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随着我国产业结构调整和城镇化加速，由工厂搬迁引起的场地地下水污染问题日益突出。自2011年起，国家密集发布了一系列地下水环境保护政策法规，2019年生态环境部联合五部委发布的《地下水污染防治实施方案》中明确了我国地下水污染防治的时间规划，地下水环境改善及污染修复迫在眉睫。地下水污染修复技术包括原位修复和异位修复2种方式[1]。地下水循环井 (GCW) 技术是基于原位空气扰动技术和异位抽出处理技术改进后的一种复成本低、环境扰动小、能耗低的原位修复技术，通过三维水流循环带动含水层受污染水体进入井内，在吹脱、气相抽提等物理作用下，或外加化学氧化试剂及生物技术耦合作用下，将挥发性有机物 (VOCs) 、半挥发性有机物 (SVOCs) 和非水相液体 (NAPLs) 污染物去除，在未来场地地下水污染原位修复应用潜力巨大[2-3]。
GCW在地下环境的稳定循环运行对污染修复至关重要。然而随着GCW运行周期增长，场地井内发生堵塞是导致循环半径缩小、修复效能降低的最常见问题之一[4]，例如：水体高浊度引起筛网和孔隙通道结垢、井体金属结构在化学氧化剂作用下发生沉积、长时间微生物繁殖产生代谢产物淤积[5]等，最终导致水头损失变大、供水井水泵耗电量增加、注入井地下水溢出、增加运行成本降低修复效率，严重情况甚至迫使井体报废。因此，针对不同堵塞成因，开展堵塞预防和破阻维护，对提高循环井循环效能，延长行效率与使用寿命至关重要。目前我国GCW技术研发上形成一系列创新成果，然而场地运行维护经验十分薄弱，对GCW堵塞机理及防堵破阻技术缺乏系统认识，严重阻碍了GCW推广应用与研究。
本研究基于循环井运行原理及污染场地水文地质条件，结合国内外多类型地下井体堵塞研究：1) 综合分析了井体堵塞成因及机理；2) 总结了堵塞预测方法及识别技术；3) 梳理了现有破阻技术及适用范围，并针对防堵破阻技术发展现状，提出亟待解决的技术重点难题，以期对GCW运行维护及防堵破阻工艺设计优化提供有益参考。
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循环井基本结构组成单元包括外井管、内井管、封隔器、上下筛管、抽水管、注水管、注药管以及地表设施等[6]。封隔器周围填充膨润土、黏土等作为止水层。上下筛管段多为绕丝、割缝、多层滤网或复合筛管作为机械防砂管，周围以石英砂、砾石等为填料，使管内与管外形成过滤性联通。修复过程中通过水泵和曝气装置在井管与上、下筛管形成水位差，将地下水通过上下筛管抽入井内后重新回注含水层，驱动地下水三维循环流，其中筛管、滤网、抽注水管口及曝气口等局部水头损失大的部位是堵塞高发区。
常见的循环井堵塞可分为：物理堵塞、化学堵塞、生物堵塞3类。主要造成原因包括：运行过程中，钻井地带受地下水循环流体冲蚀，导致岩石稳定强度下降，颗粒随水流冲刷从岩石上剥落，细砂颗粒、黏土微粒等随水流运移至填料内、筛管处或循环井内，进而造成物理堵塞 (图1) 。此外，井内曝气及地下水从含水层不断抽提-回灌，溶解氧、溶解性化学组分和营养物质随水流循环，为结垢和微生物生长提供有利环境，进而造成化学堵塞及生物堵塞 (图1) 。
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1) 物理堵塞。循环井外侧设有滤料和滤水管，地下水循环过程中可将较重的固相粗颗粒过滤阻挡分离，而粒径较小的砂粒及黏土颗粒可随水流进入滤料层，长期循环累积形成物理堵塞。固相黏土矿物堵塞方式主要有以下4种：①薄膜式，黏土微粒以薄膜状包裹填料，导致填料有效孔隙度减小，发生堵塞；②栉壳式，黏土矿物垂直于细砂微粒表面生长形成栉壳状晶体，阻碍流体流动；③桥接式，黏土颗粒以毛发状、纤维状等搭桥于滤料颗粒之间，分割原始孔隙。但由于较弱的桥接力，极易在高速流体作用下冲碎成颗粒随水流运移；④孔隙填充式，黏土、细砂等微粒填充滤料孔隙，堵塞在筛管外侧与滤料交界处随水流逐渐积聚并向外扩张，形成低渗带阻碍地下水流动，或穿过滤料进入井体堵塞筛管及抽注水口 (图2) 。
2) 化学堵塞。化学堵塞是指当含水层中的铁、镁、钙、锰等成垢阳离子含量过高时，与阴离子如碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐发生沉淀反应。随地下水循环，阴阳离子持续不断向井内补充，难溶盐在井体内部发生沉淀结垢。垢渍堵塞筛管及井内抽注水管管口，增大水头损失，降低循环井影响半径。最常见的化学沉淀堵塞物包括碳酸钙、硫酸钙和羟基氧化铁。碳酸钙堵塞可随地下水pH降低溶解。与之相比，硫酸钙堵塞物不易溶出，结垢更为稳定。除羟基氧化铁之外，套管的老化腐蚀将产生磁铁矿 (Fe3O4) 、硫化铁 (FeS) 、二硫化铁 (FeS2) 等铁腐蚀产物 (图3) 。在短期修复工程中，常见的堵塞是化学堵塞与其他类型堵塞协同，例如在井内壁生物淤积处，微生物 (如Gallionella) 的存在促进铁/锰-氧化物沉淀的产生，这一过程加剧了井内化学堵塞，增大了井体综合破堵的复杂性。
