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

蒲生彦，王 宇，王 朋

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059;2.成都理工大学生态环境学院，四川 成都 610059;3.成都理工大学国家环境保护水土污染协同控制与联合修复重点实验室,四川 成都 610059)

地下水循环井(Groundwater Circulation Well，GCW)修复技术发源于德国兴起于美国，在挥发性有机化合物(VOCs)和半挥发性有机化合物(SVOCs)污染地下水修复中有着广泛的应用，它是基于原位空气扰动(AS)技术和抽出处理(P&T)技术的改进。GCW修复技术的雏形最早出现于1974年Raymond博士的井中曝气试验。随后德国IEG公司在此基础上增加了井内处理单元，研发出特殊的过滤器用于减缓堵塞，并于1980年在欧洲实现商业应用。GCW修复技术充分利用了井内空间安装处理装置，有效避免了传统抽出处理技术能耗高、扰动大的缺陷，为地下水原位修复开辟了新思路。GCW修复技术最初发展的基本原理是利用真空泵对密封井内的气体进行抽提，形成负压以使受污染地下水进入井内。通过为地下水创造三维环流模式形成压差扰动，在增加地下水影响半径的同时，将附近地层中的污染物汇集到井内进行原位修复。循环井将吹脱、空气注入、气相抽提、生物修复和化学氧化等多种修复技术结合应用在井内，可实现对地下水中不同污染物的同步去除。GCW修复技术可处理地下水环境中多种污染物，包括VOCs和NAPL等，其简便的操作性可以很好地适应污染物的物理化学特性和在场地中的赋存特性，因此在地下水修复领域具有广泛的应用前景。

地下水污染防治是国家高度重视的一项工作。目前，我国地下水污染形势严峻，并呈现由点向面扩展的趋势。根据2015年《中国环境状况公报》显示，在所有监测的地下水水井中，42.5%的监测井被评为差水井，18.8%的监测井被评为极差水井，并且在358个地下水水源地中，有13.6%的地下水水质不完全符合《地下水质量标准(GB/T 14848—2017)》。常见的地下水污染物包括氨氮、重金属、总石油烃(TPH)、VOCs和SVOCs。其中，VOCs包括苯、甲苯、氯乙烯、2-氯甲苯和4-氯甲苯等；SVOCs包括萘、苯胺、4-氯苯胺以及非水相液体(Non-aqueous Phase Liquid，NAPL)等。

GCW修复技术具有修复成本低、环境扰动小、能耗低等显著优点，并可耦合多相抽提、空气扰动、微生物修复和化学氧化等多种修复技术，在场地地下水有机污染修复工程中的应用潜力巨大。但截止目前，GCW修复技术在我国的研究和应用尚处于起步阶段，相关的研究工作大多限于室内实验和数值模拟，尚没有成熟的GCW修复技术应用案例，该技术目前也未列入生态环境部《污染场地修复技术目录》，缺乏自主知识产权的核心技术和装备，工程应用经验匮乏，技术研发能力和装备国产化水平亟待提升。

本文系统地综述了GCW修复技术的发展历程和相关基础理论的研究进展。在此基础上探讨了GCW修复技术研究与应用所面临的关键问题和主要挑战，并对该技术未来的研究发展方向进行了展望，以期对地下水污染原位修复技术研究和工程应用提供有益的参考。

1 GCW修复技术的发展历程和基础理论研究进展

1.1 GCW修复技术的发展历程

GCW修复技术的发展历程如图1所示。早期的GCW修复技术被称为“井中曝气”或“井中处理”，其水循环原理主要基于井中两个花管间的压力梯度。最早的文献记载是Raymond博士等在1974年针对污染场地原位生物修复实验中首次使用了“井中曝气”的方法。20世纪80年代，德国IEG公司创立了真空气化井(UVB)技术，该技术由地下循环井、地表风机和空气净化系统三部分组成，在全球多个国家和地区得到推广和应用。Gvirtzman等在GCW中运用气提技术治理VOCs，最终取得了良好的修复效果。

图1 地下水循环井(GCW)修复技术的发展历程及趋势Fig.1 Development and trend of GCW remediation technology

