充氧水回灌治理含铁和硫化物的地下水

贾国东¹，李东艳²，钟佐²，蒋景诚²?
（1中科院广州地球化学研究所，广东 广州5106 40；2中国地质大学，北京100083）

　　摘要：通过砂槽试验研究了利用充氧水回灌法在含水层中原位处理含铁、硫化物地下水的效果。结果表明，在含水层中形成了能有效除铁除硫化物的氧化带。 氧化带的孔隙度变化十分缓慢，不致很快导致含水层的堵塞。硫化物的存在使除铁效率降低 ，但在硫化物浓度为0.5mg/L时仍具有可观的抽灌比。
　　关键词：充氧水回灌；地下水处理；除铁；硫化物
　　中图分类号：X523
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2000)07-0050-03

　　含铁地下水在我国及世界上许多国家都很常见，如果含水层还原条件足够强，水中还可出现 硫化物。地下水中含铁量超标不仅影响其饮用和工业利用，而且是导致井管过滤器堵塞因而引起井供水能力衰减的一个重要因素，而水中的硫化物则是腐蚀以铸铁和钢为井管管材的重 要因素。例如1991年竣工投产的大庆市齐家水源地的地下水中铁含量超标，而且含有硫化物。受此影响，水井过滤器的堵塞和井管的腐蚀现象十分严重，有的水井甚至已经报废，严重影响了供水能力。因此，寻找有效的方法来缓解堵塞和腐蚀，延长现有水井的使用寿命成为当务之急。
　　从水质角度考虑，地下水中的铁和硫化物在进入井筒之前被除掉是缓解井管腐蚀与堵塞的关键。尽管采用周期性充氧水回灌来形成含Fe(OH)₃的氧化带用以吸附地下水中Fe²⁺的原位地层除铁技术已有近30年的应用^［1］，但在氧化性地层除铁的同时，能否有效地脱除硫化物却没有详细的研究报道。本文针对大庆齐家水源地遇到的实际问题，对充氧水回灌法除铁除硫化物的有效性和可行性进行了试验研究。?

1 试验材料与方法

1.1装置和材料
　　主体装置为一总容积为90cm×42cm×40cm的有机玻璃砂槽模型。槽内充填取自齐家水源 地的泰康组含水层颗粒。在颗粒充填区前后各有一以多孔板和细筛网相隔的进水区和出水区 。砂槽顶板密封承压，其上有多个小孔，孔间距如图1所示。其中1～11号孔向槽内中间位置 伸有细玻璃管，可以随时打开管口安装的橡皮管对槽中水质进行监测。

　　供水通过蠕动泵以15mL/min的速率连续进行。砂槽中原水的实际流速约为2cm/h。试验用关系参照泰康组含水层含铁含硫化物地下水化学成分用自来水配置而成(见表1)。配水过程中用氮气和Na₂SO₃驱氧，CO₂调节pH值为65。?

　　在砂槽上游设置了三个注水孔，为打有许多小孔的有机玻璃管。自来水经充分充氧后以一定的水头高度向砂槽注水。每孔注充氧水8L，注水速度约为75L/h。
1.2 试验流程
　　在正式试验开始之前进行了长时间的供水，以使砂层与所配地下水达到平衡。当出水与供水水质相同时，即开始注水试验。?
　　注水是间歇性的，注水时机的选择以监测到的水中铁含量为依据。本试验中,上游含铁含硫化物水依次经过2、3、4、5、6等孔，当6号孔水中Fe²⁺浓度≥0.3mg/L（国家生活饮用水标准）时，即开始向砂层注8L充氧水。如此反复进行。?
　　对各孔的水质监测指标主要是溶解氧（DO）、Fe²⁺和硫化物，分别以JPB—607型溶氧仪、邻菲罗啉分光光度法和对氨基二甲基苯胺光度法进行测定。
　　注水用的自来水同模拟的地下水相比具有很低的矿化度，二者电导率存在明显差别，故可用电导率监测注水过程中注水前锋的移动情况。?

2 试验结果?