3) 生物堵塞。生物堵塞是指循环井内微生物自身生命体及代谢产物形成生物膜，附着在井体内部形成淤积，降低井体及含水介质渗透性的现象。常见的井内生物淤积菌群包括硫酸盐还原菌 (Sulfate-Reducing Bacteria) 、红育菌 (Rhodoferax sp) 、地发菌 (Geothrix) 、嘉利翁氏菌 (Gallionella sp) 等。其中Sulfate-Reducing Bacteria多在地下水中厌氧区生物淤积中检出，Rhodoferax ferrireducens和 G.ferrireducens作为常见的Fe(III)-还原菌，通过生物还原向井内释放出更多的过渡金属离子[12]，加剧了井体腐蚀和铁锰氧化物结垢。
微生物代谢过程中胞外聚合物 (extracellular polymeric substances，EPS) 的形成对生物堵塞起到至关重要的作用。根据微生物细胞的生长及EPS的形成过程，CAMPROVIN等将生物膜形成过程分为4 个阶段：①附着：微生物随水流进入井内，通过微生物菌毛、蛋白质和多糖黏附于井体内壁并代谢产生EPS；②繁殖：微生物繁殖激增并持续产生大量EPS，加固细胞黏附力，并逐渐失去鞭毛驱动的能动性；③生物膜成熟：微生物和代谢产物的激增促使生物膜逐渐成熟，水合EPS包括多糖、蛋白质、核酸和脂质进一步加固生物膜对井体附着，形成顽固的生物淤积；④生物膜脱附与井体剥离：EPS产量随着生物膜的老化降低，最终在微生物能动性和水动力驱使下与井体剥离。剥离后的生物膜淤积回落井底，随水流在井内循环(图4)。通常经过老化回落井体的生物质经过长时间累积，尺寸较大，最终造成井体生物淤积，拦截含水层砂质及化学沉淀的外流，同时加剧物理堵塞和化学堵塞[13]。
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根据堵塞成因及机理，在井体运行初期可通过监测数据，根据地下水流量、压强 (物理堵塞) ，水质条件及化学平衡 (化学堵塞) ，及微生物生长代谢规律 (生物堵塞) 等对不同类型的潜在堵塞进行预测识别，为运行过程中有针对性的维护提供指导依据。
1) 物理堵塞预测。在建井初期，通过污染场地水文地质条件可以对循环井堵塞风险进行初步评估。循环井上下筛管段机械防堵挡砂精度受填料孔隙及滤水管缝隙尺寸影响。根据污染场地砂质粒径及土壤松动程度可对物理堵塞可能性进行初步判断。SCHIPPERS等[15]针对物理堵塞提出修正堵塞指数MFI (式(1)) ，MFI修正指数由式(2)和式(3)推导而来。MFI在表征水体中悬浮固体颗粒浓度的同时，还常用于井体孔隙堵塞的判断，它间接地描述了反渗透过程中孔隙通量的变化。在此基础上，荷兰学者将MFI值为3~5 s·L−2认为容易造成井体物理堵塞[16-17]。
式中：μ为液体动力粘滞系数，ML−1·T−2；AF为过滤膜面积，L2；△P为跨膜压强，ML−1·T−2；IF为回灌膜堵塞潜力参数，L−2；t为时间，min；V为滤液体积，L；η为水粘度，ML−1·T−2；Rfm为清洁膜阻力；α为比滤饼阻力；Cb为浓度常数 (干燥滤饼的质量除以滤液体积，kg·m−3) 。
此外，HAROUNA等[18]进一步研究发现，MFI指数法虽然能一定程度上判断砂质粒径及土壤松动程度对循环井堵塞的影响，但仍存在一些不足，例如：MFI指数无法观察到在机械力、多重相互作用力和剪切因子的作用下累积渗透体积超过临界渗透量的数值，并且多因素作用下无法确定渗透体积，不利于物理堵塞的预测。基于此，在SCHIPPERS提出的MFI基础上进行了改进，提出新的改良污垢指数MFI-DSP (修正污垢指数—动态表面现象) ，如式(4)。
式中：V为累积渗透体积，L；Qp0为初始过滤流量，L；Ks为堵塞表征常数。当V ≈ 6 L时，井体内发生孔隙物理堵塞。
2) 化学堵塞预测
化学堵塞主要由难溶盐沉淀结垢导致，WILKINSON从地下水水质方面提出了4个经验性指标用于判断地下水结垢风险：当pH>8，总硬度>330 mg·L−1，总碱度>300 mg·L−1，溶解铁含量>2 mg·L−1时，井内化学结垢的产生风险较大。
此外，饱和指数SI是过饱和度的一种量度，根据SI值大小可预测溶液中难溶盐发生沉淀可能性。按公式(5)计算[19]：
式中：IP为实际溶液的离子积，Ksp为溶度积平衡常数。
SI值越大，产生垢沉淀的可能性也越大 (表1) 。若SI<0，溶液未饱和，不结垢；若SI=0，溶液饱和，平衡状态；若SI>0，溶液过饱和，结垢。但SI值仅能预测结垢发生可能性，无法预测结垢数量。
3) 生物堵塞预测