到了20世纪90年代，美国Wasatch Enviro Inc.简化了气流提升井中处理系统，创立了密度驱动流系统(DDC)技术，并在美国Keesler、Edward、Massachusetts、March空军基地等项目中进行示范应用和技术评估。随后美国斯坦福大学于1992年提出利用循环井中气提技术处理地下水中VOCs，创立了气流提升井中处理系统(No VOC)技术，首次将GCW修复技术应用到地下水污染修复。研究表明，20世纪90年代，GCW修复技术被广泛应用于地下水的抽提和污染水体的治理。

GCW修复技术虽在国内起步较晚，但近年来各类相关的研究成果也不断涌现。有学者将电修复技术(EK)与GCW联合，研究了EK与GCW耦合强化修复技术对有机污染场地的修复效果，发现EK-GCW强化修复技术使地下水污染修复过程中的拖尾现象有了显著改善；Yuan等通过GCW耦合电化学技术，将电解产生的O和H带入受污染的含水层中，通过提供适当剂量的电子受体(O)和供体(H)，增强了污染物的原位生物降解；Zhao等将微生物与GCW修复技术耦合，研究了循环井中降解菌对苯胺的去除机制。

虽然GCW修复技术在国内已有一定的研究，但三维流场计算与精细刻画、复杂地层封隔成井、影响半径扩增与防堵塞仍是目前亟待解决的难题。该技术未来的研究方向应致力于多相同步修复一体化的研究，以及井体结构的优化升级、影响半径的扩增和集约化、智能化、模块化的多功能反应体系的打造。

1.2 GCW修复技术的基础理论研究进展

GCW的水力循环方向主要包含正向流动和反向流动两种循环模式。正向循环模式是指地下水的流动方向为自下而上，它可以通过井内设置地下水循环泵驱动；反向循环模式的流动方向与正向循环模式相反，水从地下含水层底部呈旋流状向上流动。在反向循环模式下，含水层下半部分的水向井外移动，而上半部分的水向井内移动。因此，经处理的地下水在返回井之前，会通过水力作用影响含水层内地下水影响的范围，从而将地下水中的污染物收集进入井内做进一步处理。

GCW修复技术的基础理论研究进展如图2所示。1974年，Raymond博士等使用井中曝气的方法，在原位微生物修复实验中形成了循环井雏形；基于对原位空气扰动技术和抽出处理技术的改进，德国IEG公司在20世纪80年代提出了GCW修复技术的基础理论，构建了“井中曝气、井中处理”技术；随后美国国防部、能源部于1997建立了循环井技术场地应用认证系统，包括技术原理、评价方法、具体步骤、监测方法以及运行效果的评估，指导和推动了循环井技术的应用推广；赵勇胜建立了循环井水力循环流场模拟计算方法，阐明了溶质浓度梯度作用下的迁移规律，并提出了循环井多相流束缚饱和机制；Gao等研究了FDM耦合水流可视化循环井的地下水3D稳态流场模型及井周多相流垂向弥散，进一步完善了井流理论；Tatti等开展了将GCW作为持久性低渗透性污染物源区修复技术的实验和数值评估，认为GCW系统比P&T技术更适合于低渗透性含水层污染的修复。

图2 GCW修复技术的基础理论研究进展Fig.2 Research progress in the basic theory of GCW remediation technology

