地下水循环井技术研究进展

宋 刚，岳豪康，李恒超，钟贵莉

(成都理工大学环境与土木工程学院，四川 成都 610059)

地下水资源是人们日常生产生活的理想水源，目前中国约有60%以上的地区将地下水作为重要供水水源[1]。但由于地下水的隐蔽性和自净能力弱，使得受污染的地下水恢复难度大，成本高。目前我国有近九成的城市下水受到污染，其中大中型城市有超过六成地下水污染严重，地下水污染的修复显得尤为重要[2]。

目前地下水污染修复方法主要可分为自然衰减、异位修复技术和原位修复技术。自然衰减周期长，见效慢。异位修复技术是将受污染地下水抽至地表，再处理后回灌含水层。但在修复后期，效率会降低，并且常遇到污染物“回弹”与“拖尾”等问题[3-4]。相对于异位修复技术，原位修复技术是在不破坏原有土体结构及地下水自然环境的基础上，对受污染地下水进行原地修复的方法。有空气注入技术、地下水循环井技术、原位化学氧化还原技术、可渗透反应墙技术等[5]。原位修复技术中，地下水循环井技术因其对含水层结构破坏小、结构简单、形成的地下水环流场可控制去除污染范围，在国外已广泛应用。

1 地下水循环井技术的发展及分类

1.1 地下水循环井技术的发展

地下水循环井技术(Groundwater Circulation Well,简称GCW)又称井内蒸汽汽提，是一种发展中原位修复技术。其作用机理是地下水中的挥发性污染物通过上升的气泡从溶解相转移到气相，含有污染物的气相分离出地表再处理，或通过原位生物技术在井内、井外降解。

GCW最早始于1974年Raymond的原位微生物修复实验，是为去除碳氢化合物而开发。随后德国的IEG Technologies Cooporation增加了井中处理单元，研发出特殊的过滤器减缓堵塞，在1986年GCW被欧洲广泛应用于土壤和地下水的处理。1992年斯坦福大学的研究人员提出将地下水循环原理与空气汽提相结合。后经不断优化循环井结构，改进循环方式，并对GCW地下水流场的解析解进行研究，有效促进了循环井场地应用的发展[6]。

GCW技术使用潜水泵调节空气和水的比例，保持最佳的气水比，以最大限度地提高曝气效率[7]。GCW技术还具有高度灵活性，可与生物修复、表面活性剂等技术联用扩大GCW技术去除污染范围。目前GCW技术在国内处于初步引进阶段，还不成熟，需要在设计和去除效率方面继续改进。

1.2 地下水循环井技术的分类

地下水循环井技术按照循环井形成环流的方式可分为：机械泵式和气提式。

机械泵式循环井是在井内或井外安装机械泵，利用机械泵抽力在含水介质内提取并回灌地下水形成环流。按照环流方向的不同又可分为标准模式和反循环模式，详细见图1。标准模式是地下水从循环井上部筛管注入，从循环下部筛管抽取，形成的下抽上注式环流，适于处理比水重的污染物。反循环模式是地下水从循环井上部筛管处抽取，从循环下部筛管注入，形成的上抽下注式环流，适于处理比水轻的污染物。

图1 机械泵式循环井的两种循环模式

图2 曝气井工作原理

气提式循环井，又称曝气井，其机理图2所示是通过曝气泵向井底注入空气，井内空气与地下水混合形成的水气混合物与井外形成密度差，使井内密度较小的水气混合物上升至井顶部的水气分离处，之后气体会溢散出含水层，上升的地下水则会返回含水层，由此形成环流。在这个过程中地下水中的挥发性污染物会进入气泡分离处理。可见污染物自身的物理性质是曝气井去除效果影响因素之一，如迁移性越好、挥发性越强的物质越易处理。

2 地下水循环井的理论研究

在我国GCW处于起步阶段，理论研究缺乏通用性的成果。GCW系统的的研究分为数学模型和实验模拟。数学模型主要研究GCW作用下的水动力场规律，即为不同参数下的GCW在不同边界含水层条件下水流和溶质的运移、衰减规律，可用于优化GCW的设计参数，提高工作效率。实验模拟主要研究利用GCW灵活性的特点，将环流井技术和其他修复手段结合，去除不同类型不同组合污染形式的能力，扩大环流井技术的修复范围，提升修复能力。

