论文题目：城市雨洪水人工回灌中微生物堵塞形成与演变规律研究
摘要：因用水需求增加所导致的地下水超采问题与因极端降雨导致的城市内涝问题已形成鲜明对比,二者之间矛盾日渐突出。如何有效利用冗余城市雨洪水人工回灌补给地下水,近年来受到越来越多的关注。然而,在实际人工回灌工程中,由于介质堵塞而导致回灌效率极大降低甚至报废的案例频繁发生。生物堵塞是介质堵塞的一种主要类型,其堵塞物质以微生物生长及其分泌的胞外聚合物（EPS）为主。但现有研究关于生物堵塞的研究主要关注的是饱和渗流且营养充足的单一微生物堵塞的发展过程,对于营养物质含量低的城市雨洪水且通常为变饱和入渗补给条件的情况,介质内微生物及其EPS累积和迁移特征仍不明晰,其生物堵塞的形成与演变规律尚有待进一步研究。因此本文针对雨洪水人工回灌特有的水动力和水环境条件,开展了系列渗流模拟试验,系统分析雨洪水渗流条件对微生物与EPS生长、形态、运移等特征的影响,进而明确多孔介质内部微生物堵塞形成发展的主控机制和影响因素,构建入渗剖面生物堵塞形成演变过程模型。本研究取的主要成果如下:1.雨洪水入渗补给过程中,介质垂向剖面水动力学条件、水化学环境和微生物组成三者呈现显著的协变演变规律。介质表层渗流状态逐渐随入渗由非饱和转变为饱和,但下部则因表层微生物生长而始终处于非饱和渗流状态,介质剖面整体渗透性变化趋势与微生物生长过程基本一致;入渗剖面p H分布因微生物生长而逐渐降低,并在微生物生长达到稳定、介质渗透性不再降低后也逐渐趋于稳定;整个回灌过程中介质内部始终处于氧化环境;微生物在近地表、近地下水面处会大量富集,回灌后近地表内微生物的群落丰富度和群落多样性显著降低,且其优势菌属与下层存在着明显差异。2.回灌水源营养物质含量及温度均会对堵塞的发展产生影响。寡营养环境中,微生物形成的生物膜量均较低,且主要为细菌菌体,EPS含量极低;低温度会一定程度延缓微生物的生长且可降低某单一细菌的生物量,但对混合菌体的总生物量基本不会造成影响,而且相同生物量中低温条件下EPS分泌更多。所以,生物堵塞需以混合菌体系的生长过程作为评估对象,靠单一模式微生物的发展情况可能会显著低估微生物作用下的堵塞程度,且低温的预估误差更大。3.非饱和渗流条件会显著影响微生物分泌的EPS形态及其组分含量。在形态上,非饱和渗流条件会导致EPS发生卷曲,促使生物膜在介质表面分布不均,且相对含水率越低,EPS卷曲和生物膜团聚现象越明显;在成分和含量上,非饱和渗流条件会促使微生物分泌更多EPS,且EPS中LB-EPS和多糖含量均显著增加,生物堵塞程度更为严重。4.非饱和渗流条件下微生物堵塞物在多孔介质内的迁移沉积受介质含水率、酸碱环境条件、回灌水离子强度和回灌入渗速度的控制。当介质含水率降低、介质内p H下降、入渗水离子强度增加或流速降低时,微生物迁移均会变慢,在介质上的沉积增加且层间沉积非均匀程度降低。5.微生物及其EPS在介质内的累积会在宏观上影响介质渗水性、水分吸持能力和溶质弥散能力。菌体大量增殖期,介质渗水性降低,溶质运移以对流作用为主导;之后,微生物分泌EPS阶段,介质渗水性降低加快,水分吸持能力逐渐增加,溶质运移也会逐渐以弥散作用为主导。6.构建了入渗剖面上微生物堵塞形成演变模型,识别了不同位置微生物堵塞的主控机制。近表层,生物堵塞主要为菌体累积作用导致,主要受营养物质的影响,演变主要包括四个阶段:菌体作用下快速发展阶段、菌体与EPS作用下加速发展阶段、EPS作用下缓慢发展阶段及堵塞稳定阶段;下部变饱和渗流区域以及靠近地下水面区域,生物堵塞主要为EPS作用,主要受到非饱和渗流作用的影响,生物堵塞演变主要包括两个阶段:EPS作用阶段和EPS与菌体共同作用阶段。
关键词：城市雨洪水;地下水回灌;变饱和渗流;微生物堵塞;胞外聚合物;堵塞机制
学科专业：地下水科学与工程
附件
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 问题的提出
