一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法技术

本发明专利技术公开一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法，包括以下步骤：将灭菌后的石英砂装填到有机玻璃柱内；分别从回灌井和河水中采集水样，并配制灭菌营养液；通过人工回灌模拟装置来模拟不同的回灌方式进行回灌；记录回灌时的出水体积和各测压管水头，进而计算饱和渗透系数，通过相对饱和渗透系数的变化反映有机玻璃柱的柱体内介质的堵塞情况；并对水样一、水样三和回灌试验后采集的砂样进行微生物学分析；通过对比不同回灌方式下含水层介质的饱和渗透系数和微生物群落特征，对堵塞过程中的优势菌进行溯源。本发明专利技术可为提高人工回灌含水层效率和防治含水层堵塞提供科学参考。堵塞提供科学参考。堵塞提供科学参考。

【技术实现步骤摘要】
一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法


[0001]本专利技术属于地下水环境保护领域，尤其涉及一种追溯地下水人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法。

技术介绍

[0002]地下水人工回灌不仅可以有效解决地下水资源过度开采引起的诸多环境问题，同时也是实现水资源的地表和地下联合调度，优化水资源配置，提高水资源综合利用率的必经之路。然而，大量工程实践表明，由于回灌水和地层水水质不匹配，引发回灌效率降低甚至回灌井严重堵塞。按照堵塞成因，可将含水层堵塞分为物理堵塞、化学堵塞和微生物堵塞。其中，微生物堵塞一旦形成，含水层渗透性很难恢复，且极易与物理、化学堵塞形成复合效应，加快含水层堵塞速率。人工回灌涉及到地表水和地下水的联合调度，而不同水源中微生物群落特征差异较大。目前，针对人工回灌过程中导致含水层堵塞的菌种来源问题的研究不够深入。