基于GCW修复技术的理论研究，未来的研究方向应聚焦于弱透水层非达西约束、密度驱动多维多场耦合、循环井三维流场径向溶质运移模型和水力激发下多相污染物相间分配机制。

1.3 GCW修复技术的主要影响因素

GCW修复技术的应用主要受包括污染物的种类和性质以及循环井工程设计参数即井内初始水位、曝气量和循环井自身性质等多种因素的调控，从而影响其修复效果。

影响GCW技术修复效果的因素主要包括以下几个方面：①污染物的种类和性质。有学者研究了GCW修复技术对污染物四氯乙烯(PCE)的去除效果，最终PCE的去除率为97.1%；另一研究以VOCs为污染物，也采用GCW修复技术对其进行去除，实验末期污染物VOCs的浓度降低了30%～85%。此外，污染物的性质也是重要的影响因素，污染物的溶解度和黏度会通过改变液相传质过程而影响GCW技术的修复效果，而有机污染物的辛醇-水分配系数则主要是影响污染物迁移到井内的能力。②循环井初始水位。Elmore等利用循环井去除地下水中的三氯乙烷(TCE)，实验修复结果显示：浅井(深度为54～64英尺)中TCE的浓度为1 800～4 800 μg/L，深井(120.5～125.5英尺)中TCE的浓度为14～22 μg/L，说明修复效果会受井内水位的影响。③曝气量。曝气量对GCW技术修复效果的影响主要体现在随着曝气量的增加，气水两相之间的传质作用加强，更有利于污染物的吹脱。④与其他辅助技术的耦合。针对同一种污染物的去除，采用不同类型的循环井也会取得不同的修复效果。如Yuan等以TCE为研究对象，利用生物/电解GCW修复技术对其进行去除，最终TCE的去除率为73%。另一项实验中，研究者采用环糊精(HPCD)/垂直循环井，经过42 d的修复处理后，TCE浓度由1 160～1 950 μg/L降为82～108 μg/L，其去除率约为94%。

综上所述，污染物性质和循环井工程设计参数是GCW修复技术的主要影响因素。因此，在实际的场地修复中，应充分结合污染场地的背景条件，选择合适的GCW修复技术设计参数及类型。

2 GCW修复技术的应用研究现状

2.1 GCW技术修复地下水无机污染

无机污染物普遍存在于自然环境，在地下水污染中占有较大的比重，这些污染物包括：无机阳离子如砷离子、汞离子、铅离子等，以及无机阴离子如氟离子、硝酸根、硫酸根等。研究表明，GCW修复技术在金属检测及无机物去除方面已有相关的应用。李小龙等提出了一种利用GCW修复技术对含水层中典型锰污染物进行检测的方法，即采用液相色谱法对锰金属进行高辨识度的检测，在检测出超低含量的锰污染的同时，也不会因为污染物的混杂影响检测的效果。此外，GCW修复技术不仅能用于部分金属的检测，还能结合生物修复技术，用于无机污染物的去除，目前该技术已被认为是一种良好的地下水污染修复方法。

2.2 GCW技术修复地下水有机污染

目前，由人类活动造成的地下水有机污染问题也日益突出。相比无机污染，地下水中的有机污染物种类多，部分有机污染物具有持久性和高健康风险。GCW修复技术与微生物、表面活性剂结合使用，对于地下水环境中有机污染的治理具有较好的修复效果。常见的GCW工艺系统结构及修复地下水有机污染机理如图3所示。

图3 GCW工艺系统结构及修复地下水有机污染的机理示意图Fig.3 Schematic diagram of GCW system structure and remediation mechanism for groundwater organic pollution

2.2.1 地下水溶解相有机污染的修复

溶解相有机污染物(Non-NAPL)是地下水中易溶于水的有机污染物，其主要来源于市政污水、垃圾填埋场渗滤液和一些天然有机污染源等。作为地下水污染的重要来源，Non-NAPL广泛存在于自然界中。目前，利用GCW修复技术对Non-NAPL进行治理已有一些研究。

Non-NAPL会随着地下水的流动而迁移，不会造成污染物在地下环境的累积。利用GCW修复技术进行处理时，循环区中的大部分地下水在离开循环区前通常会流经循环井实现多次循环。因此，含有Non-NAPL的地下水可作为原位载体的水反复、彻底地将循环区中的污染物带回井内处理。有机污染物是水体污染的主要来源，水体有机污染程度可通过化学需氧量(COD)指标综合表示。赵素丽基于曝气技术，利用循环井对西沙珊瑚岛礁透镜体淡水中COD及色度进行处理，试验结果显示：水体中COD的去除率为75%，色度降低了83%。

综上所述，Non-NAPL可溶于水，在地层中迁移性强，GCW修复技术通过采用流体调配、水力激发模式转换等方式实现相间分配行为调控，增强了污染物在含水层中的迁移性能，并通过在GCW内设置强化降解反应器，对去除地下水中Non-NAPL具有较大的潜力。