2.1 GCW数学模型的发展

GCW数学模型的早期研究是为了在不抽取大量地下水的情况下测量一些重要的水文地质参数，利用GCW单井系统井腔的稳态流体压降，求出均质各向异性含水层的水平和垂向水力传导系数、储水系数等[8]。对较大规模含水层的水平和垂向水力传导系数，可利用GCW的双井系统公式精确测量[9-10]。而后随着GCW被广泛应用于污染物的去除，研究的重心也更偏向于循环井工作时含水层中的水流状态，促进了GCW技术的场地应用。

1993年A.J.DESBARATS[11]采用数值-经验相结合的方法研究了非均质承压含水层中抽灌双井系统的稳态流。但该稳态流的解析解是无侧向径流条件下的数学模型，局限了解析解的使用范围。针对这一问题，Peter Indelman[12]于1997年建立了非均质分层含水层中非均匀流的数学模型，用于计算单井结构作用下，非均匀流下的非均质含水层中的平均水头分布。虽然该数学模型考虑了侧向径流对GCW形成流场的影响，但仍有诸多问题需要研究，如非达西流对GCW流场的影响、非均匀流下的双井系统、表皮效应对GCW的影响等。

之后为了更好地研究GCW的水流情况，采用示踪剂试验追踪含水层水颗粒的运动轨迹，但过去对于示踪剂试验的解析解局限于含水层纵向弥散度不足化学追踪剂移动距离的十分之一情况，并且在建立解析解的过程中大多忽略水平弥散度对结果的影响。针对这一问题，詹益杰(2007)建立一个新的数学模型可以更加精确得描述GCW中的化学试剂浓度分布，计算含水层水平、垂向水力传导系数，以及均质含水层的各向异性比[13]。

为了更好地研究不同因素对GCW的影响，Kun Tu(2019)[14]基于达西流，利用拉普拉斯变换和傅立叶余弦变换，建立单井循环系统的通用分析模型，得出单井循环流体瞬态压降的解析解和稳态条件下的解析解，但GCW附近往往存在非达西流。单井循环系统在现场应用中由于井体抽、注筛管附近的水力梯度和水流流速高的原因，使得抽、注筛管附近很容易形成非达西流。而目前关于井类非达西流的研究大多集于完整井和非完整井系统上，因此为了将GCW单井循环系统的达西定律解析解推广到非达西流动条件。Kun Tu(2020)[15]提出一个描述单井循环地下水源热泵系统承压含水层中非达西流引起的瞬变水位下降的分析模型，探究在含水层具有一定比流量时，抽注水功率、径向水力传导系数、含水层比储存量和密封段长度对流体压降的影响。GCW数学模型发展的对比见表1。

2.2 GCW有效范围的研究

GCW的有效范围直接影响去除污染的范围，因此GCW的有效范围及其影响因素一直是GCW的研究重点。JA Cunningham[16]提出了均匀含水层中“一抽一灌”双井系统对污染物羽状流捕获宽度的数学表达式。通过近似解的方式对GCW双井系统处理羽状污染物的范围进行定量分析。Jian Luo[17]开发了一个半解析方案来评估不同类型的再循环流在具有任意方向均匀区域流情况下，抽灌双井系统中再循环区域的流体停留时间(即流体从注水筛管到抽水筛管的时间)。流体停留时间越短，GCW的环流周期就越短，对水体的提取效率就越高，对GCW环流周期具有特定要求的工况有一定的指导意义。但该半解析方案也有局限性，该方案建立在封闭的均质各向异性的理想含水层，不太符合含水介质实际情况，缺少对非均质、非承压含水层中单井系统的探讨。

