賈國(guó)東¹，李東艷²，鐘佐²，蔣景誠(chéng)²?
（1中科院廣州地球化學(xué)研究所，廣東 廣州5106 40；2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京100083）

　　摘要：通過(guò)砂槽試驗(yàn)研究了利用充氧水回灌法在含水層中原位處理含鐵、硫化物地下水的效果。結(jié)果表明，在含水層中形成了能有效除鐵除硫化物的氧化帶。 氧化帶的孔隙度變化十分緩慢，不致很快導(dǎo)致含水層的堵塞。硫化物的存在使除鐵效率降低 ，但在硫化物濃度為0.5mg/L時(shí)仍具有可觀的抽灌比。
　　關(guān)鍵詞：充氧水回灌；地下水處理；除鐵；硫化物
　　中圖分類號(hào)：X523
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1000-4602(2000)07-0050-03

　　含鐵地下水在我國(guó)及世界上許多國(guó)家都很常見(jiàn)，如果含水層還原條件足夠強(qiáng)，水中還可出現(xiàn) 硫化物。地下水中含鐵量超標(biāo)不僅影響其飲用和工業(yè)利用，而且是導(dǎo)致井管過(guò)濾器堵塞因而引起井供水能力衰減的一個(gè)重要因素，而水中的硫化物則是腐蝕以鑄鐵和鋼為井管管材的重 要因素。例如1991年竣工投產(chǎn)的大慶市齊家水源地的地下水中鐵含量超標(biāo)，而且含有硫化物。受此影響，水井過(guò)濾器的堵塞和井管的腐蝕現(xiàn)象十分嚴(yán)重，有的水井甚至已經(jīng)報(bào)廢，嚴(yán)重影響了供水能力。因此，尋找有效的方法來(lái)緩解堵塞和腐蝕，延長(zhǎng)現(xiàn)有水井的使用壽命成為當(dāng)務(wù)之急。
　　從水質(zhì)角度考慮，地下水中的鐵和硫化物在進(jìn)入井筒之前被除掉是緩解井管腐蝕與堵塞的關(guān)鍵。盡管采用周期性充氧水回灌來(lái)形成含F(xiàn)e(OH)₃的氧化帶用以吸附地下水中Fe²⁺的原位地層除鐵技術(shù)已有近30年的應(yīng)用^［1］，但在氧化性地層除鐵的同時(shí)，能否有效地脫除硫化物卻沒(méi)有詳細(xì)的研究報(bào)道。本文針對(duì)大慶齊家水源地遇到的實(shí)際問(wèn)題，對(duì)充氧水回灌法除鐵除硫化物的有效性和可行性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。?

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1裝置和材料
　　主體裝置為一總?cè)莘e為90cm×42cm×40cm的有機(jī)玻璃砂槽模型。槽內(nèi)充填取自齊家水源 地的泰康組含水層顆粒。在顆粒充填區(qū)前后各有一以多孔板和細(xì)篩網(wǎng)相隔的進(jìn)水區(qū)和出水區(qū) 。砂槽頂板密封承壓，其上有多個(gè)小孔，孔間距如圖1所示。其中1～11號(hào)孔向槽內(nèi)中間位置 伸有細(xì)玻璃管，可以隨時(shí)打開管口安裝的橡皮管對(duì)槽中水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

　　供水通過(guò)蠕動(dòng)泵以15mL/min的速率連續(xù)進(jìn)行。砂槽中原水的實(shí)際流速約為2cm/h。試驗(yàn)用關(guān)系參照泰康組含水層含鐵含硫化物地下水化學(xué)成分用自來(lái)水配置而成(見(jiàn)表1)。配水過(guò)程中用氮?dú)夂蚇a₂SO₃驅(qū)氧，CO₂調(diào)節(jié)pH值為65。?

　　在砂槽上游設(shè)置了三個(gè)注水孔，為打有許多小孔的有機(jī)玻璃管。自來(lái)水經(jīng)充分充氧后以一定的水頭高度向砂槽注水。每孔注充氧水8L，注水速度約為75L/h。
1.2 試驗(yàn)流程
　　在正式試驗(yàn)開始之前進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的供水，以使砂層與所配地下水達(dá)到平衡。當(dāng)出水與供水水質(zhì)相同時(shí)，即開始注水試驗(yàn)。?
　　注水是間歇性的，注水時(shí)機(jī)的選擇以監(jiān)測(cè)到的水中鐵含量為依據(jù)。本試驗(yàn)中,上游含鐵含硫化物水依次經(jīng)過(guò)2、3、4、5、6等孔，當(dāng)6號(hào)孔水中Fe²⁺濃度≥0.3mg/L（國(guó)家生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)）時(shí)，即開始向砂層注8L充氧水。如此反復(fù)進(jìn)行。?
　　對(duì)各孔的水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)主要是溶解氧（DO）、Fe²⁺和硫化物，分別以JPB—607型溶氧儀、鄰菲羅啉分光光度法和對(duì)氨基二甲基苯胺光度法進(jìn)行測(cè)定。
　　注水用的自來(lái)水同模擬的地下水相比具有很低的礦化度，二者電導(dǎo)率存在明顯差別，故可用電導(dǎo)率監(jiān)測(cè)注水過(guò)程中注水前鋒的移動(dòng)情況。?

2 試驗(yàn)結(jié)果?

