人口增加、气候变化、水源污染、地下水超采等环境问题使得地球上可利用水资源短缺现象愈演愈烈,地下水人工回灌技术已成为应对水资源短缺与相应环境地质问题的重要手段之一。但是,回灌过程中的堵塞问题对回灌效率、运行成本及工程寿命有着显著的不利影响,成为制约地下水人工回灌技术推广与应用的主要因素之一。为了促进地下水人工回灌技术的发展,缓解水资源短缺引起的环境地质问题,本文通过室内实验对回灌过程中多孔介质的生物堵塞规开展研究。在着重研究微生物堵塞规律及机理的基础上,进一步研究了人工回灌过程中物理、化学因素对多孔介质中生物堵塞的影响,为回灌过程中多孔介质微生物堵塞的预防、控制与治理提供科学依据。论文依托于国家自然科学基金项目“城市雨洪水地下回灌过程中复合型堵塞的机理、识别方法与控制技术研究”。地下水人工回灌工程中多孔介质堵塞的类型通常分为物理、化学和生物堵塞三种。其中,对于生物堵塞,由于其种类、影响因素繁多,并且微生物在环境中参与了各种水文地球化学过程,生物生长规律、迁移运动规律及其对堵塞的影响途径也复杂多样。本次开展室内理论研究,选择铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa,P.a)为模式微生物,分析人工回灌过程中生物堵塞规律,揭示微生物堵塞机理,并模拟常见物理和化学堵塞物质(悬浮物、Fe(III)等)对微生物堵塞的影响,得到以下主要结论:1.单一微生物堵塞条件下,整体堵塞演化过程具有明显的阶段性:初期平稳、中期下降和后期相对稳定。实验初期由于微生物在石英砂中的附着力较小,在水流剪切力的作用下部分微生物从石英砂表面脱落,渗透系数变化较小,整体特征相对平稳;实验中期微生物适应了水流的剪切力,且在营养物质的支持下迅速繁殖,处于指数增长阶段,附着力增强,多孔介质渗透性急剧减小;实验后期微生物的生长量与衰亡量达到动态平衡,多孔介质微生物堵塞达到稳定阶段。2.随离子强度的增大(0~200mM的实验范围内),微生物堵塞发生的时间延后、堵塞程度减小。当离子强度在0~100mM范围内时,外源阳离子中和了微生物与石英砂表面的负电荷,促进了微生物在石英砂表面的吸附,而微生物在生长过程中产生的碱性物质则促进了入渗介质中部分物质的溶解,二者的相互作用使介质渗透性下降的时间延后;当离子强度达到200mM时,由于渗透压较大,抑制了微生物的生长,同样导致了微生物堵塞时间的延后;离子强度增大造成细胞渗透压增大,不利于细胞摄取营养物质,导致多孔介质中微生物堵塞程度随着离子强度的增大而减小。3.随着营养浓度的增加(在0~20mM的实验范围内),微生物堵塞速率加快、堵塞发生的时间提前、堵塞程度加重。营养由寡到丰,微生物生长繁殖速度加快,造成多孔介质堵塞速率加快;同样的,营养物质充足,微生物生长较快,多孔介质孔隙被占据的速度大于被释放的速度,使得微生物堵塞开始发生的时间提前;适宜的营养浓度促进微生物生长繁殖,使得微生物体积增大,生成更多的胞外聚合物,导致实验末刻微生物堵塞程度加重。4.悬浮物与微生物共同作用,将加快多孔介质堵塞进程、加重堵塞程度。加入悬浮物后微生物堵塞发生的时间提前,这是由于悬浮物本身会造成多孔介质堵塞,同时悬浮物与微生物结合粘附,引起更严重的团聚、絮凝,进一步加快了堵塞的发生,加速了堵塞的形成,加重了堵塞的程度;悬浮物本身具有较强的迁移性,而微生物与其黏附后在多孔介质中的共迁移,使得堵塞深度加大。5.Fe(III)与微生物共同作用,将加快多孔介质堵塞进程、加重堵塞程度。在微生物活动下,环境呈弱碱性,促进了胶体态Fe(III)的生成,与微生物黏附聚合后体积增大,使介质堵塞发生的时间提前;当加入的Fe(III)浓度大于3mg/L后,微生物与Fe(III)超过吸附平衡,Fe(III)胶体对多孔介质堵塞的影响增大,可导致堵塞速率加快;Fe(III)与细胞结合形成新的物质以及Fe(III)在碱性条件下形成氢氧化铁固体,造成多孔介质堵塞程度加重;在Fe(III)的迁移作用影响下,多孔介质堵塞深度进一步增加。