李 卓,卞大中,閻淑平

(1.天津科技大學(xué)濱海地下水利用與保護(hù)研究室,天津 300457;2.天津市東麗區(qū)水務(wù)局,天津 300300;3.天津市東麗區(qū)西減河管理所,天津 300300;4.天津市東麗區(qū)地下水資源管理辦公室,天津 300300)

1 問(wèn)題的提出

隨著天津市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度突飛猛進(jìn),能源的需求量也日漸增大,而目前煤炭?jī)r(jià)格不斷攀升。促使地源熱泵進(jìn)入了高速發(fā)展階段。通過(guò)近10 a的發(fā)展,規(guī)模不斷擴(kuò)大,獲得了明顯的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益。

但是,深層地下淡水回灌過(guò)程中會(huì)受到多種因素的影響,有數(shù)不清的化學(xué)和物理化學(xué)等反應(yīng)。部分機(jī)井由于回灌方式欠妥,發(fā)生了回灌井堵塞,使機(jī)井回灌能力迅速衰減,現(xiàn)已引起各有關(guān)部門的關(guān)注。

2 回灌堵塞分類

回灌量大小與水文地質(zhì)條件、成井工藝、回灌方法等因素有關(guān),其中水文地質(zhì)條件是影響回灌量的主要因素。本文主要對(duì)回灌堵塞問(wèn)題進(jìn)行探討,尋找堵塞的主要原因。

回灌堵塞大體可以分為3種,即:物理堵塞、化學(xué)堵塞和生物堵塞。

2.1 物理堵塞

物理堵塞:懸浮物堵塞、含水層細(xì)顆粒重組、氣泡阻塞等。

(1)懸浮物堵塞:回灌水中的懸浮物堵塞多孔介質(zhì)的孔隙,使回灌井的回灌能力不斷減小直到無(wú)法回灌,這是堵塞中常見的情況。通過(guò)預(yù)處理控制回灌井中懸浮物的含量是防止堵塞的主要方法。

利用東麗區(qū)華泰現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)的水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了回灌試驗(yàn),該產(chǎn)業(yè)園區(qū)在2003年開鑿了2眼地?zé)峋?華泰1號(hào) (回灌井)、華泰2號(hào) (抽水井),安裝了水源熱泵系統(tǒng),以此進(jìn)行熱儲(chǔ)能為溫室大棚供暖。在試驗(yàn)中使用英國(guó)Malvern公司的MASTERSIZER-2000 M對(duì)華泰2號(hào)井原水樣進(jìn)行粒徑測(cè)試。

表1 華泰2號(hào)井水樣粒度分析結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知(見表1),測(cè)定數(shù)據(jù)重復(fù)性較好,且3種樣品的粒徑中值差別不大,其中3號(hào)樣品的粒徑中值最小,為1.151 μ m,2號(hào)樣品的粒徑中值最大,為1.818 μ m。粒徑基本集中在1.057～2.246 μ m之間,占總數(shù)的93.71%,另有個(gè)別粒子在2.510～5.812 μ m之間,但其最大粒徑為19.55 μ m;回灌水樣品的粒徑基本集中在 1.057～1.849 μ m之間,占總數(shù)的98.28%,最大粒子為20.87 μ m,但體積百分?jǐn)?shù)在這一粒徑范圍內(nèi)占到75.5%?？梢?粒徑小于2.510 μ m的粒子數(shù)量較多,目前回灌井過(guò)濾器一般使用為 35 μ m的濾芯,這樣水中90%以上的粒子都回灌到含水層中,長(zhǎng)期運(yùn)行勢(shì)必會(huì)堵塞多孔介質(zhì)的孔隙。

(2)含水層細(xì)顆粒重組:多數(shù)回灌井也作開采井使用,由于抽、灌引起井壁周圍含水層的細(xì)顆粒介質(zhì)的重組,從而形成堵塞。

(3)氣泡阻塞:回灌水在流動(dòng)過(guò)程中,各類溶解性氣體因溫度、壓力的變化不斷被釋放和溶解,同時(shí)生化反應(yīng)也產(chǎn)生氣體物質(zhì)(如生成氮?dú)夂偷趸?,從而影響介質(zhì)孔隙造成堵塞。

2.2 化學(xué)堵塞

化學(xué)堵塞主要是回灌水中所含物質(zhì)與巖層礦物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后形成堵塞。