2.1 注水和溶解氧的分布范围
　　测量注水结束时各监测孔电导率和DO值，得出如图2所示的注水和DO在砂槽中的大致分布情况。由图可见，注水主要分布于注水孔下游，其前锋靠近9号孔；往上游方向延伸不远，大约在2号孔前方0.5cm；在两侧则向砂槽壁靠近。以孔隙度0.3计，这部分砂层的孔隙体积为23.44L，与注水量（24L）接近。而注水中的DO只扩散到了孔2、3、4、5、7、8，孔6及其下游没有DO的影响，这与氧被Fe²⁺?、硫化物等消耗及被砂层吸附有关。它还表明，纵向2号至5号孔之间，横向至8号孔外侧（假设为向外3cm）形成氧化性砂层，其孔隙体积为12.1L，即约为一次注水所占空间（24L）的50%。

2.2 除铁除硫效果?

　　表2、3分别为第14次注水后，各孔位铁、硫化物浓度的变化情况。

　　可以看出，沿水流方向，铁、硫化物浓度逐渐向前推移变化，硫化物的去除相当明显，砂层中形成的氢氧化铁起到了脱硫作用。同时被硫化物还原形成的亚铁进入水中，导致高含铁量原水的情况。但这种含铁水仍受到下游方向氧化性砂层的过滤作用，当其在6号孔超标时，又将开始新一轮充氧注水，使氧化性砂层再生。如此周而复始，使除铁除硫同时完成。由表3还可发现在5号与6号孔之间除硫效果不明显，这与该处未能形成氧化性砂层有关，也从另一方面证明了氢氧化铁的除硫作用。

3 讨论

3.1注水对含水层孔隙度的影响
　　通过充氧水的回灌，在含水层中逐渐创造出一个沉淀有Fe(OH)₃的氧化带，此氧化带对地下水中Fe²⁺有吸附截留作用，对硫化物有氧化作用。由于地下水中Fe²⁺被吸附，然后氧化截留于氧化带中，故氧化带的孔隙度必将逐步减小。孔隙度减小到一定程度，同样会导致供水井生产能力的下降，因而有必要对此作一定量估算。?
　　现以齐家水源地为例，其含水层孔隙度n_i=0.25，地下水中［Fe²⁺］为3mg/L，假设单井一次注水量等于其每天供水量(2000m³)，再假设形成的氧化带只占一次注水所占据含水层体积的30%（试验为50%），则其体积V=2400m³，年供水量Q=73×10⁸L/a。经计算，得T=82年，即初始孔隙度减小20%需要80多年。
　　这表明，对由于地下水中Fe²⁺被截留氧化于含水层中而可能导致含水层堵塞的担心是不必要的。
3.2 除硫对除铁的影响
? 充氧水回灌法的初始目的就是为了除铁除锰，但由于地下水中还可能存在硫化物、有机物、氨氮等还原类耗氧物质，使得注入含水层的氧并不能全部用于铁锰的氧化。于是有学者提出“氧的有效率（O₂ efficient）”概念，指的是铁锰氧化所耗氧之理论值占总耗氧量的份额。其有效率越高，经济效果越明显。
　　本试验仅考虑硫化物对除铁的影响，当pH＜7时，H₂S是水中硫化物的主要存在形式，其氧化产物主要是SO₄^2-。?
　　根据试验，实际的除铁除硫过程是注水过程砂层中的原水逐渐被驱替到注水区域以外，只在二者混合 带这一小范围内发生水中的Fe²⁺、硫化物与DO的直接氧化还原反应。注入砂层中的绝大部分O₂是与注水区域内被氢氧化铁所吸附的177666起反应生成Fe(OH)₃，这些新生的Fe(OH)3将起到吸附铁和除硫的作用。?
　　氢氧化铁去除硫化物的反应可用下式表示：?
　　H₂S+8Fe(OH)₃=SO₄^2-+8Fe²⁺+14OH^-+6H₂O 　　(1)
　　根据上式，去除0.5mg的硫化物，将破坏掉13.35mgFe(OH)₃沉淀物，产生6.98mg的Fe²⁺，这也就是何以在表2中2、3、4等孔位铁含量超出原始铁含量的缘故。当然，Fe(OH)₃并不是完全被破坏掉，以注1L含7.5mgDO的水为例，7.5mgO₂可以与Fe²⁺反应生成100.13mg的Fe(OH)₃，当抽灌比(抽出的不含铁和硫化物的水量与注水量之比)为613时，说明有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将被破坏掉，余下的31.64mg对Fe²⁺起吸附截留作用，故Fe(OH)₃除铁的有效利用率为31.6%。?

电话：(020)85290714?
收稿日期：2000-01-26