2.2.2 地下水NAPL相有机污染的修复

轻非水相液体(LNAPL)和重非水相液体(DNAPL)是主要的地下水污染源，由于自身难溶于水且阻滞系数较高，这类污染物进入地下水之后，会在源头处聚集造成长时间的污染。其中石油或汽油加工设施和储罐泄漏的碳氢化合物燃料会导致严重的地下水污染。已有研究表明，GCW修复技术对甲基叔丁基醚(Methyl Tert-Butyl Ether,MTBE)、苯和萘均取得了良好的修复效果。MTBE作为汽油添加剂，是一种常见的LNAPL。孙冉冉等研究了GCW修复技术去除砂土和地下水中MTBE的衰减规律，结果表明：循环井运转30 h后，MTBE的去除率为85.5%；当水平方向离井越近时，MTBE的去除效率越快，这说明循环井对砂土和地下水中高浓度MTBE具有良好的修复效果。苯和萘是难溶于水的汽油类有机污染物，对地下水的危害较大。白静等采用静态批试验分析了苯和萘在均质中砂上的吸附特性，并利用GCW技术对其进行修复治理，结果发现曝气14 h后，各列单元苯的衰减系数变化幅度较小，萘的衰减系数则存在两侧低、中间高的趋势，残留的萘主要分布于远离循环井、模拟槽的两侧区域。这些结果表明有机污染物在地层中的迁移特性是影响GCW修复技术的主要因素。

DNAPL密度大，界面张力低，具有一定的粘滞力，其在地下水中环境中的行为主要包括迁移、相间分配及自然降解。DNAPL在地下水中的迁移行为复杂，其广泛存在于化工类企业地块中，目前已成为土壤和地下水污染的重要来源。以氯乙稀和氯甲烷为代表的有机氯化物是地下水中最常见的一类污染物，这类污染物密度大、水溶性低且难以生物降解，是典型的DNAPL，在地下水环境中易形成持久性污染源，长期威胁生态安全与人体健康。对此，可利用生物修复与GCW结合的方法对有机物进行降解。在厌氧条件下，脱氯细菌利用有机氯化物作为电子受体，通过催化断裂碳氯键的还原性脱氯反应获得生长能量，在这一被称之为有机氯呼吸的过程中，脱氯细菌通过自身的能量代谢活性将有机氯化物转化为低毒或无毒的化合物。模拟试验结果表明：井内发生电解氧化的区域大部分在注入井附近，10 mg/L的TCE被微生物生物降解后为2.7 mg/L左右，去除率达到了73%。Chen等使用A、B两个不同的垂直循环井(VCW)系统来处理三维砂箱中的四氯乙烯(PCE)，结果发现处理后A、B井中PCE的去除率分别约为47%和27.5%。

上述研究结果表明，GCW作为一种原位修复技术，对原位修复地下水中NAPL相污染物具有较好的应用前景。

2.3 GCW修复技术的工程应用实例

GCW修复技术是一种原位治理技术手段，它将单一的曝气、抽提、吹脱、化学氧化、强化生物降解等技术集成一体，能治理多种无机、有机污染物，包括硝酸盐、PCE、VOCs和TCE等。该技术目前在国内外不断发展，研究人员通过对污染场地的原位修复和实验模拟已取得了相关的研究成果。

常规的循环井系统主要包括4个部分：内井、外井、上端花管和下端花管，采用直接泵取或气提的方式驱动地下水形成三维循环。循环井处理技术多采用单井模式，其他系统如双重井，是由两个独立的抽取和注入地下水的井组成。Coltz等提出一种串联循环井(TCW)新组合模式，该系统不仅能用来去除污染物，还能实现对污染物通量的测定。井内吹脱是循环井系统的核心技术，通过向污染区域的循环井中注入空气，将地下水中的挥发性污染物吹脱至地面，在气体抽提系统的协助下完成对污染物的处理。