1.2 国内外研究现状
1.2.1 地下水人工回灌研究进展和工程应用问题
1.2.2 雨洪水回灌过程中微生物堵塞机理研究
1.2.3 微生物膜及胞外聚合物(EPS)的基本特征与性质
1.2.4 回灌水质特征对微生物生长活动的影响
1.2.5 多孔介质特征对回灌过程中微生物生长活动的影响
1.2.6 微生物及其EPS对多孔介质孔隙的影响
1.2.7 微生物及胞外聚合物在多孔介质中迁移的规律
1.2.8 已有研究中存在的问题
1.3 研究目的与内容
1.3.1 研究目的
1.3.2 研究内容
1.4 研究思路及技术路线
1.5 创新点
第2章 人工回灌中水动力-水化学-微生物特征分析
2.1 人工回灌入渗模拟实验方案
2.1.1 野外条件概化与实验设计
2.1.2 实验装置与材料
2.1.3 实验流程
2.1.4 测试分析方法
2.2 多孔介质渗流条件变化规律
2.2.1 渗流状态变化过程
2.2.2 介质渗透性的变化规律
2.3 介质内部水化学环境特征演变
2.3.1 酸碱环境特征
2.3.2 氧化还原特征
2.4 微生物量及种群结构特征
2.4.1 微生物在入渗剖面上的富集规律
2.4.2 微生物群落丰富度和种群多样性
2.4.3 微生物物种组成
2.5 小结
第3章 人工回灌水环境条件对堵塞微生物生长的影响
3.1 微生物生长过程的批实验研究
3.1.1 堵塞模式微生物的提取
3.1.2 水环境调控因素的选择
3.1.3 微生物生长速率的测定
3.1.4 生物膜的定量分析
3.1.5 生物膜EPS的提取与测定
3.2 水中营养物含量的影响
3.2.1 单一微生物物种体系
3.2.2 多微生物种群体系
3.3 温度对微生物生长的影响
3.3.1 混合与单一物种体系的差异
3.3.2 堵塞微生物生长动力学模型
3.4 小结
第4章 微生物在回灌多孔介质内的累积特征
4.1 模式微生物在河砂表面的吸附实验方案
4.1.1 动力学吸附实验
4.1.2 等温吸附实验
4.1.3 解吸实验
4.2 不同含水率介质内微生物累积特征对比实验方案
4.2.1 含水率的选择
4.2.2 实验装置
4.2.3 介质预处理
4.2.4 实验流程
4.2.5 介质EPS的提取
4.3 微生物在河砂表面的吸附-解吸机制
4.3.1 菌落数(CFU)与OD_(600)值之间的对应关系
4.3.2 微生物在河砂表面的等温吸附规律
4.3.3 微生物在河砂表面的动态吸附规律
4.3.4 微生物在河砂表面的解吸规律
4.4 多孔介质内微生物生长特征
4.4.1 微生物生长过程
4.4.2 生物膜累积分布特征
4.5 介质表面EPS形态特征
4.6 介质内EPS累积量
4.7 小结
第5章 不同渗流状态下微生物堵塞物的动态迁移规律
5.1 不同饱和度渗流模拟实验方案
5.1.1 渗流环境条件设定
5.1.2 实验方案与装置
5.1.3 实验流程
5.1.4 样品测试与表征
5.1.5 微生物与介质间作用力计算方法
5.2 多孔介质中微生物沉积特征
5.2.1 渗透介质含水率的影响
5.2.2 酸碱环境条件的影响
5.2.3 回灌水离子强度的影响
5.2.4 回灌速度的影响
5.3 小结
第6章 人工回灌中微生物堵塞形成与时空演变模式
6.1 微生物及其EPS累积对介质渗流影响特征
6.1.1 微柱模拟实验方案
6.1.2 实验流程
6.1.3 渗透参数测试与指标确定
6.2 回灌过程中微生物堵塞时变规律
6.2.1 介质渗透系数的响应
6.2.2 回灌介质持水性的响应规律
6.2.3 生物堵塞条件下介质溶质迁移的时变特征
6.3 入渗剖面微生物堵塞形成主控机制
6.3.1 微生物数量控制区——近表层区域
6.3.2 EPS累积控制区——介质内部变饱和渗流区域
6.4 微生物堵塞时空分异演变过程
6.5 小结
第7章 结论与建议
7.1 结论
7.2 建议
参考文献
致谢