潘 俊,宋佳蓉,王昭怡,杜曉宇,皮 堯,穆怡陶(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110168)

地下水人工回灌是增加地下水資源、防止地面沉降和供熱制冷,減小能源消耗的技術(shù)。人工回灌技術(shù)的關(guān)鍵難題是解決回灌過程中的堵塞問題[1]。研究堵塞機(jī)理和堵塞造成的滲流規(guī)律是解決由回灌堵塞導(dǎo)致的人工回灌效率的下降及回灌設(shè)備壽命降低的前提[2]。

回灌堵塞主要由含水介質(zhì)的滲透能力降低及氣阻導(dǎo)致的回灌水難以灌入造成的。根據(jù)堵塞成因不同,地下水源熱泵堵塞一般分為物理堵塞、化學(xué)堵塞和生物堵塞[3]。而由于回灌水中含微生物種類較多,與當(dāng)?shù)厮|(zhì)相關(guān)性大,導(dǎo)致堵塞的機(jī)理復(fù)雜,研究較少。已有研究表明,在微生物導(dǎo)致的堵塞中,引起介質(zhì)的滲透性能降低主要由微生物本身和微生物分泌于體外的一些高分子聚合物以及生物化學(xué)作用下生成的不溶性固體[4]占據(jù)了含水介質(zhì)的孔隙通道和孔喉處的累積造成[5]。隨著非飽和理論的發(fā)展,導(dǎo)氣率和滲透性關(guān)系密切[6],氣阻導(dǎo)致的回灌水難以灌入則是由一部分產(chǎn)氣菌在代謝過程中產(chǎn)氣造成[7]。二價鐵離子濃度為0.3～0.4mg/L時,堵塞發(fā)生迅速[8],在鐵離子含量較高地區(qū),潘俊等指出好氧鐵細(xì)菌(FB)可促進(jìn)鐵的氧化作用[9],使鐵氧化的速率提升數(shù)倍[10]。Gu B在滲透性反應(yīng)墻內(nèi)發(fā)現(xiàn)了大量的厭氧硫酸鹽還原菌(SRB)[11]。多數(shù)研究均在堵塞發(fā)生處發(fā)現(xiàn)了大量的SRB及FB,但對兩種細(xì)菌造成堵塞的機(jī)理及滲流規(guī)律及應(yīng)用在水源熱泵的回灌堵塞過程中的研究較少。

基于此,筆者本次通過室內(nèi)砂柱模擬在FB與SRB參與下的間歇性回灌,通過測定水通量、砂柱中細(xì)菌胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)含量、細(xì)菌含量及產(chǎn)生的氣體體積的變化分析微生物回灌堵塞的特征。采用XRD衍射分析不同菌種參與回灌一段時間后生成的不溶性固體。得出不同滲流時期堵塞的成因,為微生物堵塞的研究機(jī)理提供進(jìn)一步依據(jù)。

1 原水微生物培養(yǎng)及試驗與檢測方法

1.1 原水微生物培養(yǎng)

取沈陽理工大學(xué)地下水源熱泵回灌水進(jìn)行SRB及FB培養(yǎng),鐵細(xì)菌采用Winogradsky固體培養(yǎng)基[12],硫酸鹽還原菌采用鑒別培養(yǎng)基[13],培養(yǎng)結(jié)果見圖1。結(jié)果表明在沈陽理工大學(xué)處采集的回灌水中含有鐵細(xì)菌及硫酸鹽還原菌,以此開展對SRB及FB兩種微生物堵塞的室內(nèi)試驗。

圖1 原水培養(yǎng)細(xì)菌Fig.1 Raw water culture bacteria

圖2 回灌裝置Fig.2 Recharging device

1.2 試驗方法

1.3 檢測方法

鐵細(xì)菌為固體培養(yǎng)基,計數(shù)方法為平板直接計數(shù)法,硫酸鹽還原菌采用液體培養(yǎng)基,計數(shù)方法為三管平行絕跡稀釋法[14]。EPS由硫酸提取法進(jìn)行提取[15],由于EPS的主要成分為蛋白質(zhì)和多糖[16],約占EPS總量的75%～80%[17],所以本次試驗以蛋白質(zhì)及多糖總含量代替EPS含量。蛋白質(zhì)利用紫外分光度法進(jìn)行檢測,多糖利用5%苯酚硫酸法進(jìn)行檢測。并在試驗結(jié)束后取原砂樣與兩細(xì)菌組砂樣進(jìn)行XRD衍射分析。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 水通量、細(xì)菌EPS含量變化規(guī)律

圖3為水通量和2、3號孔菌種EPS含量隨時間變化的曲線。

圖3 水通量及細(xì)菌EPS含量變化規(guī)律Fig.3 Variation in water flux and bacterial EPS content