对于抽灌双井系统，其有效范围区域位于两口井之间的再循环区域。张帅[18]认为双井系统的回收率是GCW修复效率的指标。于是基于二维流场的理论基础上给出了“一抽一灌”双井系统稳定状态回收率的解析解，为双井系统的设计提供参考。但该理论存在一定的局限性，该回收率的解析解模型仅适用于“一抽一灌”双井系统，对单井系统或由抽灌一体单井组成的双井系统并不适用，还不适用实际生产中的非均匀侧向径流的非均质含水层。并且实际含水层还有垂向的大气降水补给、越流补给、排泄边界等情况，这些也是需要考虑的因素。

表1 GCW数学模型发展的对比

2.3 表皮效应对GCW的影响研究

实际工程应用中，循环井在建造时需要在井外填装导水材料。井外的导水材料区域会形成表皮效应区，可能会导致井室的颗粒路径发生“短路”[19]，影响循环井环流流场。表皮效应会影响GCW形成的环流流线，进而影响GCW的作用范围，使得利用GCW求解的含水层参数不准确。但目前表皮效应对GCW影响的研究较少。为了研究表皮效应对GCW的影响因素，Qinggao Feng[20]对有限厚度表皮区的承压含水层中部分渗透井的非达西流进行了研究，发现表皮类型和表皮厚度对表皮区的流体压降影响较大，而对地层区的流体压降影响不大。同时发现边界、各向异性等因素对表皮效应也有一定的影响。为了研究表皮效应对流线的具体影响，D.V. Peursem(1999年)[21]利用势理论和斯托克斯流函数推导了无侧向径流条件下，均质各向异性含水层中单井循环工作时的水位下降和流线的解析解模型公式。用于分析均质各向同性表皮区的影响，发现当表皮区的导水率比周围含水层的导水率大两个数量级时，表皮区在一定条件下，其影响可以不用考虑。目前表皮效应对GCW的影响研究，大多基于均质各向异性含水层，而实际含水介质的情况更加复杂，可对非均匀侧向流、非均质各向异性含水层、具有垂向补给等条件下的表皮效应进行更加深入的研究。同时可量化表皮效应对地下水循环井有效范围的影响，指导实际应用。

综上可见，GCW不仅可以用于去除含水层中的污染物，还可通过GCW求解含水介质径向和垂向水力传导系数、各向异性比、储水系数等重要水文参数。随着GCW数学模型的发展，GCW结构不断优化，效率也不断提高。但由于早期的GCW解析解探索过程中受制于数学和计算机发展的影响，数学模型的含水层条件大多局限于均质各向异性、无侧向径流、排补条件单一、无表皮效应。并且大多研究都假设的是达西流，但实际GCW多用于透水性较好的含水层，流速较大时会形成非达西流，而且GCW本身井体的抽水、注水筛管附近流速多为非达西流。

3 GCW技术的实验成果

3.1 GCW去除污染物及影响因素

传统GCW主要用于处理挥发性污染物，经发展目前GCW可适用于氯化溶剂、碳氢化合物和挥发性污染物。但对于部分污染无论挥发性的强弱，在处理后期出现“拖尾”和“回弹”现象含水介质污染浓度不降反升。如不易挥发的硝基苯，曝气井在去除大部分污染物后会出现污染物“拖尾”。低挥发性有机物甲基叔丁基醚，曝气井对其去除率最高可达96.4%，但出现“回弹”[22]。而具有良好挥发性的苯和萘污染，曝气井可基本清除苯，挥发性较弱、迁移能力不强的萘去除率只达到64%，出现了明显的“拖尾”现象[23-24]。其主要原因是污染物的挥发性和迁移性共同影响GCW效果。

GCW的修复效果受污染物性质、含水介质、井体结构等因素的综合影响。污染物性质包括染物种类、有机物挥发性、迁移性、是否可生物降解等，影响着污染物去除的难易程度；井体结构包括曝气井曝气量、上下筛管间距、上下筛管有效长度等，影响着GCW去除污染物的效率；含水介质包括介质的孔隙度、各向异性比、非饱和区厚度、铁锰含量等，影响GCW井体结构参数的选择。如含水介质的渗透性决定是否适用GCW，各向异性比影响着GCW运行效果，铁锰含量影响GCW是否容易被堵塞。