根据微生物生长特性HOWSAM等[19]提出了生物膜生长淤积的必要条件：①微生物生长足够的碳、氮、磷、硫营养物质；②好氧/厌氧界面；③动态水流为微生物生长补充营养物质；④溶解性铁离子。循环井循环过程中，井内地下水满足以上要求，存在生物堵塞的风险。而铁相关微生物是地下水中最常见的生物淤积，因此地下水溶解性铁离子浓度对生物淤积起到关键性影响作用。HOWSAM等[20]根据铁离子浓度提出了地下水泵GALLIONELLA生物淤积清理建议频率：溶解铁浓度<5 mg·L−1时，6~12个月清理；溶解铁浓度5~10 mg·L−1时，0.5~1个月清理；溶解铁浓度>mg·L−1时，每周清理[21]。式(6)和式(7)为微生物堵塞预测模型。
式中：rc1和rc2分别为水解反应异养菌的好氧生长生物动力反应学模型；Kh为水解速率常数；Kx为水解作用的抑制/促进比，通常取0.1；O2为溶解氧；CR代表易生物降解COD，mgCOD·L−1；CS代表难生物降解COD，mgCOD·L−1；XH为异养微生物降解COD，mgCOD·L−1；μH代表最大好氧生长率；KHet,O2代表O2作用的促进/抑制比；KHet,CR代表基质作用的促进/抑制比；fN,Het代表微生物生长的产率系数，mgCOD·mgHet−1。
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循环井修复作业过程中堵塞发生的主要指示性指标包括抽注水流量降低、水头损失增加，循环影响半径缩小。对于抽、注水管或注药管管道堵塞，可根据式8、式9判断管道起始点间压降推测是否存在堵塞情况，若待检管道起始点间压降明显大于其正常运行时的压降，则可判断该管道存在堵塞情况。将管道运行数据输入预测模型，可求得关于堵塞强度和堵塞长度的唯一解，用于堵塞识别并实施排堵措施[22]。
式中：Δp、Δp′为管道无堵塞和有堵塞情况下的起始点间压降，Pa；A、A′为管道无堵塞和有堵塞情况下的流通面积，mm2；L为管道流通长度，m；L′为管道有堵塞情况下的堵塞长度，m。
可视化技术是感官识别井体堵塞的重要手段，通过井下可视化探头可直接观测到堵塞位置，根据堵塞物颜色、形貌特征 (图3) [23]，及堵塞物味道对堵塞物组分进行初步判断 (表2) 。利用化学分析手段如元素分析、X-射线衍射对矿物、钙垢等固相无机堵塞物的组成成分及晶型进行定性分析。
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地下水循环井堵塞是一个渐进、反复的过程，随污染物修复周期增加，堵塞程度逐渐加剧，停运行或破阻后逐渐缓解，再次循环运行井体重新堵塞。因此，设计应用效果稳定、成本合理的破阻技术对保障循环井修复技术的有效性至关重要。
循环井堵塞的预防首先要求对水质进行严格监测，结合水文地质条件合理调节循环井参数并运行，可有效地延迟堵塞发生，减缓堵塞的累积程度。例如对于成分较为单一的固相颗粒堵塞，受砂质颗粒堵塞的井孔水泵一旦关闭，水流不再被施加任何压力，积聚在井筒上的颗粒脱落，这些脱落的粒子在循环井水泵再次启动循环时，颗粒被抽取的地下水带走避免复合堵塞的发生[24]。对于硬度较大的地下水在循环井内适当酸化或采用N2曝气，通过降低OH−浓度和氧气混入量延缓矿物氧化、沉淀的发生。对于生物堵塞，通过向井内投加生物酶，使附着物加速脱落。不同单一类型堵塞的及时处理是避免复合堵塞发生的重要手段 (表3) 。
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根据破阻技术原理可分为物理破阻、化学破阻、生物破阻及物理化学耦合破阻技术 (表4) 。物理法破阻技术主要利用机械力、水力振动、温度差使堵塞物松动、软化、破碎、进一步剥离井壁。刮刷是最直接、成本最低的破阻手段，通过刮臂往复运动带动刷头，与滤水网之间形成摩擦力剥落堵塞物，主要优点包括操作简单、施工人员少、工期短、无污染等特点，但由于传统机械刮刷清洁器为直线运动，除垢效率偏低，一般需要实施5~10次完成除垢[25]。高压水射流清洗利用将高压泵产生的压力水通过喷嘴加速形成高速的水射流，冲击清洗附着在井壁筛网上的垢渍附着物。高压水射流的清洗破阻效果主要与水压、流量、射流口喷嘴直径有关[26]。压力脉冲解堵技术通常采用压风机向井内注入不同压力的气体，当压力达到临界值时，压力脉冲发射装置瞬间释放压力，在压力差作用下井内流体以很高的速度冲到井底并形成高速冲击波，在冲击波的传导作用下将堵塞物冲散剥落。压力脉冲产生的压力波越大产生的振动越强，且冲击过程中产生的局部高温高压进一步促进解堵效果[27]。
空化是指当流场中局部压强降低至该温度下液体的饱和蒸汽压时，液体内部或固液界面形成微小气核，发展成空化泡，空化泡最终发展溃灭的过程[28]。当空化泡溃灭时释放大量能量冲击井壁形成微射流冲散堵塞物[29]。超声解堵利用超声波发生器直接产生高频机械波，破坏堵塞物与井体之间的凝聚力，迫使附着垢渍脱落。在超声波作用下地下水中同时发生空化作用，协同加速破阻效率[30]。不同与以上利用机械力进行解堵的方法，热解堵一般利用电伴生热的特点，通过加热管线对地下水环境低温或冬季污染修复过程中粘性较大的有机污染物或微生物胞外分泌物等堵塞物进行软化，加速井壁筛管垢渍随水流脱落[31]。