技术实现思路

[0003]基于上述技术问题，本专利技术提出一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法。
[0004]本专利技术所采用的技术解决方案是：
[0005]一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法，其采用人工回灌模拟装置，该装置包括有机玻璃柱，有机玻璃柱的顶部进口通过进水管与进水槽连通，在进水管上设置有定水头装置，有机玻璃柱的底部出口通过出水管与出水槽连通，在有机玻璃柱的一侧上部设置有溢流口，在有机玻璃柱的另一侧上下间隔连接有测压管，在测压管的末端处设置有测压板；
[0006]该方法包括以下步骤：
[0007](1)将灭菌后的石英砂装填到有机玻璃柱内；
[0008](2)从回灌井中抽取两份地下水水样，一份水样用于地下水微生物测序，记为水样一，另一份水样用于回罐模拟，记为水样二；并从河水中采集两份河水水样，一份水样用于河水微生物测序，记为水样三，另一份水样用于回罐模拟，记为水样四；
[0009](3)在实验室配制灭菌营养液；
[0010](4)将步骤(2)中的水样二和水样四，以及步骤(3)中的灭菌营养液作为回灌液，通过人工回灌模拟装置来模拟不同的回灌方式进行回灌；
[0011]进水槽中的回灌液经定水头装置由有机玻璃柱的顶部进口进入，流经有机玻璃柱，从有机玻璃柱的底部出口排出；每隔一段时间，记录人工回灌模拟装置的出水体积和各测压管水头，进而计算饱和渗透系数，通过相对饱和渗透系数的变化反映有机玻璃柱的柱体内介质的堵塞情况；
[0012](5)对水样一、水样三和回灌试验后采集的砂样进行微生物学分析；
[0013](6)通过对比不同回灌方式下含水层介质的饱和渗透系数和微生物群落特征，对堵塞过程中的优势菌进行溯源。
[0014]优选的，所述有机玻璃柱高20cm，内径5cm；溢流口设置在有机玻璃柱的柱体左侧距离顶部2cm处，有机玻璃柱的柱体右侧距离顶部4、6、8、10和20cm处分别设置与测压管相连通的端口；有机玻璃柱的有效填充高度为16cm；所述定水头装置为蠕动泵。
[0015]优选的，步骤(1)中：所述石英砂的粒径为0.5mm，石英砂的灭菌过程为在120
‑
130℃的烘箱中灭菌6
‑
8h，石英砂作为模拟装置含水介质以等厚度湿式装填到有机玻璃柱内。
[0016]优选的，步骤(1)中，所述有机玻璃柱在填充石英砂的过程中采用湿式保柱的方式，具体步骤如下：将饱柱水注入进出水阀关闭的有机玻璃柱中，一次称量一定重量灭菌后的石英砂，填充有机玻璃柱，两次之后用恒定压力压实砂柱，重复试验。
[0017]优选的，步骤(3)中：配制营养液分别采用葡萄糖，NaNO3和K2HPO4作为微生物生长的唯一碳、氮和磷源；将营养液在温度120
‑
130℃，压力0.987ATM条件下灭菌处理10
‑
15min。
[0018]优选的，步骤(4)中，回灌方式包括四种：第一种，河水回灌地下水饱水含水层，即采用水样二饱柱，采用水样四回灌；第二种，灭菌营养液回灌地下水饱水含水层，即采用水样二饱柱，采用灭菌营养液回灌；第三种，河水回灌灭菌去离子水饱水含水层，即采用灭菌去离子水饱柱，采用水样四回灌；第四种，灭菌营养液回灌灭菌去离子水饱水含水层，即采用灭菌去离子水饱柱，采用灭菌营养液回灌。
[0019]优选的，步骤(4)中：每隔4小时，记录人工回灌模拟装置的出水体积和各测压管水头。
[0020]优选的，步骤(4)中：饱和渗透系数的计算公式为
[0021]式中，上标i指的是砂柱中的某层；K
si
表示第i层的K
s
，具体地K
s1
对应于距砂柱顶部4至6cm区间的饱和渗透系数，K
s2
对应于距砂柱顶部6至8cm的饱和渗透系数，K
s3
对应于距砂柱顶部8至10cm的饱和渗透系数，K
s4
对应于距砂柱顶部10至20cm的饱和渗透系数，K
s1
‑4对应于距砂柱顶部4至20cm的饱和渗透系数；Q是渗透流量，即通过砂柱各断面的体积流量(mL/s)，L
i
是渗透途径，即液压头间过水断面的距离(cm)，A是过水断面的横断面积(cm2)，(ΔH)
i
是过水断面水头差(cm)。
[0022]优选的，步骤(4)中：
[0023]采用介质的相对饱和渗透系数(K
si
)
′
表征回灌堵塞情况，即t时的K
sti
值与其初始值，即零时的K
si
值之比；
[0024]当(K
si
)
′
值降至0.1时，即砂柱的饱和渗透系数降低至初始值的10％时，认为砂柱发生堵塞；将砂柱拆下并取样进行微生物群落分析。
[0025]优选的，步骤(5)中：
[0026]分别将水样一和水样三，用0.45μmPES微孔滤膜过滤，将微孔滤膜立即转移到无菌离心管中，保存在
‑
80℃；
[0027]回灌试验结束后，用消毒勺采集砂柱表层砂样，立即转移至无菌离心管中，并保存在
‑
80℃；
[0028]采用高通量测序，利用测序结果进行微生物群落多样性、丰富度和相关性分析比
较，筛选出优势菌种来源。
[0029]本专利技术的有益技术效果是：
[0030]本专利技术通过对比不同回灌方式下含水层介质的饱和渗透系数和微生物群落特征，对堵塞过程中的优势菌进行溯源，可为提高人工回灌含水层效率和防治含水层堵塞提供科学参考。
附图说明
[0031]下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步说明：
[0032]图1为本专利技术所涉及人工回灌模拟装置的结构原理示意图；
[0033]图2为本专利技术应用实例中使用分层聚类热图；
[0034]图3为本专利技术应用实例中基于加权Unifrac距离的主坐标分析图。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法，其特征在于，采用人工回灌模拟装置，该装置包括有机玻璃柱，有机玻璃柱的顶部进口通过进水管与进水槽连通，在进水管上设置有定水头装置，有机玻璃柱的底部出口通过出水管与出水槽连通，在有机玻璃柱的一侧上部设置有溢流口，在有机玻璃柱的另一侧上下间隔连接有测压管，在测压管的末端处设置有测压板；该方法包括以下步骤：(1)将灭菌后的石英砂装填到有机玻璃柱内；(2)从回灌井中抽取两份地下水水样，一份水样用于地下水微生物测序，记为水样一，另一份水样用于回罐模拟，记为水样二；并从河水中采集两份河水水样，一份水样用于河水微生物测序，记为水样三，另一份水样用于回罐模拟，记为水样四；(3)在实验室配制灭菌营养液；(4)将步骤(2)中的水样二和水样四，以及步骤(3)中的灭菌营养液作为回灌液，通过人工回灌模拟装置来模拟不同的回灌方式进行回灌；进水槽中的回灌液经定水头装置由有机玻璃柱的顶部进口进入，流经有机玻璃柱，从有机玻璃柱的底部出口排出；每隔一段时间，记录人工回灌模拟装置的出水体积和各测压管水头，进而计算饱和渗透系数，通过相对饱和渗透系数的变化反映有机玻璃柱的柱体内介质的堵塞情况；(5)对水样一、水样三和回灌试验后采集的砂样进行微生物学分析；(6)通过对比不同回灌方式下含水层介质的饱和渗透系数和微生物群落特征，对堵塞过程中的优势菌进行溯源。2.根据权利要求1所述的一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法，其特征在于：所述有机玻璃柱高20cm，内径5cm；溢流口设置在有机玻璃柱的柱体左侧距离顶部2cm处，有机玻璃柱的柱体右侧距离顶部4、6、8、10和20cm处分别设置与测压管相连通的端口；有机玻璃柱的有效填充高度为16cm；所述定水头装置为蠕动泵。3.根据权利要求1所述的一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法，其特征在于，步骤(1)中：所述石英砂的粒径为0.5mm，石英砂的灭菌过程为在120
‑
130℃的烘箱中灭菌6
‑
8h，石英砂作为模拟装置含水介质以等厚度湿式装填到有机玻璃柱内。4.根据权利要求1所述的一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述有机玻璃柱在填充石英砂的过程中采用湿式饱柱的方式，具体步骤如下：将饱柱水注入进出水阀关闭的有机玻璃柱中，一次称量一定重量灭菌后的石英砂，填充有机玻璃柱，两次之后用恒定压力压实砂柱，重复试验。5.根据权利要求1所述的一种追溯人工回灌过程中含水层微生物堵塞优势菌种来源的方法，其特征在于，步骤(3)中：配制营养液分别采用葡萄糖，NaNO3和K2HPO4作为微生物生长的唯一碳、氮和磷源；将营养液在温度120
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130℃，压力0.987ATM条件下灭菌处理10
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15min。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏璐，游海池，刘金慧，吴文礼，高宗军，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：