌初期-中期达到沉淀量最大值;气体堵塞在回灌初期影响较大,之后随温度升高而减小;微生物堵塞的主要细菌类型为腐生菌,其堵塞程度与环境开放程度有关.     

地下水位抬升对人工回灌中悬浮物堵塞的影响

为了研究人工回灌条件下地下水位抬升对悬浮颗粒在含水层中的迁移-沉积的影响机理,在室内模拟实验中,采用100 mg/L的金刚砂悬浊水回灌中粒石英砂介质,分别研究了不同抬升速率(0、2、4cm/h)条件下人工回灌过程中的悬浮物堵塞规律。实验结果表明:地下水位抬升速率对堵塞位置和堵塞位置处悬浮物的级配影响不大,悬浮物主要淤积在0~2cm深度处;在26h前地下水位抬升引起的入渗量比地下水位固定的入渗量小,在26h后二者相反;水位抬升使介质表层堵塞发展速度减慢,非堵塞层渗流状态出现非饱和时刻滞后;在堵塞层0~2cm处地下水位抬升使堵塞速率小于地下水位固定的堵塞速率。     

干湿交替条件下包气带土柱中氮素迁移转化规律实验

干湿交替的回灌方法常被用于解决地面回灌补给地下水的堵塞问题。研究干湿交替条件下地面回灌对地下水的影响对于指导再生水回灌地下水具有重要实际意义。通过室内土柱模拟实验,在入渗强度为10.5 mm/h的条件下,日均进水量3 888 mL;用干湿交替的地面回灌模式持续运行136 d,累计灌入氨氮含量为5 mg/L的模拟再生水23 894 L,研究包气带土柱对氨氮的去除效果及氮素在包气带中的迁移转化规律。研究表明,充分利用包气带的好氧、兼氧和厌氧环境,生物脱氮是地下水回灌过程中脱氮的主要途径。包气带对氨氮的去除机理主要为土壤对氨氮的吸附作用和微生物的降解作用。回灌过程中累积在土颗粒表面的氨氮在干期发生硝化作用,干湿交替会加强氮素在包气带的迁移转化,导致干期后的回灌初期大量硝态氮迁移到饱和带地下水中。     

新近系砂岩地热回灌堵塞问题的探讨

结合目前国内外普遍存在的砂岩地层回灌效率低的问题,文章剖析砂岩地层容易发生堵塞的地质构造特性,以及在回灌中由于水敏、速敏等作用引起储层物性变化,固体颗粒逐渐沉淀或被捕获,堵塞孔隙,渗流阻力增大,渗透率降低,使地热流体回灌能力减弱;分析当热储层的孔隙度一定时,不同基质颗粒的粒径成为影响地热流体产能和回灌的主要因素。总结目前在砂岩地层中常见堵塞的类型、成因分析以及解决各类堵塞的方法。     

雨洪资源地下回灌促渗技术的实验研究

针对雨洪资源地下回灌工程易堵塞、效率低、寿命短等问题,以入渗池为例,开展室内模拟实验。实验通过模拟雨洪资源地下回灌条件和过程、设定渗透介质的表面形态和回灌的工程工艺方法,观测渗透速率随时间的变化规律,分析堵塞层悬浮物的分布规律;通过对比相同目标补给层、不同回灌工程工艺方法对入渗速率的影响,分析促渗机理,评价堵塞的形成机制和管理方法,探索促渗关键技术。提出了局部高位入渗方法、垄沟池底方法、间歇回灌方法三种有效的促渗技术,对雨洪资源地下回灌的工程实践具有一定的借鉴意义。     

海水环境下巴氏芽孢杆菌驯化及钙质砂固化效果研究

为了提升微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)技术在海洋环境下对钙质砂的加固效果,在以往研究的基础上,设计进行了人工海水环境下巴氏芽孢杆菌多梯度人工驯化培养试验,并结合MICP固化钙质砂柱的力学试验和微细观结构分析,对巴氏芽孢杆菌的驯化效果进行了综合评价。结果表明:(1)海水环境下五梯度驯化后细菌的菌液浓度可达到淡水环境的97%以上,其与胶结液作用后碳酸盐的生成量较淡水环境下有一定幅度提高;(2)驯化后的巴氏芽孢杆菌具有很好的温度适应能力,在10～30℃温度下均有较好的MICP性能;(3)海水环境下加固的钙质砂柱无论是碳酸盐生成量还是无侧限抗压强度均较未驯化前高,尤其是五梯度驯化后的细菌,驯化后的细菌菌体变小,在海水环境生成的碳酸盐(碳酸钙和碳酸镁)晶体更小,更加致密,能更好地填充钙质砂颗粒的孔隙并胶结相邻的钙质砂颗粒,具有更优异的MICP性能。相关研究思路和方法可为MICP技术在海洋环境钙质砂地基加固方面的研究与应用提供参考。     

城市雨水地下回灌过程中悬浮物表面堵塞规律

雨洪资源地下回灌是缓解城市供水压力、解决地下水过量开采引起环境负效应的有效途径之一,但堵塞问题却是制约回灌技术推广的关键问题。基于前人理论,研究了入渗介质与悬浮物粒径中值之比(D₅₀/d₅₀)对堵塞层空间分布的影响。以建立表面堵塞预测模型为目的,利用城市雨水回灌细粒石英砂介质开展室内实验,观测雨水回灌的表面堵塞过程并获取渗透性变化的观测数据。根据物理、化学与生物堵塞的产生条件及堵塞特点,判断雨水回灌产生的堵塞性质为物理堵塞。引入过滤模型描述堵塞的发展过程,确定了模型用于模拟细砂表面堵塞的参数值：孔隙堵塞系数（α）为0.15 m²/kg,阻力增长系数（f′R′）为20 000 m/kg。在不改变以上2个参数值的条件下,用该模型模拟不同悬浮物粒径悬浊水回灌细粒石英砂的堵塞过程,取得了较好的拟合效果。此过滤模型可以用于模拟入渗介质与悬浮物粒径D₅₀/d₅₀值小于5的表面堵塞的发展过程,可定量预测堵塞对回灌速率的影响。     

微生物拌和加固钙质砂渗透特性试验研究

吹填钙质砂是岛礁工程中常见的地基土,其所处的海洋环境对其渗透性和抗渗透破坏能力提出一定要求。微生物与钙质砂拌和的方法,有可能将微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术与吹填工艺结合,以期在吹填过程中完成对地基土的预处理。通过对不同密实度的钙质砂进行微生物固化前后的渗透试验,探究微生物拌和固化方法改善钙质砂渗透性和抗渗透变形性能的效果。结果表明,拌和方法可以使松散钙质砂的渗透系数降低至密实砂同等水平,其抵抗渗透破坏的临界水力坡降也大幅提高,破坏形式由管涌变为流土。     

SRB胞外聚合物对Ni2+的吸附行为和机理

生物吸附法是含重金属废水处理技术一种新兴的、颇具应用前景的技术.与传统处理技术相比,它具有效率高和运行成本低等优点[1～3].生物吸附法去除重金属的机理主要有细胞外积累/沉淀、细胞表面吸附/沉淀和细胞内积累[4].研究表明,胞外聚合物(EPS)在去除水溶液中的重金属中起重要作用[5～9].虽然已有大量的文献报道了细菌、真菌等微生物吸附重金属,但有关微生物分泌的EPS吸附重金属的行为和机理研究还相对薄弱.本研究的目标是研究硫酸盐还原菌(SRB)分泌的EPS对Ni2+的吸附行为及其机理.