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、污染物成分復雜、修復難度大等問題，研發(fā)高效、經(jīng)濟、實用的國產(chǎn)化原位修復技術與裝備，成為突破行業(yè)發(fā)展瓶頸的當務之急。
地下水循環(huán)井技術因修復成本較低、環(huán)境擾動小、能耗低，并可協(xié)同多種修復工藝，被視為治理地下水有機污染難題的重要技術路徑之一。然而，這項技術核心裝備長期被國外企業(yè)主導，設備依賴進口導致成本高昂，嚴重制約了這項技術在我國的規(guī)模化應用，成為國內(nèi)在地下水環(huán)境污染治理領域亟待突破的關鍵技術。
2020年，由成都理工大學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重點專項“地下水原位同步修復一體化設備”項目正式啟動。項目聯(lián)合成都理工大學、吉林大學、長安大學、清華大學、中國地質(zhì)大學（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)境技術股份有限公司、寶航環(huán)境修復有限公司等企業(yè)力量，共同組成涵蓋208名科研人員的攻關聯(lián)合體。經(jīng)過四年艱苦卓絕的協(xié)同攻關，項目在關鍵技術與裝備研發(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 “水力環(huán)流模擬與水動力調(diào)控參數(shù)優(yōu)化設計計算系統(tǒng)”的成功構(gòu)建，是項目組在核心機理認知與模擬預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習算法的計算系統(tǒng)，一舉攻克了復雜水文地質(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刻畫與動態(tài)可視化。這套系統(tǒng)運用技術的關鍵特點：高效智能求解地下水流—溶質(zhì)運移多維多場強耦合模型，能夠精確預測水位影響半徑、示蹤劑運移路徑等關鍵參數(shù)，實現(xiàn)了對運行參數(shù)的智能化全局優(yōu)化，為后續(xù)技術開發(fā)和工程應用提供了堅實的科學決策與精準設計基礎。
基于精準模擬模型的支撐，團隊攻克了非均質(zhì)地層滲透性差異導致水力循環(huán)效率低下、流場擾動的核心瓶頸問題。通過創(chuàng)新性設計多濾層循環(huán)井井體結(jié)構(gòu)及配套的自適應水動力循環(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。這一技術可根據(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速率，為復雜地質(zhì)條件下的高效、穩(wěn)定修復提供了關鍵方法保障。
最終，項目組集智攻關，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、布設靈活與多場景自適應等卓越性能。裝備整體技術指標全面達到國際先進水平，實現(xiàn)了國產(chǎn)化地下水修復高端裝備從無到有、從跟跑到并跑的跨越式發(fā)展，為守護國家“生命動脈”提供了強大的國產(chǎn)化科技利器。
技術突破：高能超聲解堵破阻，應對非均質(zhì)地層調(diào)控失效挑戰(zhàn) 針對地下水循環(huán)井技術在復雜非均質(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）中深度應用的修復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，設計了3種井內(nèi)自適應封隔裝置（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)井封隔成井技術體系及完整工藝包。這套多濾層循環(huán)井封隔成井技術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%，為高效修復奠定了堅實基礎。
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)生的強烈空化效應引入地下水修復領域，并融合熱化學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。這一技術針對低滲透地層因孔隙堵塞導致的環(huán)流失效、影響半徑銳減問題，經(jīng)嚴格實驗與工程驗證顯示，技術應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75%以上，循環(huán)井有效影響半徑最大擴增約67%，修復效率較傳統(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 針對地下水復雜有機污染多相共存難同步去除、傳統(tǒng)生物修復微生物活性低、適應性差等關鍵瓶頸，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)井修復技術體系，聚焦關鍵環(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，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)模化制備技術壁壘。
在功能組成方面，項目組著力研制井內(nèi)流化床反應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傳感器（B—環(huán)糊精/Sm2O3改性電極，檢測限達0.005mol/L）。
在工藝調(diào)控方面，項目組融合AHP—TOPSIS多目標決策與主成分分析，解析21項關鍵參數(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，為精準修復奠定理論基礎。
項目組在全鏈條式工作的過程中，原創(chuàng)性核心技術成果共獲42項國家發(fā)明專利授權(quán)，并在典型場地應用中實現(xiàn)修復周期縮短40%、綜合成本降低35%。全鏈條全要素修復技術創(chuàng)新體系是我國在地下水污染治理領域具備自主知識產(chǎn)權(quán)的重要創(chuàng)新，推動修復過程向精準化、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 針對循環(huán)井成套設備長期依賴進口、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，構(gòu)建具備實時感知、多目標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，標志著我國已具備小批量、多品種、定制化循環(huán)井成套設備的自主設計制造能力，徹底打破國外技術壟斷，大幅降低技術與裝備使用成本。這一成果為地下水修復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)保領域的硬核實踐。
圖為項目組研發(fā)骨干和跟蹤指導專家組考察地下水循環(huán)井一體化設備柔性生產(chǎn)線。
示范應用：復雜氯堿場地修復效果顯著，污染物去除率超過90% 為驗證地下水原位同步修復一體化設備和核心技術體系的適應性與修復效果，項目組在長安大學渭水校區(qū)建設了國內(nèi)首個地下水循環(huán)井原位修復技術野外科學試驗基地，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20米。結(jié)合團隊“界面反應動力學—污染羽多場耦合調(diào)控—修復工藝動態(tài)響應”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、修復功能材料傳輸降解性能評估、設備關鍵功能組件調(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)復雜、水文地質(zhì)異質(zhì)性強、原位修復難度大等典型特征。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智能管控系統(tǒng)。運用了多相抽提、化學氧化、井內(nèi)曝氣、生物強化等多技術協(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，目標污染物去除率超過90%，修復目標全面實現(xiàn)。
三大跨越：“原創(chuàng)理論＋核心技術＋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)化設計技術指南》是項目組編制的這一領域首部國內(nèi)技術指南。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)工程化應用缺乏標準化流程的難題。同時，項目組在配套三維仿真平臺構(gòu)建高精度循環(huán)井數(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標準基礎上，形成《地下水循環(huán)井一體化設備智能集成與生產(chǎn)制造技術規(guī)范》，明確關鍵組件形位公差、密封耐壓等22項檢驗指標。
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)井修復技術指南》《地下水原位修復一體化技術驗證評價指南》等團體標準，構(gòu)建了覆蓋技術性能（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)境風險控制三個維度的技術驗證評價體系，為技術的規(guī)模化推廣應用提供了標準化支撐。
歷經(jīng)四年技術攻關，國家重點研發(fā)計劃“地下水原位同步修復一體化設備”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的技術瓶頸，實現(xiàn)了“原創(chuàng)理論＋核心技術＋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種封隔技術及六大功能修復材料，構(gòu)建了抽提—循環(huán)—生物—凈化的協(xié)同修復工藝體系，并牽頭參與制定了6項關鍵技術標準。
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)技術人才。項目研發(fā)的關鍵技術和裝備，有效彌合了地下水循環(huán)井技術從“實驗室微觀機制認知”到“工程化宏觀效能實現(xiàn)”之間的鴻溝，已在長安大學試驗基地和合肥某污染場地成功完成工程驗證，并獲得推薦應用。項目組系列成果打破了國外的技術壟斷，顯著提升了我國在污染場地地下水修復領域的技術主導權(quán)，推動我國地下水修復技術實現(xiàn)了從“跟跑”到“并跑”乃至“領跑”的跨越，標志著我國在污染場地綠色治理領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了中國智慧與科技力量。
來源：中國環(huán)境報
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