化学解堵法是通过外加表面活性剂等解堵剂可有效降低界面表面张力，提高流动性，在水力流动下破阻。表面活性剂 (例如起泡剂、助排剂、乳化剂、破乳剂、消泡剂等) 使堵塞物处于分散状态，液相表面张力随表面活性剂质量分数增加而下降进一步提高介质渗透性[32-33]。起泡剂作为表面活性剂的一种除调控表面张力外，也被广泛应用在泡沫混排法中，一般利用泡沫发生器混合0.3%~0.5%的起泡剂水溶液和氮气 (或空气) 形成具有一定密度的泡沫液注入井内，利用泡沫的吞吐清洗能力携带堵塞物从筛网空隙挤出完成解堵[34]。解堵过程中泡沫密度逐渐降低，有效避免压力或冲击力对井体造成损伤[35]。酸化试剂如盐酸，磷酸，草酸，乙酸，氨基磺酸等注入循环井后利用化学溶蚀作用溶解井内堵塞物，提高循环井滤水网及近井地带渗透率[36]。
生物破阻技术主要针对有机质造成的堵塞。生物酶解堵剂能够改变井壁与有机质的润湿程度，从而减小井壁与有机质间的黏附性，使有机质更易脱落；同时利用生物酶的催化性能加速堵塞物分解。但生物酶对固相颗粒造成的物理堵塞和沉淀结垢造成的化学堵塞效果较差，应用范围有限[37]。生物酶解堵技术可以有效解决地层堵塞、产能降低、采收率低等问题，但目前生物酶解堵技术的研究比较局限，仍然停留在生物酶的配方变革上。相比物理法机械波等随距离能量逐渐衰减，各类化学解堵试剂随水流扩散迁移处理效果更加均匀、效果好工期短，但运行过程中存在二次污染、腐蚀井体等问题。
上述三种防堵破阻技术适用场景和环境有所差异。物理破阻技术主要适用于大规模堵塞场地应用，具备更低的成本、更快的破堵技术、更小的二次污染等特征，但对于某些较为顽固的堵塞 (例如羟基氧化铁沉淀) ，物理破阻法无法完全去除；而化学破堵法适用范围广、可操作性强，但由于需要外加化学试剂，对地下水环境可能会造成二次污染；微生物破堵法更适用于顽固堵塞和有明显环境特性的堵塞物的井内破堵，但多数研究目前停留在理论阶段。实际操作中针对井内复合堵塞物特点，通常采用物理化学耦合破阻技术保证最大经济效益与处理效果。例如通过投加NaNO2/NH4Cl，化学反应生成N2并释放大量热量，高温生热为清洗井筒提供高温高压环境，加快破阻效率[38-39]。高压水射流耦合化学解堵首先通过水力冲刷化学沉淀垢渍，后通过投加酸性溶液溶解化学沉淀，加快垢渍从井内冲出，避免滤水管二次堵塞风险[40]。
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场地地下井体堵塞淤积是影响其稳定运行的重要问题之一[41]，近年防堵破阻技术在实践应用中得到不断完善。早期VAN等[42]针对荷兰境内的多口地下油井堵塞，在井外通过空气压缩机将盐酸通入井内，利用化学解堵法清除筛网上铁沉积物等堵塞物，当沉积物中含有锰氧化物和生物质时，则还需要加入磷酸开展协同解堵。然而，酸性解堵剂的过量加入容易破坏地下水酸碱平衡、同时引入二次污染风险。因此，直接通入酸性解堵剂的化学解堵法逐渐被更安全环保的技术替代。目前物理法如高压冲洗法是最为经济和有效的解堵方法，尤其适用与物理化学堵塞。WEI等[43]在井下安装喷射封隔器和自清洁过滤器与潜水泵协同工作，运行中从注入孔中定期抽水对井内进行清洗，有效实现及时防堵破阻。井下喷射封隔器还可用于不同含水层的注水、注酸、反冲洗。对于高压冲洗法无法有效去除的井体物理堵塞，尹等进一步引入了压力脉冲法对物理堵塞清除破阻进行强化。通过解析压力脉冲对解堵效果的影响发现，脉冲压力与开阀前稳定压力成正比，即发射装置的前稳定压力越大，其造成的压力脉冲越大。此外，合理解堵介质的选择同样有助于提升解堵效果[44]。与高压冲洗法类似的，超声波解堵同样具有操作简便、综合成本较低、环境友好等特征。蒲等将超声波法应用于大庆油田采油八厂的两口注水井内解堵增注，结果证明超声波换能器功率以及波频率与无机垢去除率呈正相关关系[45]。
对有机质含量较高的生物堵塞，目前最常用的技术包括热解堵和生物酶解堵技术。EVA等[46]在柏林市区的多个循环井内通过加热管线运用地热能进行防堵破阻，在热解堵技术的维护下，井内微生物群落、亚铁浓度和水文数据等长期监测结果均处于堵塞低风险状态，多个循环井稳定运行的2年内均未发生井体堵塞的情况。对于顽固的生物质和大分子聚合物，PAN等[47]开发了一种以清洗剂、生物酶和多氢酸构成的新型解堵剂，用于降解聚合物分子和高度溶解粘连物。该解堵剂应用于西南某油井中，对聚合物溶液的降粘率高达97%，同时对设备备腐蚀速率低，并表现出环境友好特征。
根据国内外井体案例经验，场地不同水文地质特征对井体防堵破阻技术的选择至关重要，根据不同堵塞机理应用适当的技术是保证循环井稳定运行的基础。目前我国循环井破堵技术处于萌芽状态，有效的防堵破阻技术验证、经验累积和技术完善亟需进一步开展。
