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国之利器出鞘 生命之水长清——成都理工大学团队攻克地下水原位治理关键技术难题
发布日期:2025/12/10 10:20:49
    地下水是维系地球生态系统平衡与人类生存发展的“生命动脉”,地下水环境污染治理则一直是关系国家生态安全与可持续发展的重大战略工程。当前,面对我国受污染地块治理,以及地下水污染隐蔽性强、污染物成分复杂、修复难度大等问题,研发高效、经济、实用的国产化原位修复技术与装备,成为突破行业发展瓶颈的当务之急。

    地下水循环井技术因修复成本较低、环境扰动小、能耗低,并可协同多种修复工艺,被视为治理地下水有机污染难题的重要技术路径之一。然而,这项技术核心装备长期被国外企业主导,设备依赖进口导致成本高昂,严重制约了这项技术在我国的规模化应用,成为国内在地下水环境污染治理领域亟待突破的关键技术。

    2020年,由成都理工大学教授蒲生彦主持的国家重点研发计划场地土壤污染成因与治理技术重点专项“地下水原位同步修复一体化设备”项目正式启动。项目联合成都理工大学、吉林大学、长安大学、清华大学、中国地质大学(北京)等多所高校,以及生态环境部土壤与农业农村生态环境监管技术中心、中国地质调查局水文地质环境地质调查中心、中国煤科西安研究院等科研机构,并汇聚北京高能时代环境技术股份有限公司、宝航环境修复有限公司等企业力量,共同组成涵盖208名科研人员的攻关联合体。经过四年艰苦卓绝的协同攻关,项目在关键技术与装备研发方面取得系列突破。

    行业破局:水力调控加速度,实现含水层三维垂向环流立体修复

    “水力环流模拟与水动力调控参数优化设计计算系统”的成功构建,是项目组在核心机理认知与模拟预测层面的一次重要突破。作为国内首个深度融合高精度数值模拟与前沿机器学习算法的计算系统,一举攻克了复杂水文地质条件下(层状非均质、含透镜体、巨厚含水层等)水力环流三维分布特征模糊、污染物多相迁移与分配机制不明的难题。这套计算系统在已建立的定量化表征指标体系下,实现了对地下水循环井三维流场的高分辨率精准刻画与动态可视化。这套系统运用技术的关键特点:高效智能求解地下水流—溶质运移多维多场强耦合模型,能够精确预测水位影响半径、示踪剂运移路径等关键参数,实现了对运行参数的智能化全局优化,为后续技术开发和工程应用提供了坚实的科学决策与精准设计基础。

    基于精准模拟模型的支撑,团队攻克了非均质地层渗透性差异导致水力循环效率低下、流场扰动的核心瓶颈问题。通过创新性设计多滤层循环井井体结构及配套的自适应水动力循环调控策略,项目组率先构建了普适性的地下水垂向水动力智能调控技术。这一技术可根据实时反馈的地质与水文信息,动态优化循环模式,显著增强三维环流强度与有效影响范围,大幅提升了污染羽捕获效率与整体修复速率,为复杂地质条件下的高效、稳定修复提供了关键方法保障。

    最终,项目组集智攻关,成功研制国内首套拥有完全自主知识产权的撬装式地下水循环井一体化智能修复装备。这套装备代表了高度集成化、智能化与模块化的尖端水平,融合了高精度抽注水动力控制、精准智能药剂输配、高效低耗井内曝气及中央智能控制四大核心功能模块,具备占地面积小、运输便捷、布设灵活与多场景自适应等卓越性能。装备整体技术指标全面达到国际先进水平,实现了国产化地下水修复高端装备从无到有、从跟跑到并跑的跨越式发展,为守护国家“生命动脉”提供了强大的国产化科技利器。

