地下水是維系地球生態(tài)系統(tǒng)平衡與人類生存發(fā)展的“生命動脈”，地下水環(huán)境污染治理則一直是關(guān)系國家生態(tài)安全與可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略工程。當(dāng)前，面對我國受污染地塊治理，以及地下水污染隱蔽性強、污染物成分復(fù)雜、修復(fù)難度大等問題，研發(fā)高效、經(jīng)濟、實用的國產(chǎn)化原位修復(fù)技術(shù)與裝備，成為突破行業(yè)發(fā)展瓶頸的當(dāng)務(wù)之急。
地下水循環(huán)井技術(shù)因修復(fù)成本較低、環(huán)境擾動小、能耗低，并可協(xié)同多種修復(fù)工藝，被視為治理地下水有機污染難題的重要技術(shù)路徑之一。然而，這項技術(shù)核心裝備長期被國外企業(yè)主導(dǎo)，設(shè)備依賴進(jìn)口導(dǎo)致成本高昂，嚴(yán)重制約了這項技術(shù)在我國的規(guī)模化應(yīng)用，成為國內(nèi)在地下水環(huán)境污染治理領(lǐng)域亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)。
2020年，由成都理工大學(xué)教授蒲生彥主持的國家重點研發(fā)計劃場地土壤污染成因與治理技術(shù)重點專項“地下水原位同步修復(fù)一體化設(shè)備”項目正式啟動。項目聯(lián)合成都理工大學(xué)、吉林大學(xué)、長安大學(xué)、清華大學(xué)、中國地質(zhì)大學(xué)（北京）等多所高校，以及生態(tài)環(huán)境部土壤與農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境監(jiān)管技術(shù)中心、中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心、中國煤科西安研究院等科研機構(gòu)，并匯聚北京高能時代環(huán)境技術(shù)股份有限公司、寶航環(huán)境修復(fù)有限公司等企業(yè)力量，共同組成涵蓋208名科研人員的攻關(guān)聯(lián)合體。經(jīng)過四年艱苦卓絕的協(xié)同攻關(guān)，項目在關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)方面取得系列突破。
行業(yè)破局：水力調(diào)控加速度，實現(xiàn)含水層三維垂向環(huán)流立體修復(fù) “水力環(huán)流模擬與水動力調(diào)控參數(shù)優(yōu)化設(shè)計計算系統(tǒng)”的成功構(gòu)建，是項目組在核心機理認(rèn)知與模擬預(yù)測層面的一次重要突破。作為國內(nèi)首個深度融合高精度數(shù)值模擬與前沿機器學(xué)習(xí)算法的計算系統(tǒng)，一舉攻克了復(fù)雜水文地質(zhì)條件下（層狀非均質(zhì)、含透鏡體、巨厚含水層等）水力環(huán)流三維分布特征模糊、污染物多相遷移與分配機制不明的難題。這套計算系統(tǒng)在已建立的定量化表征指標(biāo)體系下，實現(xiàn)了對地下水循環(huán)井三維流場的高分辨率精準(zhǔn)刻畫與動態(tài)可視化。這套系統(tǒng)運用技術(shù)的關(guān)鍵特點：高效智能求解地下水流—溶質(zhì)運移多維多場強耦合模型，能夠精確預(yù)測水位影響半徑、示蹤劑運移路徑等關(guān)鍵參數(shù)，實現(xiàn)了對運行參數(shù)的智能化全局優(yōu)化，為后續(xù)技術(shù)開發(fā)和工程應(yīng)用提供了堅實的科學(xué)決策與精準(zhǔn)設(shè)計基礎(chǔ)。
基于精準(zhǔn)模擬模型的支撐，團隊攻克了非均質(zhì)地層滲透性差異導(dǎo)致水力循環(huán)效率低下、流場擾動的核心瓶頸問題。通過創(chuàng)新性設(shè)計多濾層循環(huán)井井體結(jié)構(gòu)及配套的自適應(yīng)水動力循環(huán)調(diào)控策略，項目組率先構(gòu)建了普適性的地下水垂向水動力智能調(diào)控技術(shù)。這一技術(shù)可根據(jù)實時反饋的地質(zhì)與水文信息，動態(tài)優(yōu)化循環(huán)模式，顯著增強三維環(huán)流強度與有效影響范圍，大幅提升了污染羽捕獲效率與整體修復(fù)速率，為復(fù)雜地質(zhì)條件下的高效、穩(wěn)定修復(fù)提供了關(guān)鍵方法保障。