2.1 注水和溶解氧的分布范圍
　　測(cè)量注水結(jié)束時(shí)各監(jiān)測(cè)孔電導(dǎo)率和DO值，得出如圖2所示的注水和DO在砂槽中的大致分布情況。由圖可見(jiàn)，注水主要分布于注水孔下游，其前鋒靠近9號(hào)孔；往上游方向延伸不遠(yuǎn)，大約在2號(hào)孔前方0.5cm；在兩側(cè)則向砂槽壁靠近。以孔隙度0.3計(jì)，這部分砂層的孔隙體積為23.44L，與注水量（24L）接近。而注水中的DO只擴(kuò)散到了孔2、3、4、5、7、8，孔6及其下游沒(méi)有DO的影響，這與氧被Fe²⁺?、硫化物等消耗及被砂層吸附有關(guān)。它還表明，縱向2號(hào)至5號(hào)孔之間，橫向至8號(hào)孔外側(cè)（假設(shè)為向外3cm）形成氧化性砂層，其孔隙體積為12.1L，即約為一次注水所占空間（24L）的50%。

2.2 除鐵除硫效果?

　　表2、3分別為第14次注水后，各孔位鐵、硫化物濃度的變化情況。

　　可以看出，沿水流方向，鐵、硫化物濃度逐漸向前推移變化，硫化物的去除相當(dāng)明顯，砂層中形成的氫氧化鐵起到了脫硫作用。同時(shí)被硫化物還原形成的亞鐵進(jìn)入水中，導(dǎo)致高含鐵量原水的情況。但這種含鐵水仍受到下游方向氧化性砂層的過(guò)濾作用，當(dāng)其在6號(hào)孔超標(biāo)時(shí)，又將開始新一輪充氧注水，使氧化性砂層再生。如此周而復(fù)始，使除鐵除硫同時(shí)完成。由表3還可發(fā)現(xiàn)在5號(hào)與6號(hào)孔之間除硫效果不明顯，這與該處未能形成氧化性砂層有關(guān)，也從另一方面證明了氫氧化鐵的除硫作用。

3 討論

3.1注水對(duì)含水層孔隙度的影響
　　通過(guò)充氧水的回灌，在含水層中逐漸創(chuàng)造出一個(gè)沉淀有Fe(OH)₃的氧化帶，此氧化帶對(duì)地下水中Fe²⁺有吸附截留作用，對(duì)硫化物有氧化作用。由于地下水中Fe²⁺被吸附，然后氧化截留于氧化帶中，故氧化帶的孔隙度必將逐步減小?？紫抖葴p小到一定程度，同樣會(huì)導(dǎo)致供水井生產(chǎn)能力的下降，因而有必要對(duì)此作一定量估算。?
　　現(xiàn)以齊家水源地為例，其含水層孔隙度n_i=0.25，地下水中［Fe²⁺］為3mg/L，假設(shè)單井一次注水量等于其每天供水量(2000m³)，再假設(shè)形成的氧化帶只占一次注水所占據(jù)含水層體積的30%（試驗(yàn)為50%），則其體積V=2400m³，年供水量Q=73×10⁸L/a。經(jīng)計(jì)算，得T=82年，即初始孔隙度減小20%需要80多年。
　　這表明，對(duì)由于地下水中Fe²⁺被截留氧化于含水層中而可能導(dǎo)致含水層堵塞的擔(dān)心是不必要的。
3.2 除硫?qū)ΤF的影響
? 充氧水回灌法的初始目的就是為了除鐵除錳，但由于地下水中還可能存在硫化物、有機(jī)物、氨氮等還原類耗氧物質(zhì)，使得注入含水層的氧并不能全部用于鐵錳的氧化。于是有學(xué)者提出“氧的有效率（O₂ efficient）”概念，指的是鐵錳氧化所耗氧之理論值占總耗氧量的份額。其有效率越高，經(jīng)濟(jì)效果越明顯。
　　本試驗(yàn)僅考慮硫化物對(duì)除鐵的影響，當(dāng)pH＜7時(shí)，H₂S是水中硫化物的主要存在形式，其氧化產(chǎn)物主要是SO₄^2-。?
　　根據(jù)試驗(yàn)，實(shí)際的除鐵除硫過(guò)程是注水過(guò)程砂層中的原水逐漸被驅(qū)替到注水區(qū)域以外，只在二者混合 帶這一小范圍內(nèi)發(fā)生水中的Fe²⁺、硫化物與DO的直接氧化還原反應(yīng)。注入砂層中的絕大部分O₂是與注水區(qū)域內(nèi)被氫氧化鐵所吸附的177666起反應(yīng)生成Fe(OH)₃，這些新生的Fe(OH)3將起到吸附鐵和除硫的作用。?
　　氫氧化鐵去除硫化物的反應(yīng)可用下式表示：?
　　H₂S+8Fe(OH)₃=SO₄^2-+8Fe²⁺+14OH^-+6H₂O 　　(1)
　　根據(jù)上式，去除0.5mg的硫化物，將破壞掉13.35mgFe(OH)₃沉淀物，產(chǎn)生6.98mg的Fe²⁺，這也就是何以在表2中2、3、4等孔位鐵含量超出原始鐵含量的緣故。當(dāng)然，F(xiàn)e(OH)₃并不是完全被破壞掉，以注1L含7.5mgDO的水為例，7.5mgO₂可以與Fe²⁺反應(yīng)生成100.13mg的Fe(OH)₃，當(dāng)抽灌比(抽出的不含鐵和硫化物的水量與注水量之比)為613時(shí)，說(shuō)明有6.13份含0.5mg/L硫化物的地下水被除掉了硫化物。按上述比例，100.13mgFe(OH)₃中的68.49mg將被破壞掉，余下的31.64mg對(duì)Fe²⁺起吸附截留作用，故Fe(OH)₃除鐵的有效利用率為31.6%。?

電話：(020)85290714?
收稿日期：2000-01-26