SRB及FB的水通量和2、3號孔細(xì)菌EPS含量的變化趨勢基本一致,隨著時間的增加,2、3號孔細(xì)菌EPS含量均逐漸增加,水通量減小,并且2號孔的EPS含量大于3號孔的EPS含量。

從圖3(a)觀察SRB的水通量在前3天急劇下降,第3天為轉(zhuǎn)折點開始堵塞,由初始的5.91 mL/s下降到1.91 mL/s,下降了67.68%,之后下降趨勢有所變緩并且有波動,在第11d后持續(xù)下降到最低0.91 mL/s。2號孔的EPS含量在前6天隨時間的增加平緩上升,到第6天出現(xiàn)了小高峰,隨后波動,但呈增加趨勢。由初始的35.42 mg/g增加至403.08 mg/g,在試驗結(jié)束時達(dá)到最高峰,3號孔的EPS含量同樣在第6天出現(xiàn)小高峰,其后在一定范圍波動。這是因為在回灌過程中,含水介質(zhì)中的細(xì)菌生長時伴隨著由于代謝產(chǎn)生的聚合物、表面脫落的基質(zhì)、細(xì)菌溶解物的綜合物質(zhì),并且黏膠狀的綜合物質(zhì)附著在細(xì)菌表面或纏繞于細(xì)菌周圍,會增加細(xì)菌的黏附力,導(dǎo)致菌體更易吸附和聚集到載體表面[18],從而造成堵塞。而2號孔與3號孔EPS的變化規(guī)律不同,則可能由于3號孔距離回灌入口較遠(yuǎn),而營養(yǎng)物質(zhì)及菌液隨滲流的距離的增加而有所減少導(dǎo)致的。

從圖3(b)觀察FB的水通量同樣在第3天為轉(zhuǎn)折點,由初始的4.01 mL/s下降到1.45 mL/s,下降了63.84%,之后下降趨勢與SRB的水通量趨勢一致,試驗結(jié)束時下降到0.5 mL/s。第2天水通量有所上升,原因可能為裝填砂樣時松散留有部分空隙,第1天的回灌水沖散了一部分在入口的砂樣。FB的2號和3號孔的EPS含量在試驗前期與中期SRB的EPS含量增長趨勢一樣,造成堵塞原因一致。但試驗后期有所減小,則是由于細(xì)菌數(shù)量過大,對營養(yǎng)的競爭死亡,存活的細(xì)菌降解自身EPS進(jìn)入內(nèi)源呼吸,導(dǎo)致的EPS小幅度減少[18],但并未引起堵塞緩解。EPS含量與含水介質(zhì)滲透性能的降低密切相關(guān),是造成SRB及鐵細(xì)菌堵塞的主要因素。

2.2 微生物含量變化規(guī)律

圖4為SRB及鐵細(xì)菌兩孔每克砂樣微生物量及細(xì)菌EPS含量隨時間的變化曲線。

隨著時間的增加,EPS含量的增加,SRB及FB的含量呈現(xiàn)出波動狀態(tài),說明微生物是有生長死亡周期的。由圖4(a)、(c)觀察出SRB前4 d是生長期,進(jìn)口處的菌量達(dá)到4.6×104個/mL,5～7 d為衰亡期,菌量僅達(dá)到4×102個/mL,為生長期的9%。8～9 d生長,10～11 d衰亡后又增長。進(jìn)口處FB的生長周期為1～3 d,微生物數(shù)量為4.3×106個/mL,衰亡期為4～5 d,微生物數(shù)量減小到1×104個/mL,后有增有減。圖4(b)、(d)可知3號孔處SRB生長期量為4.1×104個/mL,FB量為3.13×106個/mL,衰亡期SRB量為1.5×102個/mL,FB為3×105個/mL,波動幅度較小,但周期大致相同,可得出微生物在滲流砂柱內(nèi)的生長與衰亡期大約為4 d。

由此可知,滲流實驗初期,EPS含量增長幅度較小,介質(zhì)的滲透性能降低主要是微生物本身引起的,菌體本身占據(jù)了含水介質(zhì)的孔隙通道和孔喉處的累積形成堵塞[5],以及回灌水中硫酸鹽在SRB 的作用下被還原與Fe2+反應(yīng)形成的FeS,一種黑色沉淀[19],有研究表明FeS易黏附腐殖質(zhì)和有機(jī)物[20],反應(yīng)式如下：

由于鐵離子被FB氧化生成沉淀,這些沉淀會聚集黏在菌體周圍的菌絲上,形成棕色的黏泥,并且FB自身釋放的可以催化鐵氧化反應(yīng)的酶促進(jìn)了鐵氧化的過程[21]。