    技术突破:高能超声解堵破阻,应对非均质地层调控失效挑战

    针对地下水循环井技术在复杂非均质地层(特别是垂向大厚度含水层、多滤层分段循环及低渗透地层K<10-5cm/s)中深度应用的修复效率衰减与影响半径受限的业内共性问题,项目组研发了5类高性能抗污耐腐成井材料,设计了3种井内自适应封隔装置(自膨胀橡胶式、帘子布式、钢骨架快速启封式),并结合井管材质优选、滤水管结构优化、多级滤料科学配比及分层成井工艺创新,成功构建了普适性强、可靠性高的多滤层循环井封隔成井技术体系及完整工艺包。这套多滤层循环井封隔成井技术体系显著提升了工程实施效能,使大口径成井合格率跃升至98%以上,施工效率提高40%,为高效修复奠定了坚实基础。

    同时,项目组在国际上首次将高能超声波机械振动(20kHz—40kHz)及其产生的强烈空化效应引入地下水修复领域,并融合热化学脱附与高压水力辅助,开发出以超声波解堵为核心的组合解堵技术。这一技术针对低渗透地层因孔隙堵塞导致的环流失效、影响半径锐减问题,经严格实验与工程验证显示,技术应用后低渗透地层介质渗透系数提升幅度超过130%,孔隙有效连通性改善率达75%以上,循环井有效影响半径最大扩增约67%,修复效率较传统方法实现3倍提升。

    全链创新:“材料—装备—工艺—调控”融合,聚合环境效益+产业价值

    针对地下水复杂有机污染多相共存难同步去除、传统生物修复微生物活性低、适应性差等关键瓶颈,项目组立足国家生态环境治理重大需求,率先构建了“材料—装备—工艺—调控”全链条深度融合的循环井修复技术体系,聚焦关键环节逐一突破。

    在材料制备方面,低温贫氧环境下微生物活性如何维持是主要难题。为此,项目组成功研发聚乙烯醇磁性生物炭复合载体及核壳靶向控释营养材料,实现污染物降解率>95%且生物活性持续3个月以上。

    在成本控制方面,项目组创新“融化+冷却+成型”思路开发“温控造粒”技术,建成210吨/年缓释材料生产线,生产成本大幅降低43.5%至9046元/吨(市场同类约16000元/吨),打破低成本规模化制备技术壁垒。

    在功能组成方面,项目组着力研制井内流化床反应器与微生物燃料电池系统,耦合水力驱动与多级生物膜,显著提升污染物接触效率60%;配套研发30米深井浸没式超敏电化学传感器(B—环糊精/Sm2O3改性电极,检测限达0.005mol/L)。

    在工艺调控方面,项目组融合AHP—TOPSIS多目标决策与主成分分析,解析21项关键参数构建调控推荐表,率先揭示“水力—生物—材料”多相耦合机制,为精准修复奠定理论基础。

    项目组在全链条式工作的过程中,原创性核心技术成果共获42项国家发明专利授权,并在典型场地应用中实现修复周期缩短40%、综合成本降低35%。全链条全要素修复技术创新体系是我国在地下水污染治理领域具备自主知识产权的重要创新,推动修复过程向精准化、智能化与工程化发展。

    打破垄断:高精度连接突破,抢滩柔性制造背后硬核技术

    针对循环井成套设备长期依赖进口、集成水平低、接口不统一等问题,项目组首创基于云数据库与模块化智能管控的成套装备解决方案,实现大直径管体高精度快速连接技术的重大突破。

    在具体操作中,通过深度融合工业机器人、机器视觉与柔性换装技术,构建具备实时感知、多目标决策与控制能力的智能管理系统与柔性制造工艺,建成国内首条基于数字孪生的循环井柔性智能生产线。这套技术体系实现了管体连接效率显著提升,抗拉力不低于1300KN,制造精度控制在±0.05mm,国产化率实现100%,成本较国际同类产品降低30%以上。

    目前,项目组已成功完成两套高性能循环井样机系统集成,标志着我国已具备小批量、多品种、定制化循环井成套设备的自主设计制造能力,彻底打破国外技术垄断,大幅降低技术与装备使用成本。这一成果为地下水修复提供自主可控的核心装备,其柔性制造特性可适配各类场地修复需求,已获中央环保专项资金项目推荐。样机系统的成功,显著推动环保装备制造升级,强化国家关键环境治理装备的产业链自主性,是新质生产力在生态环保领域的硬核实践。



