地下水循环井修复技术与应用：关键问题、主要挑战及解决策略

地下水循环井(Groundwater Circulation Well，GCW)作为一种原位修复技术近年来引起了广泛关注。该技术可以耦合吹脱、空气注入、气相抽提、生物修复和化学氧化等多种修复技术，有望实现轻非水相液体(LNAPL)、重非水相液体(DNAPL)及部分无机物的同步去除。GCW修复技术充分利用了井内空间安装处理装置，有效避免了传统抽出处理技术能耗高、扰动大的缺陷，为地下水原位修复开辟了新思路。综述了GCW修复技术的研究现状和应用进展，梳理和总结了该技术的基本原理及系统组成，提出了GCW修复技术研究与应用所面临的关键问题和主要挑战，并对该技术未来的研究发展方向进行了展望，以期为场地地下水有机污染原位修复技术研究提供参考。

地下水循环井(Groundwater Circulation Well，GCW)修复技术发源于德国兴起于美国，在挥发性有机化合物(VOCs)和半挥发性有机化合物(SVOCs)污染地下水修复中有着广泛的应用，它是基于原位空气扰动(AS)技术和抽出处理(P&T)技术的改进。GCW修复技术的雏形最早出现于1974年Raymond博士的井中曝气试验。随后德国IEG公司在此基础上增加了井内处理单元，研发出特殊的过滤器用于减缓堵塞，并于1980年在欧洲实现商业应用。GCW修复技术充分利用了井内空间安装处理装置，有效避免了传统抽出处理技术能耗高、扰动大的缺陷，为地下水原位修复开辟了新思路。GCW修复技术最初发展的基本原理是利用真空泵对密封井内的气体进行抽提，形成负压以使受污染地下水进入井内。通过为地下水创造三维环流模式形成压差扰动，在增加地下水影响半径的同时，将附近地层中的污染物汇集到井内进行原位修复。循环井将吹脱、空气注入、气相抽提、生物修复和化学氧化等多种修复技术结合应用在井内，可实现对地下水中不同污染物的同步去除[1]。GCW修复技术可处理地下水环境中多种污染物，包括VOCs和NAPL[2]等，其简便的操作性可以很好地适应污染物的物理化学特性和在场地中的赋存特性[3]，因此在地下水修复领域具有广泛的应用前景。

地下水污染防治是国家高度重视的一项工作。目前，我国地下水污染形势严峻，并呈现由点向面扩展的趋势。根据2015年《中国环境状况公报》显示，在所有监测的地下水水井中，42.5%的监测井被评为差水井，18.8%的监测井被评为极差水井，并且在358个地下水水源地中，有13.6%的地下水水质不完全符合《地下水质量标准(GB/T 14848—2017)》[4]。常见的地下水污染物包括氨氮、重金属、总石油烃(TPH)、VOCs和SVOCs。其中，VOCs包括苯、甲苯、氯乙烯、2-氯甲苯和4-氯甲苯等；SVOCs包括萘、苯胺、4-氯苯胺以及非水相液体(Non-aqueous Phase Liquid，NAPL)等[5-6]。

GCW修复技术具有修复成本低、环境扰动小、能耗低等显著优点，并可耦合多相抽提、空气扰动、微生物修复和化学氧化等多种修复技术，在场地地下水有机污染修复工程中的应用潜力巨大。但截止目前，GCW修复技术在我国的研究和应用尚处于起步阶段，相关的研究工作大多限于室内实验和数值模拟，尚没有成熟的GCW修复技术应用案例，该技术目前也未列入生态环境部《污染场地修复技术目录》，缺乏自主知识产权的核心技术和装备，工程应用经验匮乏，技术研发能力和装备国产化水平亟待提升。

本文系统地综述了GCW修复技术的发展历程和相关基础理论的研究进展。在此基础上探讨了GCW修复技术研究与应用所面临的关键问题和主要挑战，并对该技术未来的研究发展方向进行了展望，以期对地下水污染原位修复技术研究和工程应用提供有益的参考。

1 GCW修复技术的发展历程和基础理论研究进展

1.1 GCW修复技术的发展历程

GCW修复技术的发展历程如图1所示。早期的GCW修复技术被称为“井中曝气”或“井中处理”，其水循环原理主要基于井中两个花管间的压力梯度[7]。最早的文献记载是Raymond博士等在1974年针对污染场地原位生物修复实验中首次使用了“井中曝气”的方法[8]。20世纪80年代，德国IEG公司创立了真空气化井(UVBTM)技术，该技术由地下循环井、地表风机和空气净化系统三部分组成，在全球多个国家和地区得到推广和应用。Gvirtzman等[9]在GCW中运用气提技术治理VOCs，最终取得了良好的修复效果。

到了20世纪90年代，美国Wasatch Enviro Inc.简化了气流提升井中处理系统，创立了密度驱动流系统(DDC)技术，并在美国Keesler、Edward、Massachusetts、March空军基地等项目中进行示范应用和技术评估。随后美国斯坦福大学于1992年提出利用循环井中气提技术处理地下水中VOCs，创立了气流提升井中处理系统(No VOCTM)技术，首次将GCW修复技术应用到地下水污染修复。研究表明，20世纪90年代，GCW修复技术被广泛应用于地下水的抽提和污染水体的治理[10]。

GCW修复技术虽在国内起步较晚，但近年来各类相关的研究成果也不断涌现。有学者将电修复技术(EK)与GCW联合，研究了EK与GCW耦合强化修复技术对有机污染场地的修复效果，发现EK-GCW强化修复技术使地下水污染修复过程中的拖尾现象有了显著改善[11]；Yuan等[12]通过GCW耦合电化学技术，将电解产生的O2和H2带入受污染的含水层中，通过提供适当剂量的电子受体(O2)和供体(H2)，增强了污染物的原位生物降解；Zhao等[13]将微生物与GCW修复技术耦合，研究了循环井中降解菌对苯胺的去除机制。