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目前基于地下水循环井防堵破阻技术研究还处于起步阶段，主要堵塞识别及防堵破阻基础依据多借鉴于典型污染场地水文地质特点及不同井体研究经验，理论基础比较缺乏，研究的深度和广度有待提高。为保证循环井的正常运行、保障污染场地修复工程效率，在下一步研究中，应着重加强以下几个方面。
1) 为提高循环井井体运行持续性与稳定性，建议在井体设计过程中注重循环防堵井独立单元的设计，研发使用力学性能良好、环保、防污耐腐的井体材料从源头缓解化学结垢与生物淤积的附着，并在运行过程中优化调整循环井水力学参数及反冲洗周期降低堵塞风险，降低循环井破阻次数，缩短维护周期。
2) 为保障污染场地修复效果的高效可控性，在建井初期应结合场地具体水文地质条件与堵塞机理，应提前建立系统的堵塞风险评估方法，形成地下水循环井堵塞预测、判断指标体系，并根据不同风险等级预估可能产生的影响，为循环井运行过程中的堵塞提供预警。
3) 为保证堵塞解除的及时性及井体维护有效性，场地循环井应配备堵塞监测组件，结合井体运行状态进行实时监测记录。针对不同堵塞类型形成堵塞物分析表征技术方法清单，配套相应破阻技术建议清单，在堵塞发生早期进行有效维护，保障循环井运行效能及使用寿命。
地下水循环井堵塞成因识别及防堵破堵技术
Review of the clogging causes idenfication and anti-clogging techniques for groundwater circulation well
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摘要: 地下水循环井 (groundwater circulation well，GCW) 是一种集可耦合抽提、生物强化和化学氧化还原于一体的原位修复技术，然而运行过程中井体堵塞严重影响其使用寿命、运行费用、修复效能。本文通过回顾国内外各类地下井体堵塞研究进展，结合GCW结构特点及场地水文地质条件，系统地梳理了堵塞成因。针对物理堵塞、化学堵塞和生物堵塞形成机理，总结了GCW堵塞数学预测模型及场地识别技术，同时系统综述了现有破阻技术及适用范围。最后针对GCW建井初期防堵设计-运行期间堵塞预测识别-堵塞发生后的破阻技术方法3个方面，提出了未来研究及场地应用发展方向展望，以期为GCW优化设计、场地维护及解堵措施提供理论支撑及技术参考。Abstract: Groundwater circulation well (GCW) is an in-situ remediation technology that integrates coupled extraction, bioaugmentation and chemical oxidation and reduction. However, the blockage of the well significantly impacts its lifespan, operational expenses, and restoration effectiveness. Based on the structural features of GCW and the hydrogeological circumstances of contaminated site, this paper comprehensively reviewed the research progress on blockage of various underground well. The existing prediction methodologies and detection technologies for GCW blockage, including physical, chemical and biological blockage were summarized. The blockage breaking technologies and their applicable scope were systematically provided. Finally, this paper proposed the future research and application development direction from the aspects of 1) anti-blockage design for GCW structure optimization, 2) blokage prediction and identification techniques during GCW operation, 3) GCW blockage breaking and maintenance technology.
