pH對地下水源熱泵回灌井生物堵塞的影響

亢 涵，王謀薇，潘 俊，藏春月

(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

地下水源熱泵作為一種高效、節(jié)能、環(huán)保、穩(wěn)定的先進(jìn)技術(shù)在國內(nèi)迅速發(fā)展，目前國內(nèi)大部分建筑已應(yīng)用該技術(shù)，但在實(shí)際應(yīng)用中，地下水源熱泵的回灌效率會隨著使用時間的增加而逐漸降低，甚至出現(xiàn)堵塞，致使抽出的水無法全部回灌到含水層中，從而造成資金和資源的浪費(fèi)[1-2]。所以回灌堵塞已經(jīng)成為制約地下水源熱泵技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的一大難題。在地下水人工補(bǔ)給系統(tǒng)中，微生物的生長和代謝作用造成的堵塞僅次于懸浮物堵塞，比例高達(dá)15%[3-5]。有效控制微生物在回灌井中的生長和代謝成為解決生物堵塞的關(guān)鍵因素。迄今為止，國內(nèi)外部分學(xué)者一直在研究多孔介質(zhì)中生物堵塞的過程及原因。K.Seki和M.Thullner等[6-7]認(rèn)為，微生物自身和它的代謝產(chǎn)物(EPS)的累積會使多孔介質(zhì)發(fā)生生物堵塞。S.W.Taylor等[8]發(fā)現(xiàn)微生物產(chǎn)生的氣體會使介質(zhì)中的空隙被填充，從而引發(fā)生物堵塞現(xiàn)象。張曉婉等[9]在進(jìn)行室內(nèi)砂柱滲流模擬試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，微生物堵塞對含水介質(zhì)滲透性有明顯影響，試驗(yàn)初始階段出現(xiàn)峰值后，砂柱上層微生物的數(shù)量迅速降低并保持穩(wěn)定，而下層微生物數(shù)量始終維持在較低水平。微生物膜的生長導(dǎo)致含水介質(zhì)滲透性降低[10-12]。潘俊等[13]認(rèn)為在生物堵塞中，導(dǎo)致多孔介質(zhì)滲透性降低的主要因素是細(xì)菌的化學(xué)衍生物。李璐等[14]認(rèn)為在pH值發(fā)生變化時，鐵離子在形成Fe(OH)3沉淀的同時凝聚成膠體，影響多孔介質(zhì)的滲透性能。研究傾向?qū)ξ锢砗突瘜W(xué)回灌堵塞機(jī)理的較多，但對生物堵塞的研究機(jī)理尚不深入，微觀層面的更少[15]。微生物生長的pH一般在2～8，但大多數(shù)微生物生長的pH為5～9。與微生物生長溫度相同，pH同樣也有最高、最低和最適pH。最適pH值范圍內(nèi)，微生物生長繁殖最快,不同的微生物最適pH范圍不同。最高和最低pH范圍內(nèi)，微生物生長速度緩慢，甚至可能造成微生物死亡。筆者根據(jù)不同時期地下水pH的特點(diǎn)以及滑翔醫(yī)院地區(qū)實(shí)際地下水源熱泵回灌水可能的pH值范圍，進(jìn)行不同pH對地下水源熱泵回灌生物堵塞的影響規(guī)律的研究。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)用水

根據(jù)不同時期地下水pH的特點(diǎn)以及滑翔醫(yī)院地區(qū)實(shí)際地下水源熱泵回灌水可能的pH值范圍，確定離子種類和離子質(zhì)量濃度。試驗(yàn)人工回灌進(jìn)水pH值分兩部分:一部分為酸性，即pH=6、6.5配水體積為35 L；另一部分為中性和堿性，即pH分別為7、7.5、8，試驗(yàn)用水成分如表1所示，配水體積為35 L。

表1 試驗(yàn)用水Table 1 Test water

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置采用塑料材質(zhì)砂箱，長寬高為67 cm×45 cm×34 cm。砂箱右側(cè)每隔12 cm打孔，外接水箱水頭，且填充根據(jù)盛京醫(yī)院地下勘探地質(zhì)情況分層灌裝的25 cm多孔介質(zhì)。砂箱中間傾斜放置一塊鐵板模擬回灌井井壁，厚度8 mm，高32 cm，外面纏有直徑1.5 mmPVC材質(zhì)線圈，以防止介質(zhì)滲透到左側(cè)模擬回灌井內(nèi)。砂箱左側(cè)底部設(shè)有出水口，裝標(biāo)準(zhǔn)1/4球閥，同時設(shè)有蠕動泵循環(huán)進(jìn)水。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental setup