在微生物進(jìn)入衰亡期后,水通量小幅度回升,EPS含量持續(xù)增長,推斷含水介質(zhì)的滲透性能降低主要是由EPS含量增加導(dǎo)致的。7～9 d主要是細(xì)菌與EPS共同作用導(dǎo)致介質(zhì)的滲透性能下降(圖4)。在3號孔處,SRB、FB數(shù)量波動較小,則是由滲流途徑的遠(yuǎn)近導(dǎo)致的。

圖4 每克砂樣微生物量及EPS量隨時間的變化Fig.4 Changes in microbial biomass per gram of sand and the amount of EPS time

2.3 SRB產(chǎn)氣變化規(guī)律

圖5為SRB產(chǎn)生H2S氣體體積與放氣后進(jìn)水量隨時間變化規(guī)律的對比圖,SRB室內(nèi)砂柱在第4、6、8、9、10、11、12、14天均能記錄到產(chǎn)出的氣體。

圖5 SRB產(chǎn)H2S氣體變化規(guī)律Fig.5 Variation law of the SRB gas production

圖6 產(chǎn)氣實物圖Fig.6 Diagram showing the gas generating object

如圖6所示,室內(nèi)砂柱的產(chǎn)氣量與放氣后進(jìn)水量基本一致,差額部分應(yīng)為間歇性回灌進(jìn)水時有部分空氣隨水進(jìn)入造成。由于柱內(nèi)存在氣體,水進(jìn)入使氣體壓縮,氣體壓強(qiáng)略大于液體壓強(qiáng),產(chǎn)生氣阻導(dǎo)致水在未放氣前回灌水難以灌入,造成回灌量減少。圖7為進(jìn)水與出水硫化物濃度對比,證明SRB組產(chǎn)生了硫化氫氣體。反應(yīng)方程式為：

圖7 進(jìn)水與出水硫化物濃度對比Fig.7 Comparison of influent and effluent sulfide concentration

以第10 d為例進(jìn)行詳細(xì)分析,由氣體定律PV=nRT,其中T=t+273.15,t=25 ℃；可得氣體壓強(qiáng):P=[35.73×8.31×(273.15+2)]/791.28=111.86 Pa

由液體壓強(qiáng)公式p=ρgh,ρ為25 ℃時水的密度,0.997g/cm3,h為水頭高度1 cm;可液體壓強(qiáng)為P=0.977×9.8×10×1=95.75 Pa。

FB組在試驗期間只記錄到了3 d產(chǎn)生少部分氣體,因此未進(jìn)行記錄?？梢猿醪秸J(rèn)為SRB造成的回灌堵塞是微生物、EPS及硫化氫氣體共同作用。

2.4 原砂樣、SRB、FB砂樣XRD衍射圖

圖8 砂樣XRD圖譜Fig.8 Sand sample XRD pattern

由圖8可以看出,FB砂樣和SRB砂樣的衍射圖譜在原砂樣衍射圖譜的基礎(chǔ)上,在其他衍射角處有峰值出現(xiàn)。圖8(b)在2θ=67.95°處有特征峰出現(xiàn),經(jīng)比對該特征峰與FeS的X射線衍射標(biāo)準(zhǔn)卡(15-0037)的圖譜特征峰一致,說明在SRB參與下經(jīng)過一段時間回灌后,有不溶性FeS生成。圖8(c)在2θ=30.55°處有特征峰出現(xiàn)經(jīng)比對該特征峰與Fe3O4的X射線衍射標(biāo)準(zhǔn)卡(19-0626)的圖譜特征峰一致,說明FB參與下經(jīng)一段時間回灌后,有不溶性Fe3O4生成。因此導(dǎo)致的不溶性FeS和Fe3O4的出現(xiàn)也是造成回灌堵塞的重要原因。

3 結(jié)論

(1)回灌過程中介質(zhì)的滲透性能降低首先是由菌體本身引起的,在細(xì)菌處于衰亡期時則主要由EPS含量增加造成,滲流中后期則主要由細(xì)菌與EPS共同作用導(dǎo)致含水介質(zhì)的滲透性能下降。

(2)SRB參與下造成的回灌堵塞除了與菌體本身和EPS含量有關(guān),還與菌體產(chǎn)生硫化氫氣體,發(fā)生了氣阻作用有關(guān)。產(chǎn)氣菌造成的回灌堵塞是由微生物、EPS及氣體共同作用導(dǎo)致的,氣阻作用在整個滲流時期一直存在,在微生物生長期格外突出。

(3)通過XRD衍射分析,在SRB及FB細(xì)菌參與的室內(nèi)滲流砂柱回灌試驗結(jié)束后,原含水介質(zhì)中有不溶性FeS和Fe3O4生成。在生物堵塞中,由細(xì)菌導(dǎo)致的化學(xué)衍生物也是導(dǎo)致含水介質(zhì)的滲透性能降低的主要因素。