地下水人工回灌过程中微生物堵塞对介质渗透性的影响

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论文摘要

  引 言

  随着国民经济的发展和人口的增多,水资源供需矛盾日益突出,地下水人工回灌成为缓解水资源问题的主要措施之一。地下水人工回灌技术是储备水源的方法之一,也是防止含水层枯竭、地面沉降、海水入侵等环境水文地质问题的有效方法。该技术在国内外受到广泛重视,却未得到推广使用,主要原因是在地下水人工回灌过程中经常遇到堵塞问题,使回灌效率大大降低。调查表明,很多地下水人工回灌系统在投入运行的短时间内便会因各种堵塞而报废。因此,进行地下水人工回灌中堵塞问题研究,对人工回灌工程的设计、维护管理及推广具有重要的理论意义和现实意义。

  在水处理中,微生物及其生长代谢产物具有净化水的功能,但在地下水回灌系统中,微生物的生长代谢作用是仅次于悬浮物物理堵塞的第 二 大 堵 塞 原 因,所 占 比 例 达15%。因此,控制与预防微生物堵塞对人工回灌技术的发展具有重要的现实意义。Taylor、Soares等研究表明,含水介质渗透性降低是由微生物膜生长引起的。Reynolds 等发现,生物成因产生的气体导致介质空隙被填充,从而发生微生物堵塞现象。De Lozada 等通过室内试验研究了 Metha-nosarcina barkeri 对砂柱含水介质渗透系数的影响,发现渗透系数的降低是由甲烷气体滞留在孔隙中造成的。姜桂华等发现,在试验前期,主要是由于生物膜的产生降低了含水介质的渗透性; 在试验中后期,堵塞主要是生物成因产生的气体堵塞。章艳红等通过二维砂箱试验指出,含水介质表面形成的生物膜空间分布不均且呈正态分布。杨靖等通过二维渗流试验得出,在二维条件下微生物堵塞对多孔介质渗透性的影响相较于一维条件下要小很多。因此,在一维条件下对微生物堵塞引起含水介质渗透性变化规律及机理等的研究仍有发展空间。

  本文通过室内砂柱渗流模拟试验,分析人工回灌地下水过程中微生物堵塞对介质渗透性的影响,同时,综合考虑试验过程中渗透系数、生物量及生物形态的变化情况,深入讨论引起渗透性变化的机理及堵塞引起的含水介质非均质性规律。

  1 材料与装置

  试验砂柱为有机玻璃,厚 5 mm,高 60 cm,内径 8 cm。柱体分为 3 个部分: 上、下水流缓冲区和渗流区。柱体侧面分布着 18 个测压孔,1 ~ 9 号孔间距 20 mm,9 ~ 12 号孔间距 30mm,12 ~ 15 号孔间距 40 mm,15 ~ 18 号孔间距 50 mm。用测压管监测不同位置的水头。此外,还有用于控制上下游水位的控制水头装置 1 套。回灌系统的试验装置示意图见图 1。

  为了尽量降低化学堵塞和物理堵塞对试验的影响,选用粒径为0. 212 ~0. 38 mm 的高纯石英砂作为含水介质,超纯水作为溶剂。采用从雪水中提取的菌种进行试验。通过前期微生物标定试验得出,最适菌种生长的培养基配比为葡萄糖0.312 g/100 mL、硝酸钾 0. 15 g/100 mL。由于菌液与培养基直接混合会迅速改变初始微生物的数量,回灌水源分为两部分: 一部分为超纯水与菌液的混合液,另一部分为浓缩的培养基。