當(dāng)回灌水與含水層介質(zhì)或地下水不相容或溫度上升時(shí),可能引起某些化學(xué)反應(yīng),不僅形成的化學(xué)沉淀堵塞水流通道,甚至可能因新生成的化學(xué)物質(zhì)而影響水質(zhì)。因化學(xué)引起的水質(zhì)問(wèn)題應(yīng)視具體情況具體分析。如圖1所示,當(dāng)溫度上升其碳酸鈣的溶解度下降發(fā)生化學(xué)沉淀[1]。

圖1 碳酸鈣的溶解度與溫度的關(guān)系圖

水中的CO2含量高低對(duì)其溶解能力有很大的影響,含量高時(shí)能較多地將地層中難溶的CaSO4·2H2O、CaCO3及MgCO3溶解,在水中形成可溶性的硫酸鹽、重碳酸鹽,當(dāng)高含量的CO2的地下水從地層中抽出,因壓力降低CO2的分壓力變小,使CO2含量減少;如回灌時(shí)沒(méi)有進(jìn)行密閉,而進(jìn)行曝氣流入井內(nèi),CO2含量進(jìn)一步減少 (見表2),有可能成為過(guò)飽和溶液向固相轉(zhuǎn)化[2]。

表2 水中游離CO2含量與水滴落時(shí)間關(guān)系表 ppm

另外,由于回灌水中的離子和回灌含水層水中離子成分有差異,使含水層黏土顆粒上的陽(yáng)離子發(fā)生交換,種交換會(huì)導(dǎo)致黏粒的膨脹和擴(kuò)散。再有如回灌時(shí)沒(méi)有進(jìn)行密閉,而是曝氣流入井內(nèi),回灌水的氧氣含量則會(huì)增高(見表3),使含水層中的還原物質(zhì)發(fā)生氧化,導(dǎo)致體積的膨脹產(chǎn)生堵塞[3]。

表3 水的落下距離與氧的吸收量的關(guān)系表 (原水的含氧量為2.25 mL/L)

2.3 生物堵塞

微生物可能在適宜的條件下在回灌井周圍迅速繁殖,形成生物膜,堵塞介質(zhì)孔隙,降低含水層的導(dǎo)水能力,從而形成堵塞。

對(duì)地下水質(zhì)影響較大的有3種細(xì)菌:硫酸鹽還原菌(SRB),鐵細(xì)菌(FB)及腐生菌(TGB)。

在東麗區(qū)華泰現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)的水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行的回灌試驗(yàn)中進(jìn)行了不同段水樣的細(xì)菌分析。以華泰1號(hào)地?zé)峋隹跒榈谝徊蓸狱c(diǎn),測(cè)定溫度為73℃,即為原水樣品;以管路中間點(diǎn)為第二采樣點(diǎn),測(cè)定溫度為51℃;在地?zé)崴芫W(wǎng)的末端為第三采樣點(diǎn),測(cè)定溫度為41℃。實(shí)驗(yàn)采用絕跡稀釋法進(jìn)行,測(cè)定結(jié)果(見表4)表明在原水樣品中硫酸鹽還原菌 (SRB),鐵細(xì)菌(FB)及腐生菌(TGB)3種細(xì)菌都未檢出,而在其它溫度的樣品中,SRB、FB、TGB3種細(xì)菌含量有不同程度的增加。

表4 華泰1號(hào)地?zé)峋⑸餀z定結(jié)果

比較3種細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可發(fā)現(xiàn),硫酸鹽還原菌在溫度由51℃變化到41℃時(shí),增加了2～3個(gè)數(shù)量級(jí),而鐵細(xì)菌含量增加了1～2個(gè)數(shù)量級(jí),腐生菌只增加了1個(gè)數(shù)量級(jí)左右,由此可見,硫酸鹽還原菌在適宜的條件下在回灌井周圍迅速繁殖,形成生物膜,從而形成堵塞。如果安裝精度級(jí)別為1 μ m靜過(guò)濾器,可使部分細(xì)菌濾除,部分防止生物膜的形成。

3 回灌井堵塞的判別方法及處理措施

3.1 回灌井堵塞的判別方法

回灌生產(chǎn)運(yùn)行時(shí),一旦發(fā)生以下一種或幾種現(xiàn)象,即可判斷系統(tǒng)出現(xiàn)了堵塞現(xiàn)象[4]:①隨著時(shí)間的增長(zhǎng),回灌井的水位突然上升或連續(xù)升,單位回灌量逐漸減少;②當(dāng)保持一定水頭時(shí),隨著回灌時(shí)間的增長(zhǎng)回灌量逐漸減少;③當(dāng)保持一定回灌量時(shí),隨著時(shí)間的增長(zhǎng),回灌水位逐漸上升,以致水從井口溢出;④回灌井經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行以后,單位回灌量或回?fù)P時(shí)單位用水量逐年減少。