总体来看，传统的GCW受多种因素的影响，因此具有良好灵活性的GCW在修复含水层时可以与其他技术联用，填补自身短板。目前GCW与表面活性剂技术、生物技术、电修复技术联用最为常见。

3.2 与表面活性剂联用

非水相污染物(NAPL)是指不溶于水的液态污染物，可分为重非水相污染物(DNAPL)和轻非水相污染物(LNAPL)。而GCW中的曝气井对远离曝气井和在含水层底部的DNAPL难以处理，有严重的“拖尾”现象。研究发现，将具有增溶和增流作用的表面活性剂与GCW结合处理NAPL，可以很好的解决“拖尾”。GCW形成的环流让表面活性剂在含水层中扩散，表面活性剂则使NAPL表面张力降低更容易被曝气吹脱集中处理。如用Tween80作为表面活性剂降低萘和硝基苯溶液表面张力，使得的DNAPL污染物萘的去除率达到60%-70%，对硝基苯在提高去除率的同时极大改善了“拖尾”状况[25-26]。

表面活性剂与GCW相互作用，极大改善了NAPL“拖尾”现象，但表面活性剂效果与含水层中的有机物浓度有关，当增溶了一种极性有机物后,会使表面活性剂对另一种有机物的增溶程度降低，因此若含水介质中有机物含量过高，则不宜适用表面活性剂。

3.3 与电修复技术联用

传统的GCW需要将气态污染物提取至地表固化处理，可能产生二次污染。传统的化学修复虽然可以直接处理污染物，但无法根据含水介质中的污染物浓度变化而实时调节化学剂量。为了解决这些问题，YUAN SongHu[27]将电解和GCW的双井结构结合，称之为EGCW技术(Electrolytic Groundwater Circulation Well)。在静水条件下潜水含水层中，EGCW技术通过阳极和阴极分别产生O2和H2，阳极为好氧生物作用提供O2，阴极产生的H2则为厌氧生物提供还原环境。GCW则将电解产生的O2和H2扩散，就地诱导生物降解三氯乙烯。结果显示EGCW的污染物去除率可达73%，具有很好的应用前景。另外EGCW还可以有效的改善污染物“拖尾”现象，比单独运行GCW时污染物去除率提高约10%[28]。

可见电修复技术和GCW技术的结合可以根据污染物浓度变化，控制生物降解的速率，对电极材料和活性要求不高，还可以有效缓解“拖尾”现象。但电修复与GCW结合的方法也存在缺点：(1)传统GCW一直以来最常见的问题是堵塞。而EGCW产生的亚铁离子加上生物作用，大大加重了堵塞问题；(2)电极会因阳离子沉淀钝化，增加成本。另外电解过程也有可能产生含氯副产物，造成二次污染。

3.4 与生物技术联用

与GCW联用最深，发展最成熟的是生物技术，二者联用早在1998年就有过工程应用。其机理主要是通过井内原位生物反应器来去除污染目标，而非含水层内的微生物群落。如在井内安装Pseudomonas miguiaeAN-1的生物膜组件后对硝酸盐的平均去除率可达62%，且无二次污染[29-30]。同时，生物修复还弥补了GCW在半挥发的污染去除效果一般的缺点。王霄[31]以半挥发性的DNAPL苯胺作为去除目标，结果显示井内生物反应器的加入使去除率速率大大提高，并且无铵根等次级污染。

目前生物-GCW尽管发展较为成熟，但生物-GCW中多物种反应运移的理论尚未完全了解。针对这一问题，Fayaz S. Lakhwala对多物种、多相和微生物强化反应输运系统设计和修复预测提出两种新方法：粒子跟踪法和有限差分法，在一定程度上有助于优化和预测各向异性含水层中GCW的修复。