  试验前,将砂样洗净风干,分层装入砂柱,每装填 1 cm 后进行压实,使砂样保持均匀和密实。试验期间,马氏瓶保持恒定供水水位,出水口采用溢流装置控制排水水位。试验开始时,先用超纯水饱和砂柱,再将超纯水与菌液的混合液及培养基两部分水源以不同流速注入缓冲瓶后灌入砂柱,读取不同时间 3 号、8 号、13 号、18 号及出水口的测压管水位,测定出水口流量,采用达西公式得出不同时间、不同深度含水介质的渗透系数,同时采取水样,利用平板菌落计数法测定菌落总数。取 0. 5 mL 水样,制成不同的 10 倍递增稀释液,从每个稀释液中分别取出 0. 2 mL 置于灭菌平皿中与营养琼脂培养基混合,在30 ℃下培养48 h,记录每个平皿中的菌落数量,依据稀释倍数计算每 mL 原始样品中所含细菌菌落总数。试验进行 250 h 后,砂柱的渗透流量接近 0,试验结束。

  2 结果与分析

  2. 1 前期微生物标定试验

  微生物生长需要的营养物质主要是氮源和碳源,本文选取葡萄糖为碳源,硝酸钾为氮源,并且碳氮比采取经验值 6∶1( 质量比) 。为了找到最适合该菌种的培养基配比,进行了如表 1 所示的试验。【表1】

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  由表 1 可以看出,随培养基配比增加吸光度先增大后减小,当硝酸钾为0. 15 g、葡萄糖为0. 312 g 时,吸光度值达到峰值,表明在此培养基配比下微生物生长最好。因此,确定最适微生物生长的培养基配比为 KNO30. 15 g /100 mL、葡萄糖0. 312 g /100 mL。

  2. 2 渗透系数的时空变化规律

  砂柱的渗透系数由达西公式得出。【1】

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  式中 Q 为流量,m3/ d; Δx 为任意两侧压管间距离,m; Δh 为两侧压管中水头差,m; r 为砂柱内径,m。

  由试验数据根据达西公式计算不同深度处砂柱在各时刻的渗透系数,可以发现,不同层位的渗透系数有显着变化。各层渗透系数随时间的变化情况见图 2。

  由图 2 可以看出,在历时 250 h 的试验过程中,表层 3 ~8号孔( 表层 0 ~8 cm) 的渗透系数在较短时间内显着下降,试验进行到 25 h 左右,渗透系数从 0. 012 cm/s 下降到 0. 002cm / s,降幅达 80% 以上,随着堵塞试验的继续,渗透系数降幅变缓后趋于稳定,直至250 h 时衰减至接近0。砂柱表层渗透系数迅速降低是由两方面原因造成的: 一方面是由于微生物生长代谢作用在砂柱表层形成生物膜,发生生物堵塞; 另一方面是由于生物释放的气体产生堵塞,高生物量区主要分布在试验砂柱上部( 图 3) 。8 ~ 13 号孔渗透系数基本稳定,整体在0. 012 ~ 0. 025 cm / s 范围内波动,表明此处堵塞程度较小。13~ 18 号孔渗透系数在试验初期( 0 ~ 8 h) 有短期下降,降幅较表层( 0 ~8 cm) 小,为 40%左右,然后上升并趋于稳定。分析表明,在初期砂柱下部渗透系数的下降是渗流作用下介质颗粒重新排列组合造成的,随后由于部分细颗粒介质随水的流动从出口被带出,渗透系数增大,直至稳定在 0. 015 ~ 0. 02cm /s,而 140 d 时相对大的波动是试验过程中马氏瓶换水造成的。图 3 表明,砂柱已经发生了生物堵塞。其特征为: 在直观上,砂柱表层出现了生物膜并且出现气泡; 在数据上,渗透系数发生严重衰减。表层 8 cm 以下的层位,渗透系数虽有波动,但整体上保持相对稳定。

  2. 3 微生物的数量时空变化规律及形态特征

  根据平板计数法得到不同时刻、不同层位处的微生物数量,绘制试验过程中的微生物时空变化曲线,见图 4。由图 4可以看出,3 号孔所在位置微生物数量随时间有所波动,但变幅不大,相对于其他位置微生物数量占绝对优势。这是由于在回灌过程中,砂柱上层具有相对适宜的温度与光照,且菌液与培养基接触面大而充分,微生物迅速在砂柱表层生长繁殖。