最終，項目組集智攻關(guān)，成功研制國內(nèi)首套擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的撬裝式地下水循環(huán)井一體化智能修復(fù)裝備。這套裝備代表了高度集成化、智能化與模塊化的尖端水平，融合了高精度抽注水動力控制、精準(zhǔn)智能藥劑輸配、高效低耗井內(nèi)曝氣及中央智能控制四大核心功能模塊，具備占地面積小、運輸便捷、布設(shè)靈活與多場景自適應(yīng)等卓越性能。裝備整體技術(shù)指標(biāo)全面達(dá)到國際先進(jìn)水平，實現(xiàn)了國產(chǎn)化地下水修復(fù)高端裝備從無到有、從跟跑到并跑的跨越式發(fā)展，為守護(hù)國家“生命動脈”提供了強大的國產(chǎn)化科技利器。
技術(shù)突破：高能超聲解堵破阻，應(yīng)對非均質(zhì)地層調(diào)控失效挑戰(zhàn) 針對地下水循環(huán)井技術(shù)在復(fù)雜非均質(zhì)地層（特別是垂向大厚度含水層、多濾層分段循環(huán)及低滲透地層K<10-5cm/s）中深度應(yīng)用的修復(fù)效率衰減與影響半徑受限的業(yè)內(nèi)共性問題，項目組研發(fā)了5類高性能抗污耐腐成井材料，設(shè)計了3種井內(nèi)自適應(yīng)封隔裝置（自膨脹橡膠式、簾子布式、鋼骨架快速啟封式），并結(jié)合井管材質(zhì)優(yōu)選、濾水管結(jié)構(gòu)優(yōu)化、多級濾料科學(xué)配比及分層成井工藝創(chuàng)新，成功構(gòu)建了普適性強、可靠性高的多濾層循環(huán)井封隔成井技術(shù)體系及完整工藝包。這套多濾層循環(huán)井封隔成井技術(shù)體系顯著提升了工程實施效能，使大口徑成井合格率躍升至98%以上，施工效率提高40%，為高效修復(fù)奠定了堅實基礎(chǔ)。
同時，項目組在國際上首次將高能超聲波機械振動（20kHz—40kHz）及其產(chǎn)生的強烈空化效應(yīng)引入地下水修復(fù)領(lǐng)域，并融合熱化學(xué)脫附與高壓水力輔助，開發(fā)出以超聲波解堵為核心的組合解堵技術(shù)。這一技術(shù)針對低滲透地層因孔隙堵塞導(dǎo)致的環(huán)流失效、影響半徑銳減問題，經(jīng)嚴(yán)格實驗與工程驗證顯示，技術(shù)應(yīng)用后低滲透地層介質(zhì)滲透系數(shù)提升幅度超過130%，孔隙有效連通性改善率達(dá)75%以上，循環(huán)井有效影響半徑最大擴增約67%，修復(fù)效率較傳統(tǒng)方法實現(xiàn)3倍提升。
全鏈創(chuàng)新：“材料—裝備—工藝—調(diào)控”融合，聚合環(huán)境效益+產(chǎn)業(yè)價值 針對地下水復(fù)雜有機污染多相共存難同步去除、傳統(tǒng)生物修復(fù)微生物活性低、適應(yīng)性差等關(guān)鍵瓶頸，項目組立足國家生態(tài)環(huán)境治理重大需求，率先構(gòu)建了“材料—裝備—工藝—調(diào)控”全鏈條深度融合的循環(huán)井修復(fù)技術(shù)體系，聚焦關(guān)鍵環(huán)節(jié)逐一突破。
在材料制備方面，低溫貧氧環(huán)境下微生物活性如何維持是主要難題。為此，項目組成功研發(fā)聚乙烯醇磁性生物炭復(fù)合載體及核殼靶向控釋營養(yǎng)材料，實現(xiàn)污染物降解率>95%且生物活性持續(xù)3個月以上。
在成本控制方面，項目組創(chuàng)新“融化+冷卻+成型”思路開發(fā)“溫控造粒”技術(shù)，建成210噸/年緩釋材料生產(chǎn)線，生產(chǎn)成本大幅降低43.5%至9046元/噸（市場同類約16000元/噸），打破低成本規(guī)模化制備技術(shù)壁壘。
在功能組成方面，項目組著力研制井內(nèi)流化床反應(yīng)器與微生物燃料電池系統(tǒng)，耦合水力驅(qū)動與多級生物膜，顯著提升污染物接觸效率60%；配套研發(fā)30米深井浸沒式超敏電化學(xué)傳感器（B—環(huán)糊精/Sm2O3改性電極，檢測限達(dá)0.005mol/L）。