可见，一方面，对于NAPL污染物，曝气井会为NAPL的好氧菌在含水层中生理活动输送必须的氧气，营养物质，使其大量繁殖修复含水层。另一方面，曝气井在提供氧气的同时，溶解相污染物会随着环流反复汇集于井中生物处理器处理。并且实际情况中污染物通常以多种类多形态的组合形式出现，生物-GCW的曝气井剥离挥发性有机化合物，并在含水层中分配氧和营养物等，实现挥发性有机物(VOCs)、半挥发性有机物(SVOCs)和非挥发性有机物(NVOCs)的生物降解。在环保、低成本的同时，大大提高了可去除目标的范围和效率。但原位地下水生物修复中目标化合物的生物转化，即好氧菌落降解和厌氧菌落降解无法量化，因此原位生物修复中的多物种、多相反应运移的理论仍需深入探讨。

3.5 GCW的其他功能

GCW的实验成果显示GCW不仅可以去除污染物，还可检测污染物。将超高效液相色谱法与GCW技术相结合，使得原本因含水层复杂性难以检测的锰金属污染，实现10 μg/m3精度的金属污染物浓度检测，并且检测过程不会对环境造成二次污染[32]。另外GCW还被认为是有效地缓解沿海地区的咸水入侵最有效的管理策略之一，可以在滨海含水层形成水力屏障，阻止咸水入侵楔体进一步向内陆移动[33]。

4 GCW的优缺点、适用性及展望

4.1 GCW的优缺点

优点方面：(1)GCW无需抽取地下水至地表，无需建立复杂的地面再处理设备。对含水介质扰动小，结构简单，保护含水层的地质结构与原始生物群落的同时，降低修复成本[34-36]；(2)GCW具有高度的灵活性，可与其他修复技术联用，扩大可处理污染物种类范；(3)GCW可控制形成环流场，通过环流可以输送氧气和营养物质，控制原位生物修复，还可很好的冲刷弱透水层[37]。

缺点方面：(1)GCW在低渗透含水介质中无法形成有效的环流处理污染水体。当高渗透含水介质中含有低渗透透镜体时，会出现反扩散现象，即当渗透性较强的区域的浓度下降时，隔离在低渗透性区域的污染物会因浓度差通过浮力扩散被释放回水中，也称为“回弹”现象。(2)GCW有效范围的设计。若GCW有效范围小于污染区域，则无法完全处理污染水体；若GCW有效范围大于污染区域，增加成本的同时，环流会将污染水体扩散到未污染的区域。并且处理较薄含水层时，成本偏大。(3)GCW在处理挥发性污染物时，分离出的污染气体有时不可直接排入大气，需要用其他设备收集处理；(4)GCW技术还易受含水层微生物作用和铁、镁、钙化学沉淀堵塞，这也是目前亟需解决的问题；(5)传统的GCW技术对疏水大分子有机化合物，亨利系数小或低浓度的污染物去除效果一般[38]。

4.2 GCW适用性

GCW适用于含水介质饱和带厚度在1.5～35 m或非饱和带的厚度1.5～30 m，水平渗透系数大于0.3 m/d，有研究表明水平水力传导系数与垂直水力传导系数的比值在3～10之间，GCW的运行效果最佳。当各向异性比值大于10时，可能GCW会无法运行[39]。

4.3 展望

GCW数学模型研究大多将含水介质简化为均质各向异性、补给排泄条件简单的模型。未来研究方向可考虑不同补给、排泄条件下的非均质含水介质的GCW数学模型，量化含水层或抽、注筛管附近非达西流和表皮效应对GCW环流及水头分布的影响。

目前GCW实验大多集中曝气井的研究，对机械泵式环流井方面的研究甚少。因此实验模拟可尝试探索机械泵式环流井去除污染水体的特征，研究机械泵式环流井与其他修复技术结合的污染物去除效果。在曝气井的实验模拟时，探索表皮效应的实验影响因素与对曝气井影响的规律。与GCW技术联用应用最多的生物技术则可深化GCW-生物技术中的多物种、多相反应运移的理论研究。

目前国内对GCW的研究多为单井系统的研究，实际修复场地是多口循环井组成的GCWs系统(Groundwater Circulation Wells)，对于修复过程中GCWs修复参数的组合选择优化、污染物的去除规律以及最佳修复时间等，尚未开展详细系统的研究。特别是对于有机物的浓度衰减规律、GCWs系统捕获区的表征及影响因素的定量分析等，需要具体系统分析，并且缺少GCW技术安全系数的规范制定。