李 卓,卞大中,阎淑平

(1.天津科技大学滨海地下水利用与保护研究室,天津 300457;2.天津市东丽区水务局,天津 300300;3.天津市东丽区西减河管理所,天津 300300;4.天津市东丽区地下水资源管理办公室,天津 300300)

1 问题的提出

随着天津市的经济发展速度突飞猛进,能源的需求量也日渐增大,而目前煤炭价格不断攀升。促使地源热泵进入了高速发展阶段。通过近10 a的发展,规模不断扩大,获得了明显的经济、环境和社会效益。

但是,深层地下淡水回灌过程中会受到多种因素的影响,有数不清的化学和物理化学等反应。部分机井由于回灌方式欠妥,发生了回灌井堵塞,使机井回灌能力迅速衰减,现已引起各有关部门的关注。

2 回灌堵塞分类

回灌量大小与水文地质条件、成井工艺、回灌方法等因素有关,其中水文地质条件是影响回灌量的主要因素。本文主要对回灌堵塞问题进行探讨,寻找堵塞的主要原因。

回灌堵塞大体可以分为3种,即:物理堵塞、化学堵塞和生物堵塞。

2.1 物理堵塞

物理堵塞:悬浮物堵塞、含水层细颗粒重组、气泡阻塞等。

(1)悬浮物堵塞:回灌水中的悬浮物堵塞多孔介质的孔隙,使回灌井的回灌能力不断减小直到无法回灌,这是堵塞中常见的情况。通过预处理控制回灌井中悬浮物的含量是防止堵塞的主要方法。

利用东丽区华泰现代农业产业园区的水源热泵系统进行了回灌试验,该产业园区在2003年开凿了2眼地热井:华泰1号 (回灌井)、华泰2号 (抽水井),安装了水源热泵系统,以此进行热储能为温室大棚供暖。在试验中使用英国Malvern公司的MASTERSIZER-2000 M对华泰2号井原水样进行粒径测试。

表1 华泰2号井水样粒度分析结果

由实验结果可知(见表1),测定数据重复性较好,且3种样品的粒径中值差别不大,其中3号样品的粒径中值最小,为1.151 μ m,2号样品的粒径中值最大,为1.818 μ m。粒径基本集中在1.057～2.246 μ m之间,占总数的93.71%,另有个别粒子在2.510～5.812 μ m之间,但其最大粒径为19.55 μ m;回灌水样品的粒径基本集中在 1.057～1.849 μ m之间,占总数的98.28%,最大粒子为20.87 μ m,但体积百分数在这一粒径范围内占到75.5%。可见,粒径小于2.510 μ m的粒子数量较多,目前回灌井过滤器一般使用为 35 μ m的滤芯,这样水中90%以上的粒子都回灌到含水层中,长期运行势必会堵塞多孔介质的孔隙。

(2)含水层细颗粒重组:多数回灌井也作开采井使用,由于抽、灌引起井壁周围含水层的细颗粒介质的重组,从而形成堵塞。

(3)气泡阻塞:回灌水在流动过程中,各类溶解性气体因温度、压力的变化不断被释放和溶解,同时生化反应也产生气体物质(如生成氮气和氮氧化物),从而影响介质孔隙造成堵塞。

2.2 化学堵塞

化学堵塞主要是回灌水中所含物质与岩层矿物质发生化学反应后形成堵塞。

当回灌水与含水层介质或地下水不相容或温度上升时,可能引起某些化学反应,不仅形成的化学沉淀堵塞水流通道,甚至可能因新生成的化学物质而影响水质。因化学引起的水质问题应视具体情况具体分析。如图1所示,当温度上升其碳酸钙的溶解度下降发生化学沉淀[1]。

图1 碳酸钙的溶解度与温度的关系图

水中的CO2含量高低对其溶解能力有很大的影响,含量高时能较多地将地层中难溶的CaSO4·2H2O、CaCO3及MgCO3溶解,在水中形成可溶性的硫酸盐、重碳酸盐,当高含量的CO2的地下水从地层中抽出,因压力降低CO2的分压力变小,使CO2含量减少;如回灌时没有进行密闭,而进行曝气流入井内,CO2含量进一步减少 (见表2),有可能成为过饱和溶液向固相转化[2]。

表2 水中游离CO2含量与水滴落时间关系表 ppm

另外,由于回灌水中的离子和回灌含水层水中离子成分有差异,使含水层黏土颗粒上的阳离子发生交换,种交换会导致黏粒的膨胀和扩散。再有如回灌时没有进行密闭,而是曝气流入井内,回灌水的氧气含量则会增高(见表3),使含水层中的还原物质发生氧化,导致体积的膨胀产生堵塞[3]。

表3 水的落下距离与氧的吸收量的关系表 (原水的含氧量为2.25 mL/L)

