地下水循環(huán)井(Groundwater Circulation Well，GCW)作為一種原位修復技術(shù)近年來引起了廣泛關(guān)注。該技術(shù)可以耦合吹脫、空氣注入、氣相抽提、生物修復和化學氧化等多種修復技術(shù)，有望實現(xiàn)輕非水相液體(LNAPL)、重非水相液體(DNAPL)及部分無機物的同步去除。GCW修復技術(shù)充分利用了井內(nèi)空間安裝處理裝置，有效避免了傳統(tǒng)抽出處理技術(shù)能耗高、擾動大的缺陷，為地下水原位修復開辟了新思路。綜述了GCW修復技術(shù)的研究現(xiàn)狀和應用進展，梳理和總結(jié)了該技術(shù)的基本原理及系統(tǒng)組成，提出了GCW修復技術(shù)研究與應用所面臨的關(guān)鍵問題和主要挑戰(zhàn)，并對該技術(shù)未來的研究發(fā)展方向進行了展望，以期為場地地下水有機污染原位修復技術(shù)研究提供參考。

地下水循環(huán)井(Groundwater Circulation Well，GCW)修復技術(shù)發(fā)源于德國興起于美國，在揮發(fā)性有機化合物(VOCs)和半揮發(fā)性有機化合物(SVOCs)污染地下水修復中有著廣泛的應用，它是基于原位空氣擾動(AS)技術(shù)和抽出處理(P&T)技術(shù)的改進。GCW修復技術(shù)的雛形最早出現(xiàn)于1974年Raymond博士的井中曝氣試驗。隨后德國IEG公司在此基礎(chǔ)上增加了井內(nèi)處理單元，研發(fā)出特殊的過濾器用于減緩堵塞，并于1980年在歐洲實現(xiàn)商業(yè)應用。GCW修復技術(shù)充分利用了井內(nèi)空間安裝處理裝置，有效避免了傳統(tǒng)抽出處理技術(shù)能耗高、擾動大的缺陷，為地下水原位修復開辟了新思路。GCW修復技術(shù)最初發(fā)展的基本原理是利用真空泵對密封井內(nèi)的氣體進行抽提，形成負壓以使受污染地下水進入井內(nèi)。通過為地下水創(chuàng)造三維環(huán)流模式形成壓差擾動，在增加地下水影響半徑的同時，將附近地層中的污染物匯集到井內(nèi)進行原位修復。循環(huán)井將吹脫、空氣注入、氣相抽提、生物修復和化學氧化等多種修復技術(shù)結(jié)合應用在井內(nèi)，可實現(xiàn)對地下水中不同污染物的同步去除[1]。GCW修復技術(shù)可處理地下水環(huán)境中多種污染物，包括VOCs和NAPL[2]等，其簡便的操作性可以很好地適應污染物的物理化學特性和在場地中的賦存特性[3]，因此在地下水修復領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。

地下水污染防治是國家高度重視的一項工作。目前，我國地下水污染形勢嚴峻，并呈現(xiàn)由點向面擴展的趨勢。根據(jù)2015年《中國環(huán)境狀況公報》顯示，在所有監(jiān)測的地下水水井中，42.5%的監(jiān)測井被評為差水井，18.8%的監(jiān)測井被評為極差水井，并且在358個地下水水源地中，有13.6%的地下水水質(zhì)不完全符合《地下水質(zhì)量標準(GB/T 14848—2017)》[4]。常見的地下水污染物包括氨氮、重金屬、總石油烴(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體(Non-aqueous Phase Liquid，NAPL)等[5-6]。

GCW修復技術(shù)具有修復成本低、環(huán)境擾動小、能耗低等顯著優(yōu)點，并可耦合多相抽提、空氣擾動、微生物修復和化學氧化等多種修復技術(shù)，在場地地下水有機污染修復工程中的應用潛力巨大。但截止目前，GCW修復技術(shù)在我國的研究和應用尚處于起步階段，相關(guān)的研究工作大多限于室內(nèi)實驗和數(shù)值模擬，尚沒有成熟的GCW修復技術(shù)應用案例，該技術(shù)目前也未列入生態(tài)環(huán)境部《污染場地修復技術(shù)目錄》，缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)和裝備，工程應用經(jīng)驗匱乏，技術(shù)研發(fā)能力和裝備國產(chǎn)化水平亟待提升。

本文系統(tǒng)地綜述了GCW修復技術(shù)的發(fā)展歷程和相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究進展。在此基礎(chǔ)上探討了GCW修復技術(shù)研究與應用所面臨的關(guān)鍵問題和主要挑戰(zhàn)，并對該技術(shù)未來的研究發(fā)展方向進行了展望，以期對地下水污染原位修復技術(shù)研究和工程應用提供有益的參考。

