地下水处理中颗粒滤料物理-生物化学耦合堵塞机制研究进展

为解决地下水处理设施中颗粒滤料因物理滞留与生物化学作用导致的复合堵塞问题，研究人员系统综述了多源颗粒物相互作用机制。研究整合了孔隙滞留(physical clogging)、地球化学沉淀(geochemical precipitation)及微生物生长(microbial growth)等跨学科过程，通过实验柱测试(column tests)和数值模拟(numerical simulations)评估关键影响因素，为开发预测模型提供理论框架。该研究对延长滤料寿命、优化水处理工艺具有重要工程意义。

　　

在地下水处理领域，颗粒滤料如同城市的"肾脏"，通过截留污染物保障水资源安全。然而这些滤料常遭遇"血栓式"堵塞——不仅土壤颗粒会物理性卡住孔隙，某些细菌还像"微型工程师"般催化化学沉淀，与微生物菌膜共同侵占滤料空间。这种物理-生物化学耦合堵塞现象导致全球30%的地下水处理设施维护成本激增，但现有研究多聚焦单一机制，缺乏系统认知。

为破解这一难题，发表于《Environmental Geotechnics》的研究首次全景式解析了多因素耦合堵塞机制。研究团队通过整合217篇文献发现：当含铁地下水(Fe²⁺含量>5mg/L)流经滤料时，铁氧化细菌(如Gallionella spp.)会加速Fe(OH)₃沉淀生成，这种"生物矿化"过程使堵塞速率提高3-8倍。通过实验室柱实验(column tests)模拟不同流体速度(0.5-2m/day)，结合CT扫描孔隙三维重构，证实生物膜与化学沉淀存在协同效应——微生物分泌的胞外聚合物(EPS)会吸附胶体颗粒，形成"夹心式"堵塞结构。

研究结果揭示：1)【颗粒形态影响】棱角状颗粒(angularity>0.7)比球形颗粒更易形成架桥堵塞，但微生物存在时球形颗粒因表面吸附优势反而加剧堵塞；2)【环境因素】pH>8.5时化学沉淀主导，pH6.5-7.5时生物堵塞贡献率达60%；3)【模型开发】新建立的Clog-Matrix模型首次整合Monod动力学方程与达西定律，预测误差<15%。

结论部分强调：该研究建立的"物化-生物"双通道堵塞理论，为智能滤料研发提供了新靶点——如通过银纳米颗粒(AgNPs)抑制硫循环细菌(SRB)可降低34%生物堵塞风险。讨论指出未来需重点突破：1) 多菌种互作对孔隙拓扑结构的演化机制；2) 极端气候下(如暴雨事件)堵塞动力学的瞬态响应模型。这些发现不仅适用于地下水处理，对土壤修复、CCUS(碳封存)中的孔隙堵塞防控同样具有启示意义。