1.2.2 裝 砂

(1)為了消除邊壁效應(yīng)，在砂箱內(nèi)壁涂抹凡士林，然后在塑料砂箱內(nèi)填入篩分得到的砂礫，壓實(shí)，裝填高度為25 cm。

(2)在試驗(yàn)開始前，從砂箱頂部緩慢倒入蒸餾水，直至水面沒過多孔介質(zhì)表面并高于其5 cm，靜置12 h后觀察是否出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，即水面降低；若低于5 cm則繼續(xù)倒入蒸餾水，使其保持在高于多孔介質(zhì)表面5 cm，繼續(xù)靜置12 h；如無明顯變化，則打開出水口，排空蒸餾水。

1.2.3 裝置啟動

關(guān)閉閥門，將配置好的試驗(yàn)用水沿著砂箱邊緣緩慢倒入，直到砂箱內(nèi)水面高于多孔介質(zhì)5 cm，將其靜置12 h，使回灌水樣與空氣充分接觸，觀察是否出漏水現(xiàn)象；若漏水，用試驗(yàn)用水將水面填補(bǔ)至原位，如無漏水現(xiàn)象，則打開右側(cè)各閥門，分別測定其水通量。

1.2.4 計(jì)算方法

(1)水通量計(jì)算方法

通過砂箱截面水通量的變化判定試驗(yàn)發(fā)生的堵塞程度。

(1)

式中：Q為通過砂箱截面的水通量,mL/s ；V為砂箱放空時流出的水的體積,mL；t為砂箱放空所需的時間,s。

(2)孔隙率計(jì)算方法

已知砂箱總體積為V，從砂箱頂端向柱內(nèi)注入自來水，至液面與砂箱液面齊平，打開砂箱下端出水閥，記錄出水體積為V1，即孔隙率為

(2)

式中：n為孔隙率；V1為排水總體積；V為土柱總體積。

(3)微生物總數(shù)計(jì)算方法

試驗(yàn)測定的是細(xì)菌菌落總數(shù)，對采集的回灌水樣中的細(xì)菌菌落總數(shù)進(jìn)行培養(yǎng)計(jì)數(shù)。將作為樣本的回灌水樣分別進(jìn)行稀釋后，從稀釋后的水樣中取1mL均勻地涂抹在瓊脂培養(yǎng)基上。在一定溫度下，培養(yǎng)一段時間后，記錄培養(yǎng)皿中的菌落數(shù)量。根據(jù)稀釋的倍數(shù)，計(jì)算每毫升原始樣品中所含的細(xì)菌菌落總數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 pH對回灌堵塞試驗(yàn)的影響結(jié)果

2.1.1 同一pH不同深度水通量變化

圖2為同一pH不同深度水通量變化情況。

圖2 同一pH不同深度水通量變化Fig.2 The variation of water flux with different layer in the same pH

pH=6.5時砂箱在22 d發(fā)生堵塞，是各pH值里堵塞發(fā)生最快的，堵塞發(fā)生時水通量為1.06 mL/s，占初始水通量的50%；pH=6、pH=7時砂箱發(fā)生堵塞的時間為24 d，堵塞發(fā)生時水通量分別是1.02 mL/s、0.89 mL/s，各占初始水通量的50.24%、51.89%；pH=8時砂箱發(fā)生堵塞時間為25 d，堵塞發(fā)生時水通量是0.98 mL/s，占初始水通量的50.51%；pH=7.5時砂箱在31 d發(fā)生堵塞，是堵塞發(fā)生最晚的，堵塞發(fā)生時水通量為0.96 mL/s,占初始水通量的52.71%。試驗(yàn)結(jié)束時，pH分別為6、6.5、7、7.5、8水通量分別下降了64.39%、69.34%、61.62%、60.59%、63.13%.pH為6.5、7.5、8、7、6的水通量下降程度由大到小。從圖2(a)和圖2(e)可看出，pH=6和pH=8時不同層深20 d水通量相比12 d水通量均有所上升，但上升幅度不是很大；圖2(b)和圖2(d)可知pH=6.5和pH=7.5時1 cm處20 d水通量相比12 d水通量出現(xiàn)大幅度上升，分別上升了1 156.52%和941.30%；pH=7時9 cm處20 d水通量相比12 d水通量上升了712.5%。這是因?yàn)?5 d反應(yīng)器出現(xiàn)了漏水的現(xiàn)象，導(dǎo)致上部砂箱沙子暴露在空氣中，微生物失水死亡，多孔介質(zhì)間的生物膜消失，再次灌水之后，因?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)之間沒有了生物膜阻塞，所以導(dǎo)致水通量增加。