1 GCW修復技術(shù)的發(fā)展歷程和基礎(chǔ)理論研究進展

1.1 GCW修復技術(shù)的發(fā)展歷程

GCW修復技術(shù)的發(fā)展歷程如圖1所示。早期的GCW修復技術(shù)被稱為“井中曝氣”或“井中處理”，其水循環(huán)原理主要基于井中兩個花管間的壓力梯度[7]。最早的文獻記載是Raymond博士等在1974年針對污染場地原位生物修復實驗中首次使用了“井中曝氣”的方法[8]。20世紀80年代，德國IEG公司創(chuàng)立了真空氣化井(UVBTM)技術(shù)，該技術(shù)由地下循環(huán)井、地表風機和空氣凈化系統(tǒng)三部分組成，在全球多個國家和地區(qū)得到推廣和應用。Gvirtzman等[9]在GCW中運用氣提技術(shù)治理VOCs，最終取得了良好的修復效果。

到了20世紀90年代，美國Wasatch Enviro Inc.簡化了氣流提升井中處理系統(tǒng)，創(chuàng)立了密度驅(qū)動流系統(tǒng)(DDC)技術(shù)，并在美國Keesler、Edward、Massachusetts、March空軍基地等項目中進行示范應用和技術(shù)評估。隨后美國斯坦福大學于1992年提出利用循環(huán)井中氣提技術(shù)處理地下水中VOCs，創(chuàng)立了氣流提升井中處理系統(tǒng)(No VOCTM)技術(shù)，首次將GCW修復技術(shù)應用到地下水污染修復。研究表明，20世紀90年代，GCW修復技術(shù)被廣泛應用于地下水的抽提和污染水體的治理[10]。

GCW修復技術(shù)雖在國內(nèi)起步較晚，但近年來各類相關(guān)的研究成果也不斷涌現(xiàn)。有學者將電修復技術(shù)(EK)與GCW聯(lián)合，研究了EK與GCW耦合強化修復技術(shù)對有機污染場地的修復效果，發(fā)現(xiàn)EK-GCW強化修復技術(shù)使地下水污染修復過程中的拖尾現(xiàn)象有了顯著改善[11]；Yuan等[12]通過GCW耦合電化學技術(shù)，將電解產(chǎn)生的O2和H2帶入受污染的含水層中，通過提供適當劑量的電子受體(O2)和供體(H2)，增強了污染物的原位生物降解；Zhao等[13]將微生物與GCW修復技術(shù)耦合，研究了循環(huán)井中降解菌對苯胺的去除機制。

雖然GCW修復技術(shù)在國內(nèi)已有一定的研究，但三維流場計算與精細刻畫、復雜地層封隔成井、影響半徑擴增與防堵塞仍是目前亟待解決的難題。該技術(shù)未來的研究方向應致力于多相同步修復一體化的研究，以及井體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級、影響半徑的擴增和集約化、智能化、模塊化的多功能反應體系的打造。

1.2 GCW修復技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究進展

GCW的水力循環(huán)方向主要包含正向流動和反向流動兩種循環(huán)模式[14-15]。正向循環(huán)模式是指地下水的流動方向為自下而上，它可以通過井內(nèi)設(shè)置地下水循環(huán)泵驅(qū)動；反向循環(huán)模式的流動方向與正向循環(huán)模式相反，水從地下含水層底部呈旋流狀向上流動。在反向循環(huán)模式下，含水層下半部分的水向井外移動，而上半部分的水向井內(nèi)移動。因此，經(jīng)處理的地下水在返回井之前，會通過水力作用影響含水層內(nèi)地下水影響的范圍，從而將地下水中的污染物收集進入井內(nèi)做進一步處理。

GCW修復技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究進展如圖2所示。1974年，Raymond博士等使用井中曝氣的方法，在原位微生物修復實驗中形成了循環(huán)井雛形[8]；基于對原位空氣擾動技術(shù)和抽出處理技術(shù)的改進，德國IEG公司在20世紀80年代提出了GCW修復技術(shù)的基礎(chǔ)理論，構(gòu)建了“井中曝氣、井中處理”技術(shù)[16]；隨后美國國防部、能源部于1997建立了循環(huán)井技術(shù)場地應用認證系統(tǒng)，包括技術(shù)原理、評價方法、具體步驟、監(jiān)測方法以及運行效果的評估，指導和推動了循環(huán)井技術(shù)的應用推廣[17]；趙勇勝[8]建立了循環(huán)井水力循環(huán)流場模擬計算方法，闡明了溶質(zhì)濃度梯度作用下的遷移規(guī)律，并提出了循環(huán)井多相流束縛飽和機制；Gao等[18]研究了FDM耦合水流可視化循環(huán)井的地下水3D穩(wěn)態(tài)流場模型及井周多相流垂向彌散，進一步完善了井流理論；Tatti等[19]開展了將GCW作為持久性低滲透性污染物源區(qū)修復技術(shù)的實驗和數(shù)值評估，認為GCW系統(tǒng)比P&T技術(shù)更適合于低滲透性含水層污染的修復。

