摘 要：以地下水源熱泵回灌過程中大腸桿菌堵塞作為研究對象，通過自主研發(fā)的砂層顆粒遷移-沉積試驗系統(tǒng)觀察大腸桿菌在多孔介質孔隙孔道內的運移、沉積。以3種不同長度的試驗箱體開展大腸桿菌在多孔介質里的運移沉積規(guī)律，通過試驗得出：1）石英石顆粒內部的內摩擦力有利于大腸桿菌的沉積，流動速度對大腸桿菌引起的微生物堵塞起到關鍵作用：2）3種（60、80、100 cm）不同長度的試驗箱體在流速作用下以100和80 cm為對象，其沉積率提高了57.1%；以80和60 cm為對比對象，其沉積率提高了27.3%；3）大腸桿菌的恢復率與流體速度也成正相關作用，其堵塞原理類似沉積率特性。

關鍵詞：地下水源熱泵；大腸桿菌；多孔介質；沉積特性；遷移沉積；試驗系統(tǒng)

中圖分類號：TK01+8；TU831 文獻標志碼：A

0 引 言

中國的地下水源熱泵分布主要集中在兩淮（淮南、淮北）及長江流域，而地下水的流動往往受水力梯度的影響［1］，對地下水源豐富地區(qū)水源熱泵特性的研究顯得非常重要。但由于河網(wǎng)密布區(qū)域往往受江河切割影響較大。中國地下水源熱泵工程主要分布于長江中下游及淮河等河網(wǎng)密布、地下水資源較豐富的地區(qū)。在河湖沿岸區(qū)域，地下水源熱泵抽回灌含水層往往被江河湖切割，地下水與江河湖水力聯(lián)系密切［1］。因此，江河湖沿岸區(qū)域地下水源熱泵工程回灌含水層中呈現(xiàn)出飽和-非飽和及可能停井期周期性變化規(guī)律。地下水是顆粒的運移載體，水位高度將顯著影響顆粒在地層多空介質孔隙通道內的運移、沉積特性。因此，對水源熱泵回灌井因微生物堵塞引起的運移-沉積參數(shù)的研究，對解決兩淮及長江流域因地下水回灌困難問題具有重要的意義，同時該研究對闡述水環(huán)境引起地表沉降也具有參考價值。開展砂層中回灌顆粒運移沉積特性研究，對闡明長江及淮河流域地下水源熱泵回灌堵塞機理，解決其誘發(fā)的地質環(huán)境災害的關鍵性問題具有重要意義，同時也符合國家生態(tài)文明建設需求。

國內外學者在物理堵塞方面已做了大量貢獻，在機理分析研究上，主要側重于物理堵塞、微生物堵塞和化學堵塞3方面。在物理堵塞上，趙軍等［2-4］研究了介質在不同傳播長度作用下物理堵塞分析，得出介質長度的不同其堵塞程度的不同，同時推導了物理堵塞數(shù)學模型；Bear［5］、Guo 等［6］通過試驗發(fā)現(xiàn)顆粒粒徑越小其吸附越強；Mesticou 等［7］、Godinho 等［8］研究發(fā)現(xiàn)提高pH 值和降低離子濃度都可增加顆粒的沉積特性；Cervantes 等［9］研究得出在大顆粒運移過程中其速度往往高于小顆粒的遷移；Bergendahl 等［10］通過模型驗證了巖石孔隙中顆粒的拖拽力、靜電力對膠體顆粒的滯留濃度和滲透系數(shù)有直接影響。在國內，關于地下水源熱泵微生物堵塞回灌困難的研究可供參考的文獻較少，本文利用自主研發(fā)的砂層堵塞系統(tǒng)研究同一濃度下大腸桿菌累積在不同傳播介質長度里運移沉積所引起堵塞問題。文中聚焦水源熱泵地下水回灌過程中的微生物阻塞演化機理問題開展研究，首先通過建立大腸桿菌堵塞模型，再通過室內試驗驗證模型的可行性，研究成果可為實際回灌工程提供一定的參考。

1 理論模型建立

大腸桿菌在多孔介質孔隙孔道里的流動可用遷移-對流流動方程來表示，假定巖土體為各向同性的不可壓縮體；多孔介質孔隙單一且其直徑不隨大腸桿菌的沉積而發(fā)生改變；注入的大腸桿菌密度不變。

