pH对地下水源热泵回灌井生物堵塞的影响

亢 涵，王谋薇，潘 俊，藏春月

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168)

地下水源热泵作为一种高效、节能、环保、稳定的先进技术在国内迅速发展，目前国内大部分建筑已应用该技术，但在实际应用中，地下水源热泵的回灌效率会随着使用时间的增加而逐渐降低，甚至出现堵塞，致使抽出的水无法全部回灌到含水层中，从而造成资金和资源的浪费[1-2]。所以回灌堵塞已经成为制约地下水源热泵技术发展和应用的一大难题。在地下水人工补给系统中，微生物的生长和代谢作用造成的堵塞仅次于悬浮物堵塞，比例高达15%[3-5]。有效控制微生物在回灌井中的生长和代谢成为解决生物堵塞的关键因素。迄今为止，国内外部分学者一直在研究多孔介质中生物堵塞的过程及原因。K.Seki和M.Thullner等[6-7]认为，微生物自身和它的代谢产物(EPS)的累积会使多孔介质发生生物堵塞。S.W.Taylor等[8]发现微生物产生的气体会使介质中的空隙被填充，从而引发生物堵塞现象。张晓婉等[9]在进行室内砂柱渗流模拟试验中发现，微生物堵塞对含水介质渗透性有明显影响，试验初始阶段出现峰值后，砂柱上层微生物的数量迅速降低并保持稳定，而下层微生物数量始终维持在较低水平。微生物膜的生长导致含水介质渗透性降低[10-12]。潘俊等[13]认为在生物堵塞中，导致多孔介质渗透性降低的主要因素是细菌的化学衍生物。李璐等[14]认为在pH值发生变化时，铁离子在形成Fe(OH)3沉淀的同时凝聚成胶体，影响多孔介质的渗透性能。研究倾向对物理和化学回灌堵塞机理的较多，但对生物堵塞的研究机理尚不深入，微观层面的更少[15]。微生物生长的pH一般在2～8，但大多数微生物生长的pH为5～9。与微生物生长温度相同，pH同样也有最高、最低和最适pH。最适pH值范围内，微生物生长繁殖最快,不同的微生物最适pH范围不同。最高和最低pH范围内，微生物生长速度缓慢，甚至可能造成微生物死亡。笔者根据不同时期地下水pH的特点以及滑翔医院地区实际地下水源热泵回灌水可能的pH值范围，进行不同pH对地下水源热泵回灌生物堵塞的影响规律的研究。

1 试 验

1.1 试验用水

根据不同时期地下水pH的特点以及滑翔医院地区实际地下水源热泵回灌水可能的pH值范围，确定离子种类和离子质量浓度。试验人工回灌进水pH值分两部分:一部分为酸性，即pH=6、6.5配水体积为35 L；另一部分为中性和碱性，即pH分别为7、7.5、8，试验用水成分如表1所示，配水体积为35 L。

表1 试验用水Table 1 Test water

1.2 试验方法

1.2.1 试验装置

试验装置采用塑料材质砂箱，长宽高为67 cm×45 cm×34 cm。砂箱右侧每隔12 cm打孔，外接水箱水头，且填充根据盛京医院地下勘探地质情况分层灌装的25 cm多孔介质。砂箱中间倾斜放置一块铁板模拟回灌井井壁，厚度8 mm，高32 cm，外面缠有直径1.5 mmPVC材质线圈，以防止介质渗透到左侧模拟回灌井内。砂箱左侧底部设有出水口，装标准1/4球阀，同时设有蠕动泵循环进水。试验装置如图1所示。

图1 试验装置图Fig.1 Experimental setup

1.2.2 装 砂

(1)为了消除边壁效应，在砂箱内壁涂抹凡士林，然后在塑料砂箱内填入筛分得到的砂砾，压实，装填高度为25 cm。

(2)在试验开始前，从砂箱顶部缓慢倒入蒸馏水，直至水面没过多孔介质表面并高于其5 cm，静置12 h后观察是否出现漏水现象，即水面降低；若低于5 cm则继续倒入蒸馏水，使其保持在高于多孔介质表面5 cm，继续静置12 h；如无明显变化，则打开出水口，排空蒸馏水。

1.2.3 装置启动

关闭阀门，将配置好的试验用水沿着砂箱边缘缓慢倒入，直到砂箱内水面高于多孔介质5 cm，将其静置12 h，使回灌水样与空气充分接触，观察是否出漏水现象；若漏水，用试验用水将水面填补至原位，如无漏水现象，则打开右侧各阀门，分别测定其水通量。

1.2.4 计算方法

(1)水通量计算方法

通过砂箱截面水通量的变化判定试验发生的堵塞程度。

(1)

式中：Q为通过砂箱截面的水通量,mL/s ；V为砂箱放空时流出的水的体积,mL；t为砂箱放空所需的时间,s。

(2)孔隙率计算方法

已知砂箱总体积为V，从砂箱顶端向柱内注入自来水，至液面与砂箱液面齐平，打开砂箱下端出水阀，记录出水体积为V1，即孔隙率为

(2)

式中：n为孔隙率；V1为排水总体积；V为土柱总体积。

(3)微生物总数计算方法

试验测定的是细菌菌落总数，对采集的回灌水样中的细菌菌落总数进行培养计数。将作为样本的回灌水样分别进行稀释后，从稀释后的水样中取1mL均匀地涂抹在琼脂培养基上。在一定温度下，培养一段时间后，记录培养皿中的菌落数量。根据稀释的倍数，计算每毫升原始样品中所含的细菌菌落总数。