基于GCW修復技術(shù)的理論研究，未來的研究方向應聚焦于弱透水層非達西約束、密度驅(qū)動多維多場耦合、循環(huán)井三維流場徑向溶質(zhì)運移模型和水力激發(fā)下多相污染物相間分配機制。

1.3 GCW修復技術(shù)的主要影響因素

GCW修復技術(shù)的應用主要受包括污染物的種類和性質(zhì)以及循環(huán)井工程設(shè)計參數(shù)即井內(nèi)初始水位、曝氣量和循環(huán)井自身性質(zhì)等多種因素的調(diào)控，從而影響其修復效果[20]。

影響GCW技術(shù)修復效果的因素主要包括以下幾個方面：①污染物的種類和性質(zhì)。有學者研究了GCW修復技術(shù)對污染物四氯乙烯(PCE)的去除效果，最終PCE的去除率為97.1%；另一研究以VOCs為污染物，也采用GCW修復技術(shù)對其進行去除，實驗末期污染物VOCs的濃度降低了30%～85%[21]。此外，污染物的性質(zhì)也是重要的影響因素，污染物的溶解度和黏度會通過改變液相傳質(zhì)過程而影響GCW技術(shù)的修復效果，而有機污染物的辛醇-水分配系數(shù)則主要是影響污染物遷移到井內(nèi)的能力。②循環(huán)井初始水位。Elmore等[22]利用循環(huán)井去除地下水中的三氯乙烷(TCE)，實驗修復結(jié)果顯示：淺井(深度為54～64英尺)中TCE的濃度為1 800～4 800 μg/L，深井(120.5～125.5英尺)中TCE的濃度為14～22 μg/L，說明修復效果會受井內(nèi)水位的影響。③曝氣量。曝氣量對GCW技術(shù)修復效果的影響主要體現(xiàn)在隨著曝氣量的增加，氣水兩相之間的傳質(zhì)作用加強，更有利于污染物的吹脫[11]。④與其他輔助技術(shù)的耦合。針對同一種污染物的去除，采用不同類型的循環(huán)井也會取得不同的修復效果。如Yuan等[12]以TCE為研究對象，利用生物/電解GCW修復技術(shù)對其進行去除，最終TCE的去除率為73%。另一項實驗中，研究者采用環(huán)糊精(HPCD)/垂直循環(huán)井，經(jīng)過42 d的修復處理后，TCE濃度由1 160～1 950 μg/L降為82～108 μg/L，其去除率約為94%[23]。

綜上所述，污染物性質(zhì)和循環(huán)井工程設(shè)計參數(shù)是GCW修復技術(shù)的主要影響因素。因此，在實際的場地修復中，應充分結(jié)合污染場地的背景條件，選擇合適的GCW修復技術(shù)設(shè)計參數(shù)及類型。

2 GCW修復技術(shù)的應用研究現(xiàn)狀

2.1 GCW技術(shù)修復地下水無機污染

無機污染物普遍存在于自然環(huán)境，在地下水污染中占有較大的比重，這些污染物包括：無機陽離子如砷離子、汞離子、鉛離子等，以及無機陰離子如氟離子、硝酸根、硫酸根等[24]。研究表明，GCW修復技術(shù)在金屬檢測及無機物去除方面已有相關(guān)的應用。李小龍等[25]提出了一種利用GCW修復技術(shù)對含水層中典型錳污染物進行檢測的方法，即采用液相色譜法對錳金屬進行高辨識度的檢測，在檢測出超低含量的錳污染的同時，也不會因為污染物的混雜影響檢測的效果。此外，GCW修復技術(shù)不僅能用于部分金屬的檢測，還能結(jié)合生物修復技術(shù)，用于無機污染物的去除，目前該技術(shù)已被認為是一種良好的地下水污染修復方法。

2.2 GCW技術(shù)修復地下水有機污染

目前，由人類活動造成的地下水有機污染問題也日益突出。相比無機污染，地下水中的有機污染物種類多，部分有機污染物具有持久性和高健康風險[26]。GCW修復技術(shù)與微生物、表面活性劑結(jié)合使用，對于地下水環(huán)境中有機污染的治理具有較好的修復效果。常見的GCW工藝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及修復地下水有機污染機理如圖3所示。