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图 4 基于胞外聚合物分析判断微生物生长周期[14]
Figure 4. Determination of microbial growth cycle based on extracellular polymer analysis
表 1 SI值预测溶液中难溶盐沉淀的可能性
Table 1. SI value for predicting the possibility of insoluble salt precipitation in groundwater
SI值 饱和程度 结垢可能性 SI<0 溶液未饱和 不结垢 SI＝0 溶液饱和 平衡状态 SI>0 溶液过饱和 结垢 
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表 2 循环井堵塞经验性表观特征[9]
Table 2. Empirical apparent characteristics of groundwater well plugging
堵塞物 特征 铁氧化物/羟基氧化铁/铁还原菌 红棕色泥状堵塞物，水体浑浊，粘稠线条状，尤其当有微生物堵塞同时发生时，水体浑浊，发臭，水质差 锰氧化物/还原菌 黑褐色沉淀物，水体浑浊，微生物协同淤积导致水体发臭，水质差 碳酸钙 明显的白色沉淀堵塞物呈层状附着在滤水管壁，剥落后多呈片状随地下水循环，堵塞滤水孔
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表 3 循环井堵塞预防水质要求推荐值及主要措施[ 19, 25]
Table 3. Recommended values for water quality and measures of for clogging prevention for groundwater wells
堵塞类型 水质要求推荐值 主要预防措施 参考文献 物理堵塞 TSS<2 mg·L−1 (K>40 m·d−1)；
TSS<0.1 mg·L−1 (4 m·d−1)；
修正堵塞指数 (MFI)<3~5 s·L2；浊度<1NTU①井体周围土层压实
②周期性反冲洗井体及填充
③采用多层滤水管— 化学堵塞 [Fe2+]<11.2 mg·L−1；饱和指数 (SI), pH<7.5；
低[Ca2+][Mg2+]；TDS<150 mg·L−1；
[Cl−]<500 mg·L−1①定期除垢
②运行过程中适当酸化
③减少氧气混入量[19] 生物堵塞 pH>7.2；
减少CO2；
DOC<2 mg·L−1；
Eh>10 mV①消毒
②减少营养物质
③限制井内TOC等组分浓度
④使用耐污型井体材料[25]
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表 4 循环井堵塞破阻技术
Table 4. Clogging breaking techniques of groundwater circulating well
技术原理 破阻技术 破阻原理 参考文献 物理法 机械刮刷 刮刷、刷洗去除筛管垢渍、生物淤积，是最简单成本最低的破堵技术 [25] 高压水射流 水流射流冲击滤水管壁，利用高压高速射流水的穿透力和水力冲击迫使
筛管壁加速堵塞脱落[26] 压力脉冲 通过压力差使流体以告诉进入境地，靠冲击产生振动，将井壁上的附着物冲击下来 [27] 空化 利用过程中空化泡溃破释放的大量能量破除筛管堵塞，降压增注 [28] 超声 超声震荡加速筛管淤积脱落 [30] 热解堵 通过加热软化加速滤水管壁垢渍脱落 [31] 化学法 表面活性剂 通过表面活性剂降低地层碱敏及水敏性，降低界面张力，增强流体流动性 [32] 泡沫混排 选用表面活性剂作为起泡剂对井内筛管冲洗，泡沫携带堵塞物喷出 [36] 化学解堵剂 盐酸 (HCl) ：强酸，有效去除大多数矿物垢渍
氨基磺酸 (H2NSO3H) ：强酸，快速溶解碳酸盐垢
磷酸 (H3PO4) ：弱腐蚀性酸，有效去除铁、锰沉淀物
乙酸 (CH3COOH) ：弱酸，抗微生物生长，分散生物膜
草酸 ((COOH)2) ：可生物降解还原性酸，有效去除铁、锰沉淀物
次氯酸钠 (NaOCl) ：常用消毒剂，可有效抑制微生物生长[32-33] 物理化学法 化学生热 最典型的生热体系使NaNO2/NH4Cl，利用生成的大量热量和氮气，
在高温高压下清洗井筒[38-39] 高压水射流耦合化学解堵 高压射流将附着物冲刷下来，化学解堵剂将堵塞物进一步溶解，
促使垢渍随水流流出[40] 生物法 生物酶解堵剂 通过加入生物酶催化加速堵塞物分解 [37]
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[1] 赵勇胜, 地下水污染场地风险管理与修复技术筛选[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2012, 42(5): 1426-1433. [2] 苗竹, 吕正勇, 魏丽, 等. 地下水循环井技术概述[C]//中国环境科学学会. 2018年中国环境科学学会科学技术年会论文集(第三卷). 合肥, 2018: 2881-2886. [3] 蒲生彦, 王宇, 王朋. 地下水循环井修复技术与应用: 关键问题、主要挑战及解决策略[J]. 安全与环境工程, 2021, 28(3): 78-86. [4] GJENGEDAL S, RAMSTAD R K, HILMO B O, et al. Fouling and clogging surveillance in open loop GSHP systems[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2020, 79(1): 69-82. doi: 10.1007/s10064-019-01556-5 [5] KALWA F, BINDER M, HANDEL F, et al. Biological and physical clogging in infiltration wells: Effects of well diameter and gravel pack[J]. Groundwater, 2021, 59(6): 819-828. doi: 10.1111/gwat.13104 [6] 李乃营, 王瑜, 孔令镕, 等. 地下水循环井修复技术发展现状综述[J]. 