2.3 生物堵塞

微生物可能在适宜的条件下在回灌井周围迅速繁殖,形成生物膜,堵塞介质孔隙,降低含水层的导水能力,从而形成堵塞。

对地下水质影响较大的有3种细菌:硫酸盐还原菌(SRB),铁细菌(FB)及腐生菌(TGB)。

在东丽区华泰现代农业产业园区的水源热泵系统进行的回灌试验中进行了不同段水样的细菌分析。以华泰1号地热井出口为第一采样点,测定温度为73℃,即为原水样品;以管路中间点为第二采样点,测定温度为51℃;在地热水管网的末端为第三采样点,测定温度为41℃。实验采用绝迹稀释法进行,测定结果(见表4)表明在原水样品中硫酸盐还原菌 (SRB),铁细菌(FB)及腐生菌(TGB)3种细菌都未检出,而在其它温度的样品中,SRB、FB、TGB3种细菌含量有不同程度的增加。

表4 华泰1号地热井微生物检定结果

比较3种细菌的实验结果可发现,硫酸盐还原菌在温度由51℃变化到41℃时,增加了2～3个数量级,而铁细菌含量增加了1～2个数量级,腐生菌只增加了1个数量级左右,由此可见,硫酸盐还原菌在适宜的条件下在回灌井周围迅速繁殖,形成生物膜,从而形成堵塞。如果安装精度级别为1 μ m静过滤器,可使部分细菌滤除,部分防止生物膜的形成。

3 回灌井堵塞的判别方法及处理措施

3.1 回灌井堵塞的判别方法

回灌生产运行时,一旦发生以下一种或几种现象,即可判断系统出现了堵塞现象[4]:①随着时间的增长,回灌井的水位突然上升或连续升,单位回灌量逐渐减少;②当保持一定水头时,随着回灌时间的增长回灌量逐渐减少;③当保持一定回灌量时,随着时间的增长,回灌水位逐渐上升,以致水从井口溢出;④回灌井经过多年运行以后,单位回灌量或回扬时单位用水量逐年减少。

3.2 回灌井堵塞的处理措施

根据回灌井产生堵塞性质和原因,可采取连续反冲法、化学处理法和灭菌法等处理方法。

(1)对于回灌管路的堵塞,可直接用连接反冲洗方法处理,对于回灌井本身产生的堵塞,可用间歇停泵反冲洗与压力灌水相结合的方法处理;

(2)对于CaCO3等化学沉淀产生的堵塞,且与砂胶合成Ca质或Fe质结垢,在井壁管路上已形成坚硬的水垢时,一般可用HCL(浓度10%,加酸洗抗蚀剂)使之生成溶解性的CaCL2来处理。

(3)回灌系统中除安装粗过滤器外,最好还同时安装精度级别为1μ m的精过滤器,不仅要对悬浮物进行过滤,而且通过启用精过滤器将孔隙水中滋生的部分细菌滤掉,有效防止回灌井内的微生物堵塞,国外有关研究也证明了这一点[5](见图2)。

图2 水中0.1～1 μ m的物质种类和过滤方法示意图

(4)将回灌井进行密封,使回灌井处于真空状态,避免空气的进入,经常检查回灌装置的密封效果,如发现漏气,及时处理,有效控制气泡堵塞。

4 结论及建议

(1)加强对回灌井施工的监督和管理,保障成井质量,在成井时应加强洗井,充分清洗岩层裂隙通道。

(2)进行回灌作业过程中,如发生堵塞,应立即停灌,深入分析堵塞原因,针对具体情况及时采取有效的措施进行处理。如果提高过滤器的级别为1 μ m,可使绝大多数回灌水中粒子以及部分细菌滤除,防止发生堵塞。

(3)随时掌握好回灌量和地下水水位的动态变化,定期检测水质,对没有达标的项目及时采取处理措施。

(4)目前,天津地区有些回灌系统(孔隙型)中堵塞问题比较复杂,是悬浮固体颗粒引起的物理堵塞、细菌引起的生物堵塞、化学沉淀堵塞和气体堵塞等综合作用的结果,处理起来比较麻烦,还需进一步研究。

(5)防止堵塞的措施应根据水质化验结果而优化定制,选择对预处理水质最有针对性的方法:既要保持回灌水质符合要求,又要防止过度处理以增加不必要的投资,造成经济上的浪费。

[1]丰田环吉 [日].工业用水及其水质管理[M].吴自迈,译.北京:中国建筑工业出版社,1978:293.

[2]丰田环吉 [日].吴自迈,译.工业用水及其水质管理 [M].北京:中国建筑工业出版社,1978:47.

[3]丰田环吉 [日].吴自迈,译.工业用水及其水质管理 [M].北京:中国建筑工业出版社,1978:47.

[4]天津市国土资源和房屋管理局.天津市地热回灌运行操作规程(试行)[S].2006.

[5]美国陶氏化学公司液体分离事业部.反渗透和纳滤膜元件技术手册[S].1998.