  8 号孔位置微生物数量在试验初期达到峰值,随后迅速下降并趋于稳定。这是因为砂柱表层迅速发生了堵塞,导致微生物数量锐减,而后,随着堵塞程度趋于稳定,微生物数量维持相对低的数量。而 13 号孔和出水处的微生物数量始终保持在较低的水平。由图 2 和 4 可以看出,微生物数量与渗透系数的时空变化特征是一致的。

  水样中生物量分布情况及微生物形态特征可通过高倍微生物显微镜( 莱卡 DM2500) 直接观测。试验结束后,拆开砂柱,采集生物膜样本及不同深度处水样置于 2 mL 离心管中,冷藏保存。首先用革兰氏染色法对各样品进行生物细胞染色,然后利用高倍微生物显微镜( 莱卡 DM2500) 观测样品。观测结果见图 5。

  由图 5 可以看出,高生物量区主要在砂柱表层,随深度增加,生物量逐渐降低。就其形态来说,存在杆菌、球菌及丝状细菌。在砂柱上部以丝状细菌为主,下部以球菌为主。

  2. 4 微生物堵塞程度时空分布特征

  将试验分为初期( 0 ~5 h) 、中期( 5 ~ 51 h) 和后期( 51 ~250 h) 3 个部分,计算不同时期 K / K0的值,并绘制 K/K0随深度变化曲线,见图 6。由图 6 可以看出,3 个时期的砂柱堵塞情况显着不同。

  1) 在试验初期,介质整体的渗透系数表现为随深度增加而增大( 图 6( a) ) ,一般上升的幅度不超过表层的 1/2,表明微生物堵塞主要发生在砂柱表层,但堵塞程度较小。2) 在试验中期,在 0 ~ 8 cm 深度范围内,随深度增加渗透系数不断减小,可降低到初始渗透系数的 20% 左右,这表明表层生物膜厚度不断增加,堵塞程度逐渐变大; 在 8 ~ 23 cm深度范围内,渗透系数大幅升高,说明堵塞程度在不断减小;在 23 ~46 cm 深度范围内,渗透系数大幅度降低,堵塞程度随之增加; 在 46 ~ 50 cm 深度处,渗透系数逐渐变大并趋于稳定,堵塞程度不断减小并趋于稳定( 图 6( b) ) 。出现此种现象的原因可能是渗透介质中少量的细颗粒随水流下移,导致砂柱中部出现一定程度堵塞,随细粒物质进一步运动,砂柱中部的堵塞程度逐渐减小。

  3) 在试验后期,随深度增加,砂柱整体渗透系数不断变大后趋于稳定,表明砂柱堵塞程度不断减小后趋于稳定。随着试验的进行,在 46 ~ 50 cm 深度处,渗透系数有小幅度降低,说明堵塞程度变大( 图 6( c) ) 。这可能是因为细小颗粒已经下移至砂柱下部,发生了物理堵塞,使渗透系数变小,当细小颗粒迁移出砂柱后,暂时的堵塞现象消失。

  3 结 论

  1) 当人工回灌过程中发生微生物堵塞时,含水介质的渗透性会发生明显变化,随微生物数量增加,介质渗透性显着减小。微生物的生长数量受营养物浓度的影响,因此,在进行地下水人工回灌时,首先应对回灌水源中的营养物质进行检测并处理。

  2) 在地下水人工回灌过程中,渗透系数逐渐降低,约 25h 后表层生物膜厚度达到最大,表层渗透系数降到最小,后随时间增加趋于稳定,表层以下渗透系数变化较小。微生物堵塞影响的深度可达 50 cm,主要影响范围为 0 ~8 cm。【图略】

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