2 结果与分析

2.1 pH对回灌堵塞试验的影响结果

2.1.1 同一pH不同深度水通量变化

图2为同一pH不同深度水通量变化情况。

图2 同一pH不同深度水通量变化Fig.2 The variation of water flux with different layer in the same pH

pH=6.5时砂箱在22 d发生堵塞，是各pH值里堵塞发生最快的，堵塞发生时水通量为1.06 mL/s，占初始水通量的50%；pH=6、pH=7时砂箱发生堵塞的时间为24 d，堵塞发生时水通量分别是1.02 mL/s、0.89 mL/s，各占初始水通量的50.24%、51.89%；pH=8时砂箱发生堵塞时间为25 d，堵塞发生时水通量是0.98 mL/s，占初始水通量的50.51%；pH=7.5时砂箱在31 d发生堵塞，是堵塞发生最晚的，堵塞发生时水通量为0.96 mL/s,占初始水通量的52.71%。试验结束时，pH分别为6、6.5、7、7.5、8水通量分别下降了64.39%、69.34%、61.62%、60.59%、63.13%.pH为6.5、7.5、8、7、6的水通量下降程度由大到小。从图2(a)和图2(e)可看出，pH=6和pH=8时不同层深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；图2(b)和图2(d)可知pH=6.5和pH=7.5时1 cm处20 d水通量相比12 d水通量出现大幅度上升，分别上升了1 156.52%和941.30%；pH=7时9 cm处20 d水通量相比12 d水通量上升了712.5%。这是因为15 d反应器出现了漏水的现象，导致上部砂箱沙子暴露在空气中，微生物失水死亡，多孔介质间的生物膜消失，再次灌水之后，因为多孔介质之间没有了生物膜阻塞，所以导致水通量增加。

2.1.2 pH变化对孔隙率的影响情况

表2为不同进水pH下,试验时间为50d,各砂箱孔隙率随时间变化。

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

根据回灌水发生堵塞的时间、试验结束时水通量下降的比例及砂箱孔隙率变化情况可知，pH=6.5时发生堵塞的情况最为严重，相比初始水通量、初始孔隙率分别下降了69.34%、30.69%；pH=6和pH=8堵塞情况相近，相比初始水通量分别下降了64.39%、63.13%，相比初始孔隙率分别下降了35.67%、36.93%；pH=7和pH=7.5堵塞情况相近，相比初始水通量分别下降了61.62%、60.59%，相比初始孔隙率分别下降了38.37%、39.48%.pH为6.5、7.5、8、7、6的堵塞程度由重到轻。

2.1.3 同一深度不同pH微生物生长变化

图3为相同深度不同pH微生物生长变化。从图3中可以看出，在距离出水口1 cm、9 cm、15 cm处，pH=6.5时微生物量最多，接着是pH=7.5，然后是pH=8、PH=7、PH=6。

图3 同一深度不同pH微生物生长变化情况

2.1.4 同一pH不同深度微生物生长变化

图4为同一pH不同深度微生物生长变化情况。从图4可以看出，pH分别为6、6.5、7、7.5时，微生物数量的增长速度较快，pH=6.5时微生物数量增长速度相对较快。36 d后微生物生长速度降低并趋于平缓。从图4可看出，各pH值在距离出水口9 cm处微生物生长情况比其他深度微生物生长情况好，然后是15 cm处，最后是1 cm处。在不同深度时，pH=6.5微生物量相对较多，然后是pH=7.5，接着是pH=8、pH=7和pH=6。从扫描电镜的结果可知，多孔介质表面薄膜厚度增加，团状物较多，这是因为渗滤液中的离子含量会随着入渗深度的增加而降低，从而造成了随着入渗深度的增加微生物生长量少的情况，夏璐等[16]认为生物堵塞程度随着渗流距离的增加而减缓，王宏宇[17]认为砂柱各处悬浮态和附着微生物量距离入水口越远，减小趋势越显著，与笔者研究结果相似。砂箱最上端微生物量少则是因为在回灌水排出后，上部砂箱的多孔介质中水量减少，甚至出现干燥现象，在干燥的条件下微生物出现大量死亡，导致微生物数量下降。

图4 同一pH不同深度微生物生长变化情况Fig.4 Growth of microorganisms with different layer in the same pH

2.1.5 多孔介质表面扫描电镜分析

图5为多孔介质表面的对比。

图5 多孔介质表面扫描电镜Fig.5 SEM of porous media surface

从图5可以看出，试验前多孔介质表面较为平坦，团状物较少，试验结束后多孔介质表面覆盖一层薄膜，厚度大约在20～50μm，团状物较多，试验后多孔介质表面相对于试验前明显有了堵塞物。

3 结 论

(1)在相同深度下，pH分别为6.5、7.5、8、7、6时的水通量下降程度由大到小。随着层深的增加，pH分别为6.5、7.5、8、7、6时的微生物数量由多到少。

(2)微生物的生长数量受营养物浓度的影响，微生物主要生长在砂箱中间区域。因此，在地下水回灌时，应对回灌水源中的营养物质进行检测并处理。