钻探工程, 2021, 48(9): 119-126. [7] HOUBEN G J. The influence of well hydraulics on the spatial distribution of well incrustations[J]. Groundwater, 2006, 44(5): 668-675. doi: 10.1111/j.1745-6584.2006.00216.x [8] ARYAWICAKSONA S, MUHAMMAD A S. Application of specific capacity in monitoring groundwater well: A case study of Kota Agung groundwater well[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2019, 1363(1): 012043. doi: 10.1088/1742-6596/1363/1/012043 [9] DEED M E R, PREENE M, WINTER M G, et al. Managing the clogging of groundwater wells[J]. Geotechnical Engineering for Infrastructure and Development, 2015, 42: 1192-1201. [10] 周玉良. 双重介质储层过平衡水侵损害的欠平衡返排恢复评价[D]. 成都: 西南石油大学, 2013. [11] BIGONI A. Kinetics of Fe-hydroxides clogging in ATES wells[D]. Wageningen University & Research, 2016. [12] DEEM M E R, PREENE M. Managing the clogging of groundwater wells[M]//Geotechnical Engineering for Infrastructure and Development. ICE Publishing, 2015: 2787-2792. [13] JEONG HY, JUN S C CHEON J Y, et al. A review on clogging mechanisms and managements in aquifer storage and recovery (ASR) applications[J]. Geosciences Journal, 2018, 22(4): 667-679. doi: 10.1007/s12303-017-0073-x [14] CAMPROVIN P M, HERNANDEZ S, FERNANDEZ, et al. Evaluation of clogging during sand-filtered surface water injection for aquifer storage and recovery (ASR): Pilot experiment in the Llobregat Delta (Barcelona, Spain)[J]. Water, 2017, 9(4): 263-269. doi: 10.3390/w9040263 [15] SCHIPPERS J C, VERDOUW J. The modified fouling index, a method of determining the fouling characteristics of water[J]. Desalination, 1980, 32: 137-148. doi: 10.1016/S0011-9164(00)86014-2 [16] ZUURBIER K G, DOOREN T V, STUYFZAND P J, et al. Technological and economical guide for ASR-Coastal application[J]. Geotechnical Engineering for Infrastructure and Development, 2018, 42(3): 2487-2852. [17] 杜新强, 冶雪艳, 路莹, 等. 地下水人工回灌堵塞问题研究进展[J]. 地球科学进展, 2009, 24(9): 973-980. doi: 10.3321/j.issn:1001-8166.2009.09.003 [18] MAHAMADOU H B, BENKORTBI O, HANINI S, et al. Modeling of transitional pore blockage to cake filtration and modified fouling index–Dynamical surface phenomena in membrane filtration[J]. Chemical Engineering Science, 2019, 193: 298-311. doi: 10.1016/j.ces.2018.07.054 [19] 徐靖, 马磊, 何连, 等. 南海W油田转注井堵塞原因分析与解堵技术对策[J]. 化学与生物工程, 2021, 38(1): 55-59. doi: 10.3969/j.issn.1672-5425.2021.01.012 [20] HOWSAM P. Microbiology in Civil Engineering[M]// London,CRC Press. 1990: 341-352. [21] 闫丹丹. 快速渗滤土地处理系统生物堵塞机制研究[D]. 武汉: 华中农业大学, 2021. [22] 邱春斌, 孙向东, 冷绪林, 等. 基于ANSYS模拟的管道堵塞预测分析[J]. 油气田地面工程, 2019, 38(12): 70-77. doi: 10.3969/j.issn.1006-6896.2019.12.014 [23] STENVIK L A, GJENGEDALS, RAMSTAD R K, et al. Hydrochemical and biotic control on iron incrustations in groundwater heat pump systems: Case study from a saline, anoxic aquifer in Melhus, Norway[J]. Geothermics, 2022, 100(1): 974-981. [24] VAN BEEK C G E M, BREEDVELD R J M, JUHASZ-HOLTERMAN M, et al. Cause and prevention of well bore clogging by particles[J]. Hydrogeology Journal, 2009, 17(8): 1877. doi: 10.1007/s10040-009-0537-9 [25] 王兵, 李长俊, 廖柯熹, 等. 