近年来，为了强化地下水污染修复效率，循环井常与表面活性剂、电解技术以及生物修复等技术联用。表面活性剂是GCW修复技术中常使用的化学药剂，它能影响污染物的迁移及转化等特性。腐殖酸(HA)和聚氧乙烯脱水山梨糖醇单油酸酯(Tween 80)等是常用的表面活性剂，能同时增加有机物在水相中的溶解度及流动性，从而更有利于微生物对污染物的去除。生物循环井主要是靠微生物对污染物的降解作用，研究表明微生物的有氧共代谢被认为是污染物降解的重要机制。目前，国内外GCW相关的部分专利见表1。

表1 GCW系统的主要类型及其技术要点Table 1 Main components of GCW systemand technology

随着GCW修复技术的发展，该技术的循环模式和修复功能从最初单一的气驱动/水驱动，逐渐演化到与真空气化、密度驱动对流和生物强化等新兴修复技术的耦合改进。其亟待解决的技术问题包括：三维流场计算与精细刻画、复杂地层封隔成井、影响半径扩增与防堵塞、多相有机污染同步协同修复、地下水原位同步修复设备智能化及国产化等。

此外，对于GCW系统运行过程中影响因素的定量分析、指示修复影响半径(Radius Of Influence,ROI)的特征参数、GCW修复区域的预测以及有机污染物浓度衰减规律等，也需要进一步系统的研究。

GCW修复技术能耦合生物、表面活性剂和电化学等技术，可以实现包括MTBE、VOCs、苯等LNAPL以及TCE、PCE、含氯有机物等DNAPL多种污染物的去除，这表明该技术类型正趋于多元化发展。基于耦合技术的不同，循环井的类型主要分为常规循环井、生物强化循环井、表面活性剂强化循环井和电化学强化循环井。循环井技术发展初期采用的是气驱动的形式，其修复影响半径较小，随后由“气驱动”向“抽注水驱动”模式的转变，使修复影响半径得到了显著增加，如屈智慧等利用GCW技术对氯苯进行修复，最终氯苯的去除率达到了97.6%。此外，利用常规循环井去除的污染物还包括硝基苯、甲基叔丁基醚(MTBE)等。有研究者将微生物与GCW修复技术联用，以降解地下水中的苯胺，如Zhao等以苯胺为污染物，采用生物循环井对其进行去除，经过246 h的修复处理，苯胺浓度从750 mg/L下降到261.52 mg/L。表面活性剂能促进有机污染物在地下含水层中的溶解，其与循环井的相关研究也不断增多，如Blanford等将环糊精(HPCD)运用到循环井中以强化对三氯乙烯(TCE)的修复，42 d后使TCE原浓度为1 160～1 950 μg/L的含水层修复效率达到了94%；刘洋等研发了一种电化学循环井耦合修复体系，以期通过顺序化学氧化-还原作用高效快速地降解地下水中的TCE，经过13 d的连续处理后，TCE浓度由7.50 mg/L降为1.65 mg/L，同时处理后地下水中的Cl浓度相应增加118.20 μmoL/L，接近于TCE降解量(44.50 μmoL/L)的3倍，证明TCE近乎完全脱氯。虽然都是去除TCE，但两者去除率差距较大，可能是去除时间不同的缘故。电化学技术与循环井的耦合研究，有待进一步开展。但值得注意的是，现有的研究均为循环井对单种污染物的去除，未来还需要研究利用GCW修复技术同时去除地下水中复合污染物的修复效果。不同类型GCW系统在修复地下水污染方面的应用情况见表2。

表2 不同类型地下水循环井修复技术的应用情况Table 2 Applications of various types of GCW remediation technology

3 待解决的关键科学及技术问题与策略

3.1 待解决的关键科学及技术问题

GCW作为一种原位修复技术，将单一的曝气、抽提、吹脱、化学氧化、强化生物降解等技术集成一体，组合形成治理地下水的循环井技术工艺，以实现地下水中重金属、LNAPL及DNAPL等多种污染物的有效修复，在地下水污染修复领域有着良好的应用前景。但该技术目前的研究与应用所面临的关键科学及技术问题如下：