在工藝調(diào)控方面，項目組融合AHP—TOPSIS多目標(biāo)決策與主成分分析，解析21項關(guān)鍵參數(shù)構(gòu)建調(diào)控推薦表，率先揭示“水力—生物—材料”多相耦合機制，為精準(zhǔn)修復(fù)奠定理論基礎(chǔ)。
項目組在全鏈條式工作的過程中，原創(chuàng)性核心技術(shù)成果共獲42項國家發(fā)明專利授權(quán)，并在典型場地應(yīng)用中實現(xiàn)修復(fù)周期縮短40%、綜合成本降低35%。全鏈條全要素修復(fù)技術(shù)創(chuàng)新體系是我國在地下水污染治理領(lǐng)域具備自主知識產(chǎn)權(quán)的重要創(chuàng)新，推動修復(fù)過程向精準(zhǔn)化、智能化與工程化發(fā)展。
打破壟斷：高精度連接突破，搶灘柔性制造背后硬核技術(shù) 針對循環(huán)井成套設(shè)備長期依賴進(jìn)口、集成水平低、接口不統(tǒng)一等問題，項目組首創(chuàng)基于云數(shù)據(jù)庫與模塊化智能管控的成套裝備解決方案，實現(xiàn)大直徑管體高精度快速連接技術(shù)的重大突破。
在具體操作中，通過深度融合工業(yè)機器人、機器視覺與柔性換裝技術(shù)，構(gòu)建具備實時感知、多目標(biāo)決策與控制能力的智能管理系統(tǒng)與柔性制造工藝，建成國內(nèi)首條基于數(shù)字孿生的循環(huán)井柔性智能生產(chǎn)線。這套技術(shù)體系實現(xiàn)了管體連接效率顯著提升，抗拉力不低于1300KN，制造精度控制在±0.05mm，國產(chǎn)化率實現(xiàn)100%，成本較國際同類產(chǎn)品降低30%以上。
目前，項目組已成功完成兩套高性能循環(huán)井樣機系統(tǒng)集成，標(biāo)志著我國已具備小批量、多品種、定制化循環(huán)井成套設(shè)備的自主設(shè)計制造能力，徹底打破國外技術(shù)壟斷，大幅降低技術(shù)與裝備使用成本。這一成果為地下水修復(fù)提供自主可控的核心裝備，其柔性制造特性可適配各類場地修復(fù)需求，已獲中央環(huán)保專項資金項目推薦。樣機系統(tǒng)的成功，顯著推動環(huán)保裝備制造升級，強化國家關(guān)鍵環(huán)境治理裝備的產(chǎn)業(yè)鏈自主性，是新質(zhì)生產(chǎn)力在生態(tài)環(huán)保領(lǐng)域的硬核實踐。
圖為項目組研發(fā)骨干和跟蹤指導(dǎo)專家組考察地下水循環(huán)井一體化設(shè)備柔性生產(chǎn)線。
示范應(yīng)用：復(fù)雜氯堿場地修復(fù)效果顯著，污染物去除率超過90% 為驗證地下水原位同步修復(fù)一體化設(shè)備和核心技術(shù)體系的適應(yīng)性與修復(fù)效果，項目組在長安大學(xué)渭水校區(qū)建設(shè)了國內(nèi)首個地下水循環(huán)井原位修復(fù)技術(shù)野外科學(xué)試驗基地，形成了東西25米×南北17米橢圓形循環(huán)井井網(wǎng)系統(tǒng)，28小時內(nèi)水力影響半徑可達(dá)20米。結(jié)合團隊“界面反應(yīng)動力學(xué)—污染羽多場耦合調(diào)控—修復(fù)工藝動態(tài)響應(yīng)”的跨尺度研究方法，這一試驗基地可用于為地下水循環(huán)井三維流場調(diào)控、修復(fù)功能材料傳輸降解性能評估、設(shè)備關(guān)鍵功能組件調(diào)試等提供試驗條件。
2024年3月，項目組選擇面積約4600平方米的合肥某氯堿廠作為工程示范場地。場地原為大型氯堿化工企業(yè)原址，存在苯、1,2-二氯乙烷、三氯乙烯等多種DNAPL類有機污染物，具有污染相態(tài)復(fù)雜、水文地質(zhì)異質(zhì)性強、原位修復(fù)難度大等典型特征。團隊成員根據(jù)合肥示范場地水文地質(zhì)條件和污染特征，系統(tǒng)部署了升級的2.0版本循環(huán)井系統(tǒng)、配套了井外曝氣井、多層注入井、分層監(jiān)測井等10余口，配置了集約化的撬裝式抽注水動力單元和多目標(biāo)智能管控系統(tǒng)。運用了多相抽提、化學(xué)氧化、井內(nèi)曝氣、生物強化等多技術(shù)協(xié)同調(diào)控，實現(xiàn)了系統(tǒng)“抽提—注入—處理—監(jiān)測”閉環(huán)運行。