管道结垢原因分析及常用除垢方法[J]. 油气储运, 2008(2): 59-62+69. [26] 宋加会, 刘昌林, 许胜涛, 等. 高压水射流清洗技术及其在管道除垢中的应用[J]. 化工设备与管道, 2014, 51(5): 79-82. doi: 10.3969/j.issn.1009-3281.2014.05.018 [27] 贺雪红, 雷鸣. 压力脉冲解堵技术提高油井产能[J]. 化工管理, 2017(27): 110-111. doi: 10.3969/j.issn.1008-4800.2017.27.095 [28] 王雨豪, 陈文刚, 吴华杰, 等. 空化作用及气泡行为轨迹观测研究进展[J]. 中国表面工程, 2023, 36(1): 12-29. [29] 刘长运. 先减压式油田注水恒流堵塞器动力学和可靠性的研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2009. [30] 杜春雨. 超声波解堵技术在大庆油田的应用研究[D]. 大庆: 东北石油大学, 2019. [31] 吴焕, 陈广明, 谭川江, 等. 电热解堵技术在沙漠气田中的应用[J]. 油气田地面工程, 2012, 31(10): 34-35. doi: 10.3969/j.issn.1006-6896.2012.10.017 [32] 佟乐, 齐海涛. 聚合物驱油水井堵塞物表面活性剂解聚实验[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2012, 32(1): 54-58. doi: 10.3969/j.issn.1672-6952.2012.01.014 [33] 李伟翰, 颜红侠, 王世, 英等. 近井地带解堵技术研究进展[J]. 油田化学, 2005(4): 381-384. doi: 10.3969/j.issn.1000-4092.2005.04.025 [34] 曹小朋, 泡沫混排解堵的理论研究及应用[D]. 北京: 中国石油大学, 2008. [35] 景紫岩, 张佳, 李国斌, 等. 泡沫混排携砂解堵机理及影响因素[J]. 岩性油气藏, 2018, 30(5): 154-160. [36] DEED M, PREENE M. Managing the clogging of groundwater wells[J]. Geotechnical Engineering for Infrastructure and Development, 2015, 30(4): 2487-2852. [37] 张昊, 张军锋, 兀凤娜, 等. 安塞油田低成本生物酶解堵技术研究[J]. 石油工业技术监督, 2011, 27(1): 8-10. doi: 10.3969/j.issn.1004-1346.2011.01.003 [38] 赵宇光. 化学生热技术在油井解堵的应用[J]. 中国石油和化工标准与质量, 2013, 33(9): 21. doi: 10.3969/j.issn.1673-4076.2013.09.027 [39] 杨建华, 卢素萍, 马香丽, 等. 井筒化学生热解堵技术的研究与应用[J]. 清洗世界, 2008(9): 31-34. doi: 10.3969/j.issn.1671-8909.2008.09.008 [40] 李世新. 高压水射流与化学复合解堵工艺在水井中的应用[J]. 化工之友, 2007(13): 15-16. [41] 李冬宁. 凝析气井筒堵塞机理及化学解堵工艺与应用前景[J]. 辽宁化工, 2022, 51(12): 1778-1783. doi: 10.3969/j.issn.1004-0935.2022.12.032 [42] VAN B. Restoring well yield in the Netherlands[J]. Journal AWWA, 1984, 76(10): 66-72. doi: 10.1002/j.1551-8833.1984.tb05422.x [43] AKHTAR M S, NAKASHIMA Y, NISHIGAKI M. Clogging mechanisms and preventive measures in artificial recharge systems[J]. Journal of Groundwater Science and Engineering, 2021, 9(3): 59-72. [44] 尹强, 徐强, 臣传旭, 等. 压力脉冲解堵影响因素及室内试验研究[J]. 石油钻采工艺, 2002(4): 70-71+85. doi: 10.3969/j.issn.1000-7393.2002.04.022 [45] 蒲春生, 石道涵, 赵树山, 等. 大功率超声波近井处理无机垢堵塞技术[J]. 石油勘探与开发, 2011, 38(2): 243-248. [46] EVA D, BURGA B, JOSEPHIN S, et al. Groundwater circulation wells for geothermal use and their impact on groundwater quality[J]. Geothermics, 2020, 86: 101812. doi: 10.1016/j.geothermics.2020.101812 [47] PAN Y, LIU C, ZHAO L, et al. Study and application of a new blockage remover in polymer injection wells[J]. Petroleum, 2018, 4(3): 329-336. doi: 10.1016/j.petlm.2018.03.014 -
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