3.2 回灌井堵塞的處理措施

根據(jù)回灌井產(chǎn)生堵塞性質(zhì)和原因,可采取連續(xù)反沖法、化學(xué)處理法和滅菌法等處理方法。

(1)對(duì)于回灌管路的堵塞,可直接用連接反沖洗方法處理,對(duì)于回灌井本身產(chǎn)生的堵塞,可用間歇停泵反沖洗與壓力灌水相結(jié)合的方法處理;

(2)對(duì)于CaCO3等化學(xué)沉淀產(chǎn)生的堵塞,且與砂膠合成Ca質(zhì)或Fe質(zhì)結(jié)垢,在井壁管路上已形成堅(jiān)硬的水垢時(shí),一般可用HCL(濃度10%,加酸洗抗蝕劑)使之生成溶解性的CaCL2來(lái)處理。

(3)回灌系統(tǒng)中除安裝粗過(guò)濾器外,最好還同時(shí)安裝精度級(jí)別為1μ m的精過(guò)濾器,不僅要對(duì)懸浮物進(jìn)行過(guò)濾,而且通過(guò)啟用精過(guò)濾器將孔隙水中滋生的部分細(xì)菌濾掉,有效防止回灌井內(nèi)的微生物堵塞,國(guó)外有關(guān)研究也證明了這一點(diǎn)[5](見圖2)。

圖2 水中0.1～1 μ m的物質(zhì)種類和過(guò)濾方法示意圖

(4)將回灌井進(jìn)行密封,使回灌井處于真空狀態(tài),避免空氣的進(jìn)入,經(jīng)常檢查回灌裝置的密封效果,如發(fā)現(xiàn)漏氣,及時(shí)處理,有效控制氣泡堵塞。

4 結(jié)論及建議

(1)加強(qiáng)對(duì)回灌井施工的監(jiān)督和管理,保障成井質(zhì)量,在成井時(shí)應(yīng)加強(qiáng)洗井,充分清洗巖層裂隙通道。

(2)進(jìn)行回灌作業(yè)過(guò)程中,如發(fā)生堵塞,應(yīng)立即停灌,深入分析堵塞原因,針對(duì)具體情況及時(shí)采取有效的措施進(jìn)行處理。如果提高過(guò)濾器的級(jí)別為1 μ m,可使絕大多數(shù)回灌水中粒子以及部分細(xì)菌濾除,防止發(fā)生堵塞。

(3)隨時(shí)掌握好回灌量和地下水水位的動(dòng)態(tài)變化,定期檢測(cè)水質(zhì),對(duì)沒(méi)有達(dá)標(biāo)的項(xiàng)目及時(shí)采取處理措施。

(4)目前,天津地區(qū)有些回灌系統(tǒng)(孔隙型)中堵塞問(wèn)題比較復(fù)雜,是懸浮固體顆粒引起的物理堵塞、細(xì)菌引起的生物堵塞、化學(xué)沉淀堵塞和氣體堵塞等綜合作用的結(jié)果,處理起來(lái)比較麻煩,還需進(jìn)一步研究。

(5)防止堵塞的措施應(yīng)根據(jù)水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果而優(yōu)化定制,選擇對(duì)預(yù)處理水質(zhì)最有針對(duì)性的方法:既要保持回灌水質(zhì)符合要求,又要防止過(guò)度處理以增加不必要的投資,造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。

[1]豐田環(huán)吉 [日].工業(yè)用水及其水質(zhì)管理[M].吳自邁,譯.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1978:293.

[2]豐田環(huán)吉 [日].吳自邁,譯.工業(yè)用水及其水質(zhì)管理 [M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1978:47.

[3]豐田環(huán)吉 [日].吳自邁,譯.工業(yè)用水及其水質(zhì)管理 [M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1978:47.

[4]天津市國(guó)土資源和房屋管理局.天津市地?zé)峄毓噙\(yùn)行操作規(guī)程(試行)[S].2006.

[5]美國(guó)陶氏化學(xué)公司液體分離事業(yè)部.反滲透和納濾膜元件技術(shù)手冊(cè)[S].1998.