虽然GCW修复技术在国内已有一定的研究，但三维流场计算与精细刻画、复杂地层封隔成井、影响半径扩增与防堵塞仍是目前亟待解决的难题。该技术未来的研究方向应致力于多相同步修复一体化的研究，以及井体结构的优化升级、影响半径的扩增和集约化、智能化、模块化的多功能反应体系的打造。

1.2 GCW修复技术的基础理论研究进展

GCW的水力循环方向主要包含正向流动和反向流动两种循环模式[14-15]。正向循环模式是指地下水的流动方向为自下而上，它可以通过井内设置地下水循环泵驱动；反向循环模式的流动方向与正向循环模式相反，水从地下含水层底部呈旋流状向上流动。在反向循环模式下，含水层下半部分的水向井外移动，而上半部分的水向井内移动。因此，经处理的地下水在返回井之前，会通过水力作用影响含水层内地下水影响的范围，从而将地下水中的污染物收集进入井内做进一步处理。

GCW修复技术的基础理论研究进展如图2所示。1974年，Raymond博士等使用井中曝气的方法，在原位微生物修复实验中形成了循环井雏形[8]；基于对原位空气扰动技术和抽出处理技术的改进，德国IEG公司在20世纪80年代提出了GCW修复技术的基础理论，构建了“井中曝气、井中处理”技术[16]；随后美国国防部、能源部于1997建立了循环井技术场地应用认证系统，包括技术原理、评价方法、具体步骤、监测方法以及运行效果的评估，指导和推动了循环井技术的应用推广[17]；赵勇胜[8]建立了循环井水力循环流场模拟计算方法，阐明了溶质浓度梯度作用下的迁移规律，并提出了循环井多相流束缚饱和机制；Gao等[18]研究了FDM耦合水流可视化循环井的地下水3D稳态流场模型及井周多相流垂向弥散，进一步完善了井流理论；Tatti等[19]开展了将GCW作为持久性低渗透性污染物源区修复技术的实验和数值评估，认为GCW系统比P&T技术更适合于低渗透性含水层污染的修复。

基于GCW修复技术的理论研究，未来的研究方向应聚焦于弱透水层非达西约束、密度驱动多维多场耦合、循环井三维流场径向溶质运移模型和水力激发下多相污染物相间分配机制。

1.3 GCW修复技术的主要影响因素

GCW修复技术的应用主要受包括污染物的种类和性质以及循环井工程设计参数即井内初始水位、曝气量和循环井自身性质等多种因素的调控，从而影响其修复效果[20]。

影响GCW技术修复效果的因素主要包括以下几个方面：①污染物的种类和性质。有学者研究了GCW修复技术对污染物四氯乙烯(PCE)的去除效果，最终PCE的去除率为97.1%；另一研究以VOCs为污染物，也采用GCW修复技术对其进行去除，实验末期污染物VOCs的浓度降低了30%～85%[21]。此外，污染物的性质也是重要的影响因素，污染物的溶解度和黏度会通过改变液相传质过程而影响GCW技术的修复效果，而有机污染物的辛醇-水分配系数则主要是影响污染物迁移到井内的能力。②循环井初始水位。Elmore等[22]利用循环井去除地下水中的三氯乙烷(TCE)，实验修复结果显示：浅井(深度为54～64英尺)中TCE的浓度为1 800～4 800 μg/L，深井(120.5～125.5英尺)中TCE的浓度为14～22 μg/L，说明修复效果会受井内水位的影响。③曝气量。曝气量对GCW技术修复效果的影响主要体现在随着曝气量的增加，气水两相之间的传质作用加强，更有利于污染物的吹脱[11]。④与其他辅助技术的耦合。针对同一种污染物的去除，采用不同类型的循环井也会取得不同的修复效果。如Yuan等[12]以TCE为研究对象，利用生物/电解GCW修复技术对其进行去除，最终TCE的去除率为73%。另一项实验中，研究者采用环糊精(HPCD)/垂直循环井，经过42 d的修复处理后，TCE浓度由1 160～1 950 μg/L降为82～108 μg/L，其去除率约为94%[23]。

综上所述，污染物性质和循环井工程设计参数是GCW修复技术的主要影响因素。因此，在实际的场地修复中，应充分结合污染场地的背景条件，选择合适的GCW修复技术设计参数及类型。

2 GCW修复技术的应用研究现状

2.1 GCW技术修复地下水无机污染

无机污染物普遍存在于自然环境，在地下水污染中占有较大的比重，这些污染物包括：无机阳离子如砷离子、汞离子、铅离子等，以及无机阴离子如氟离子、硝酸根、硫酸根等[24]。研究表明，GCW修复技术在金属检测及无机物去除方面已有相关的应用。李小龙等[25]提出了一种利用GCW修复技术对含水层中典型锰污染物进行检测的方法，即采用液相色谱法对锰金属进行高辨识度的检测，在检测出超低含量的锰污染的同时，也不会因为污染物的混杂影响检测的效果。此外，GCW修复技术不仅能用于部分金属的检测，还能结合生物修复技术，用于无机污染物的去除，目前该技术已被认为是一种良好的地下水污染修复方法。

2.2 GCW技术修复地下水有机污染

目前，由人类活动造成的地下水有机污染问题也日益突出。相比无机污染，地下水中的有机污染物种类多，部分有机污染物具有持久性和高健康风险[26]。GCW修复技术与微生物、表面活性剂结合使用，对于地下水环境中有机污染的治理具有较好的修复效果。常见的GCW工艺系统结构及修复地下水有机污染机理如图3所示。