GCW修复技术待解决的关键科学问题为：不同水文地质条件下，水力激发地下水有机污染物的共存驱替机制和生物强化多滤层循环井系统多相原位同步修复机理。

GCW修复技术待解决的关键技术问题为：①循环井系统多相有机污染物共存驱替的三维环流模拟及水动力调控工艺参数优化设计技术；②非均质低渗透地层多滤层水动力循环调控和基于定向钻探的复杂地层有机污染物横向导排、抽提技术；③难降解有机污染物靶向识别控释强化生物降解技术和多相共存同步修复技术；④多滤层地下水封隔成井—变频加速循环—高效防堵破阻为一体的循环井成井技术；⑤集抽提—水力循环—生物降解—高效净化原位同步协同修复技术及智能控制成套装备集成技术。

3.2 主要解决策略

针对目前GCW修复技术研究与应用所面临的关键科学及技术问题，本文提出如下主要解决策略：

(1) 构建多滤层循环井三维水力循环—污染物共存驱替的模拟预测模型，精准刻画三维流场、率定水动力调控关键工艺参数，解决水动力调控、影响半径扩增和污染物多相共存驱替多维多场耦合表征的技术难题。

(2) 研发系列强化生物降解材料和井内增强反应器，开发难降解有机污染物靶向识别与控释强化材料和技术，形成生物强化—水力循环协同修复技术工艺包，解决传统循环井对多相和难降解有机污染物修复效果差的技术难题。

(3) 研发基于定向钻探的污染物横向导排、抽提成井关键技术，形成集封隔成井—变频加速循环—高效防堵破阻于一体的多滤层循环井封隔成井和破阻防堵技术工艺包，解决传统循环井影响半径小、水流循环难、易堵塞的技术难题。

(4) 研发不同驱动模式下水流与污染物协同变频加速运移技术，形成集抽提—水流循环—生物降解—高效协同净化于一体的地下水同步原位循环修复技术体系，解决场地地下水有机污染物多相共存、同步修复难的技术难题。

(5) 智能集成水力调控、生物强化、封隔成井、抽提净化、多目标监测等功能模块，形成数字化设计、元件数控加工、智能制造等装备生产关键技术，建立多学科融合、多技术集成、产学研用长效合作的技术研发与应用平台。

4 结语与展望

GCW修复技术可实现对地下水中多种污染物的同步修复。由于该技术大部分修复过程在地下水环境中进行，故省去了地表处理设施，节约了修复成本，同时也减少了对地下水环境的扰动。尽管GCW修复技术能取得较好的污染物去除效果，但在修复后期常存在有机物浓度拖尾和反弹现象。因此，对滞留污染物的处理也成为了一项难题。在未来的研究中，应重点关注以下问题：

(1) GCW修复技术应用的关键难题是地下水中有机污染物自由相、溶解相、气相以及吸附相共存、同步修复难等问题，尤其是吸附相会造成污染物质的残留，形成有机物浓度的拖尾和反弹现象。今后的研究应致力于场地地下水有机污染物多相共存分布特征及同步修复机制的基础研究。

(2) 考虑更多实际场地中的环境因素，开展原位实验模拟研究，解决实际修复过程中影响半径受限的难题。研究表明GCW技术在实际场地中的修复效果往往低于实验模拟的修复效果，这是因为实际的地下水环境涉及多种污染物的混合污染，显示出更多的物理和化学的复杂性。因此，开展实际环境中GCW技术修复效果的研究是解决这一问题的必经之路。

(3) 加强对末端污染物的处理。从水中吹脱出的VOCs若溢到空气中会造成环境污染，今后应探索研发高效尾气处理系统与GCW修复技术联用，以实现将污染物的排放浓度达到相应的环境排放标准这一目标。

(4) 优化循环井结构系统。从目前的研究中发现，并非所有的GCW系统都能达到预期的治理目标，今后应从GCW系统的选择、设计、安装或性能监控以及自动化集成等方面出发，重点研究循环井井内增强作用下有机污染物生物降解协同强化修复机制，开发适合不同水文地质条件场地的智能化GCW系统，并建立用于验证GCW系统有效性的监测网络和评估方法。