式中：C——大腸桿菌在多孔介質中的濃度，CFU/L；D——分散系數(shù)，cm2/s；u——大腸桿菌的流動速度，cm/s；Kd——大腸桿菌的沉積系數(shù)， L/h；x——大腸桿菌的運移距離，m；t——時間，s。

本次試驗采用3 種不同長度（60、80、100 cm）的箱體在不同濃度的大腸桿菌、在各角度上散射光強的變化反演出大腸桿菌群的濃度分布情況，在試驗箱體的出口3 處取出水溶液樣品，每隔1 min 用流出液進行濁度取樣測試，并使用濁度分析儀監(jiān)測流出口處大腸桿菌的濃度。

3 試驗結果分析

為驗證文中所推導的關于大腸桿菌運移沉積模型的正確性，特進行如下基本試驗，試驗中分別采用3 種不同長度（60、80、100 cm）的箱體，在試驗箱體分批次填充石英石顆粒，然后注入經(jīng)過消殺后的自來水，最后注入經(jīng)過48 h 培養(yǎng)后的大腸桿菌菌種，便于探索大腸桿菌的阻塞機理，本次試驗大腸桿菌的濃度統(tǒng)一采用8×109 CFU/mL，利用高強度光源LED 和攝像系統(tǒng)觀測大腸桿菌的沉積。同時結合出口處的液樣，利用濁度儀分析大腸桿菌的沉積率Kdep 和恢復率R 的值。對試驗數(shù)據(jù)進行整理匯總后分別得出圖3 和圖4 的曲線圖。

從圖3 可看出，在注入相同濃度的大腸桿菌菌種后，在不同的介質長度里沉積率和速度都呈現(xiàn)先增長后減小的情況，但3 種不同長度的箱體均會出現(xiàn)臨界速度，其值分別為0.50、0.60、0.78 cm/s，當突破臨界速度后沉積率呈現(xiàn)陡降下落，但隨著流體的速度繼續(xù)增加，沉積率再次降低；主要原因可能為在剛開始注入大腸桿菌階段，剛開始階段流體速度較小，石英石顆粒間的咬合力及摩擦力有利于大腸桿菌的增長和繁殖，故此時沉積率增加的速度很快。以箱體長度為100 和80 cm 作比較后發(fā)現(xiàn)，臨界速度增加值達57.1%，同理以80和60 cm 為例，同樣作比較后發(fā)現(xiàn)臨界速度增加值達27.3%，但隨著流體速度的增加從圖3 可發(fā)現(xiàn)大腸桿菌的沉積率越來越低，這說明流體速度會影響沉積在石英石孔隙孔道內的大腸桿菌，故要使回灌效率提高適當?shù)奶岣呋毓嗟牧魉賹λ礋岜孟到y(tǒng)是有利的，這也為地下水源熱泵回灌微生物堵塞機理提供了一定的理論支撐。

從圖4 可看出，試驗中，介質長度的變化對恢復率的影響較明顯，箱體長度越長恢復率越小，試驗箱體越短其恢復率越大。其原理與圖3 中關于沉積率一致。

4 結 論

本文通過自主研發(fā)的砂層顆粒遷移-沉積試驗系統(tǒng)觀察大腸桿菌在多孔介質孔隙孔道內的運移、沉積，以3 種不同長度的試驗箱體開展大腸桿菌在多孔介質里的運移沉積規(guī)律，通過對比性試驗得出如下結論：

1）石英石顆粒內部的內摩擦力有利于大腸桿菌的沉積，流動速度對大腸桿菌引起的微生物堵塞起到關鍵作用。

2）3 種不同長度（60、80、100 cm）的試驗箱體在流速作用下，以100 和80 cm 為對象，其沉積率提高了57.1%；以80 和60 cm 為對比對象，其沉積率提高了27.3%。

3）大腸桿菌的恢復率與流體速度也成正相關作用，其原理類似沉積率，試驗研究結論對地下水源熱泵回灌微生物堵塞具有現(xiàn)場指導意義。

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基金項目：國家自然科學基金（51204168）；深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室項目（SKLMRDPC23KF13）