图为项目组研发骨干和跟踪指导专家组考察地下水循环井一体化设备柔性生产线。

    示范应用:复杂氯碱场地修复效果显著,污染物去除率超过90%

    为验证地下水原位同步修复一体化设备和核心技术体系的适应性与修复效果,项目组在长安大学渭水校区建设了国内首个地下水循环井原位修复技术野外科学试验基地,形成了东西25米×南北17米椭圆形循环井井网系统,28小时内水力影响半径可达20米。结合团队“界面反应动力学—污染羽多场耦合调控—修复工艺动态响应”的跨尺度研究方法,这一试验基地可用于为地下水循环井三维流场调控、修复功能材料传输降解性能评估、设备关键功能组件调试等提供试验条件。

    2024年3月,项目组选择面积约4600平方米的合肥某氯碱厂作为工程示范场地。场地原为大型氯碱化工企业原址,存在苯、1,2-二氯乙烷、三氯乙烯等多种DNAPL类有机污染物,具有污染相态复杂、水文地质异质性强、原位修复难度大等典型特征。团队成员根据合肥示范场地水文地质条件和污染特征,系统部署了升级的2.0版本循环井系统、配套了井外曝气井、多层注入井、分层监测井等10余口,配置了集约化的撬装式抽注水动力单元和多目标智能管控系统。运用了多相抽提、化学氧化、井内曝气、生物强化等多技术协同调控,实现了系统“抽提—注入—处理—监测”闭环运行。

    循环井系统稳定运行超过6个月,单井影响半径超过50米,目标污染物去除率超过90%,修复目标全面实现。

    三大跨越:“原创理论+核心技术+国产装备”,获得多地环保专项资金支持

    《循环井水力环流模拟与水动力调控参数优化设计技术指南》是项目组编制的这一领域首部国内技术指南。这套指南一经发布,即系统规定单井双筛段结构优化设计流程,明确水力环流特征模拟、水动力参数调控等核心方法,彻底解决国内工程化应用缺乏标准化流程的难题。同时,项目组在配套三维仿真平台构建高精度循环井数字化装配孪生体,完成主井可加工性仿真、功能组件协同装配分析及接口优化,制定井管一体化激光焊接工艺、不锈钢滤水管旋压成形技术标准基础上,形成《地下水循环井一体化设备智能集成与生产制造技术规范》,明确关键组件形位公差、密封耐压等22项检验指标。

    通过多场地实证研究,项目组明确了水力梯度、抽注流量等参数与溶质运移范围的定量关系,并据此建立了工艺参数推荐表。团队参与编制并发布了《地下水循环井修复技术指南》《地下水原位修复一体化技术验证评价指南》等团体标准,构建了覆盖技术性能(污染物去除率>90%)、工艺稳定性(连续稳定运行>6个月)和环境风险控制三个维度的技术验证评价体系,为技术的规模化推广应用提供了标准化支撑。

    历经四年技术攻关,国家重点研发计划“地下水原位同步修复一体化设备”项目成功突破了地下水循环井垂向水动力调控与多相污染物同步修复的技术瓶颈,实现了“原创理论+核心技术+国产装备”三大跨越。项目研制出国内首套全流程国产化的循环井集约装备,自主开发了5类核心滤层材料、3种封隔技术及六大功能修复材料,构建了抽提—循环—生物—净化的协同修复工艺体系,并牵头参与制定了6项关键技术标准。

    项目成果丰硕,共获73项发明专利(授权42项)、7项国际专利、8项软件著作权,并培养了百余人次专业技术人才。项目研发的关键技术和装备,有效弥合了地下水循环井技术从“实验室微观机制认知”到“工程化宏观效能实现”之间的鸿沟,已在长安大学试验基地和合肥某污染场地成功完成工程验证,并获得推荐应用。项目组系列成果打破了国外的技术垄断,显著提升了我国在污染场地地下水修复领域的技术主导权,推动我国地下水修复技术实现了从“跟跑”到“并跑”乃至“领跑”的跨越,标志着我国在污染场地绿色治理领域已具备自主可控的全链条解决方案能力,为全球地下水安全治理贡献了中国智慧与科技力量。
    来源:中国环境报 
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