循環(huán)井系統(tǒng)穩(wěn)定運行超過6個月，單井影響半徑超過50米，目標(biāo)污染物去除率超過90%，修復(fù)目標(biāo)全面實現(xiàn)。
三大跨越：“原創(chuàng)理論＋核心技術(shù)＋國產(chǎn)裝備”，獲得多地環(huán)保專項資金支持 《循環(huán)井水力環(huán)流模擬與水動力調(diào)控參數(shù)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)指南》是項目組編制的這一領(lǐng)域首部國內(nèi)技術(shù)指南。這套指南一經(jīng)發(fā)布，即系統(tǒng)規(guī)定單井雙篩段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程，明確水力環(huán)流特征模擬、水動力參數(shù)調(diào)控等核心方法，徹底解決國內(nèi)工程化應(yīng)用缺乏標(biāo)準(zhǔn)化流程的難題。同時，項目組在配套三維仿真平臺構(gòu)建高精度循環(huán)井?dāng)?shù)字化裝配孿生體，完成主井可加工性仿真、功能組件協(xié)同裝配分析及接口優(yōu)化，制定井管一體化激光焊接工藝、不銹鋼濾水管旋壓成形技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，形成《地下水循環(huán)井一體化設(shè)備智能集成與生產(chǎn)制造技術(shù)規(guī)范》，明確關(guān)鍵組件形位公差、密封耐壓等22項檢驗指標(biāo)。
通過多場地實證研究，項目組明確了水力梯度、抽注流量等參數(shù)與溶質(zhì)運移范圍的定量關(guān)系，并據(jù)此建立了工藝參數(shù)推薦表。團隊參與編制并發(fā)布了《地下水循環(huán)井修復(fù)技術(shù)指南》《地下水原位修復(fù)一體化技術(shù)驗證評價指南》等團體標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建了覆蓋技術(shù)性能（污染物去除率>90%）、工藝穩(wěn)定性（連續(xù)穩(wěn)定運行>6個月）和環(huán)境風(fēng)險控制三個維度的技術(shù)驗證評價體系，為技術(shù)的規(guī)模化推廣應(yīng)用提供了標(biāo)準(zhǔn)化支撐。
歷經(jīng)四年技術(shù)攻關(guān)，國家重點研發(fā)計劃“地下水原位同步修復(fù)一體化設(shè)備”項目成功突破了地下水循環(huán)井垂向水動力調(diào)控與多相污染物同步修復(fù)的技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)了“原創(chuàng)理論＋核心技術(shù)＋國產(chǎn)裝備”三大跨越。項目研制出國內(nèi)首套全流程國產(chǎn)化的循環(huán)井集約裝備，自主開發(fā)了5類核心濾層材料、3種封隔技術(shù)及六大功能修復(fù)材料，構(gòu)建了抽提—循環(huán)—生物—凈化的協(xié)同修復(fù)工藝體系，并牽頭參與制定了6項關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
項目成果豐碩，共獲73項發(fā)明專利（授權(quán)42項）、7項國際專利、8項軟件著作權(quán)，并培養(yǎng)了百余人次專業(yè)技術(shù)人才。項目研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)和裝備，有效彌合了地下水循環(huán)井技術(shù)從“實驗室微觀機制認(rèn)知”到“工程化宏觀效能實現(xiàn)”之間的鴻溝，已在長安大學(xué)試驗基地和合肥某污染場地成功完成工程驗證，并獲得推薦應(yīng)用。項目組系列成果打破了國外的技術(shù)壟斷，顯著提升了我國在污染場地地下水修復(fù)領(lǐng)域的技術(shù)主導(dǎo)權(quán)，推動我國地下水修復(fù)技術(shù)實現(xiàn)了從“跟跑”到“并跑”乃至“領(lǐng)跑”的跨越，標(biāo)志著我國在污染場地綠色治理領(lǐng)域已具備自主可控的全鏈條解決方案能力，為全球地下水安全治理貢獻(xiàn)了中國智慧與科技力量。
來源：中國環(huán)境報
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