2.1.2 pH變化對孔隙率的影響情況

表2為不同進(jìn)水pH下,試驗(yàn)時間為50d,各砂箱孔隙率隨時間變化。

表2 不同pH值的孔隙率Table 2 The variation of porosity in different pH

根據(jù)回灌水發(fā)生堵塞的時間、試驗(yàn)結(jié)束時水通量下降的比例及砂箱孔隙率變化情況可知，pH=6.5時發(fā)生堵塞的情況最為嚴(yán)重，相比初始水通量、初始孔隙率分別下降了69.34%、30.69%；pH=6和pH=8堵塞情況相近，相比初始水通量分別下降了64.39%、63.13%，相比初始孔隙率分別下降了35.67%、36.93%；pH=7和pH=7.5堵塞情況相近，相比初始水通量分別下降了61.62%、60.59%，相比初始孔隙率分別下降了38.37%、39.48%.pH為6.5、7.5、8、7、6的堵塞程度由重到輕。

2.1.3 同一深度不同pH微生物生長變化

圖3為相同深度不同pH微生物生長變化。從圖3中可以看出，在距離出水口1 cm、9 cm、15 cm處，pH=6.5時微生物量最多，接著是pH=7.5，然后是pH=8、PH=7、PH=6。

圖3 同一深度不同pH微生物生長變化情況

2.1.4 同一pH不同深度微生物生長變化

圖4為同一pH不同深度微生物生長變化情況。從圖4可以看出，pH分別為6、6.5、7、7.5時，微生物數(shù)量的增長速度較快，pH=6.5時微生物數(shù)量增長速度相對較快。36 d后微生物生長速度降低并趨于平緩。從圖4可看出，各pH值在距離出水口9 cm處微生物生長情況比其他深度微生物生長情況好，然后是15 cm處，最后是1 cm處。在不同深度時，pH=6.5微生物量相對較多，然后是pH=7.5，接著是pH=8、pH=7和pH=6。從掃描電鏡的結(jié)果可知，多孔介質(zhì)表面薄膜厚度增加，團(tuán)狀物較多，這是因?yàn)闈B濾液中的離子含量會隨著入滲深度的增加而降低，從而造成了隨著入滲深度的增加微生物生長量少的情況，夏璐等[16]認(rèn)為生物堵塞程度隨著滲流距離的增加而減緩，王宏宇[17]認(rèn)為砂柱各處懸浮態(tài)和附著微生物量距離入水口越遠(yuǎn)，減小趨勢越顯著，與筆者研究結(jié)果相似。砂箱最上端微生物量少則是因?yàn)樵诨毓嗨懦龊?，上部砂箱的多孔介質(zhì)中水量減少，甚至出現(xiàn)干燥現(xiàn)象，在干燥的條件下微生物出現(xiàn)大量死亡，導(dǎo)致微生物數(shù)量下降。

圖4 同一pH不同深度微生物生長變化情況Fig.4 Growth of microorganisms with different layer in the same pH

2.1.5 多孔介質(zhì)表面掃描電鏡分析

圖5為多孔介質(zhì)表面的對比。

圖5 多孔介質(zhì)表面掃描電鏡Fig.5 SEM of porous media surface

從圖5可以看出，試驗(yàn)前多孔介質(zhì)表面較為平坦，團(tuán)狀物較少，試驗(yàn)結(jié)束后多孔介質(zhì)表面覆蓋一層薄膜，厚度大約在20～50μm，團(tuán)狀物較多，試驗(yàn)后多孔介質(zhì)表面相對于試驗(yàn)前明顯有了堵塞物。

3 結(jié) 論

(1)在相同深度下，pH分別為6.5、7.5、8、7、6時的水通量下降程度由大到小。隨著層深的增加，pH分別為6.5、7.5、8、7、6時的微生物數(shù)量由多到少。

(2)微生物的生長數(shù)量受營養(yǎng)物濃度的影響，微生物主要生長在砂箱中間區(qū)域。因此，在地下水回灌時，應(yīng)對回灌水源中的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行檢測并處理。