賈國東¹，李東艷²，鐘佐²，蔣景誠²?
（1中科院廣州地球化學研究所，廣東 廣州5106 40；2中國地質大學，北京100083）

　　摘要：通過砂槽試驗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時仍具有可觀的抽灌比。
　　關鍵詞：充氧水回灌；地下水處理；除鐵；硫化物
　　中圖分類號：X523
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2000)07-0050-03

　　含鐵地下水在我國及世界上許多國家都很常見，如果含水層還原條件足夠強，水中還可出現 硫化物。地下水中含鐵量超標不僅影響其飲用和工業利用，而且是導致井管過濾器堵塞因而引起井供水能力衰減的一個重要因素，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年竣工投產的大慶市齊家水源地的地下水中鐵含量超標，而且含有硫化物。受此影響，水井過濾器的堵塞和井管的腐蝕現象十分嚴重，有的水井甚至已經報廢，嚴重影響了供水能力。因此，尋找有效的方法來緩解堵塞和腐蝕，延長現有水井的使用壽命成為當務之急。
　　從水質角度考慮，地下水中的鐵和硫化物在進入井筒之前被除掉是緩解井管腐蝕與堵塞的關鍵。盡管采用周期性充氧水回灌來形成含Fe(OH)₃的氧化帶用以吸附地下水中Fe²⁺的原位地層除鐵技術已有近30年的應用^［1］，但在氧化性地層除鐵的同時，能否有效地脫除硫化物卻沒有詳細的研究報道。本文針對大慶齊家水源地遇到的實際問題，對充氧水回灌法除鐵除硫化物的有效性和可行性進行了試驗研究。?

1 試驗材料與方法

1.1裝置和材料
　　主體裝置為一總容積為90cm×42cm×40cm的有機玻璃砂槽模型。槽內充填取自齊家水源 地的泰康組含水層顆粒。在顆粒充填區前后各有一以多孔板和細篩網相隔的進水區和出水區 。砂槽頂板密封承壓，其上有多個小孔，孔間距如圖1所示。其中1～11號孔向槽內中間位置 伸有細玻璃管，可以隨時打開管口安裝的橡皮管對槽中水質進行監測。

　　供水通過蠕動泵以15mL/min的速率連續進行。砂槽中原水的實際流速約為2cm/h。試驗用關系參照泰康組含水層含鐵含硫化物地下水化學成分用自來水配置而成(見表1)。配水過程中用氮氣和Na₂SO₃驅氧，CO₂調節pH值為65。?

　　在砂槽上游設置了三個注水孔，為打有許多小孔的有機玻璃管。自來水經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 試驗流程
　　在正式試驗開始之前進行了長時間的供水，以使砂層與所配地下水達到平衡。當出水與供水水質相同時，即開始注水試驗。?
　　注水是間歇性的，注水時機的選擇以監測到的水中鐵含量為依據。本試驗中,上游含鐵含硫化物水依次經過2、3、4、5、6等孔，當6號孔水中Fe²⁺濃度≥0.3mg/L（國家生活飲用水標準）時，即開始向砂層注8L充氧水。如此反復進行。?
　　對各孔的水質監測指標主要是溶解氧（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氨基二甲基苯胺光度法進行測定。
　　注水用的自來水同模擬的地下水相比具有很低的礦化度，二者電導率存在明顯差別，故可用電導率監測注水過程中注水前鋒的移動情況。?

2 試驗結果?

2.1 注水和溶解氧的分布范圍
　　測量注水結束時各監測孔電導率和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，注水主要分布于注水孔下游，其前鋒靠近9號孔；往上游方向延伸不遠，大約在2號孔前方0.5cm；在兩側則向砂槽壁靠近。以孔隙度0.3計，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只擴散到了孔2、3、4、5、7、8，孔6及其下游沒有DO的影響，這與氧被Fe²⁺?、硫化物等消耗及被砂層吸附有關。它還表明，縱向2號至5號孔之間，橫向至8號孔外側（假設為向外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，硫化物的去除相當明顯，砂層中形成的氫氧化鐵起到了脫硫作用。同時被硫化物還原形成的亞鐵進入水中，導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濾作用，當其在6號孔超標時，又將開始新一輪充氧注水，使氧化性砂層再生。如此周而復始，使除鐵除硫同時完成。由表3還可發現在5號與6號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，也從另一方面證明了氫氧化鐵的除硫作用。

3 討論

3.1注水對含水層孔隙度的影響
　　通過充氧水的回灌，在含水層中逐漸創造出一個沉淀有Fe(OH)₃的氧化帶，此氧化帶對地下水中Fe²⁺有吸附截留作用，對硫化物有氧化作用。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。孔隙度減小到一定程度，同樣會導致供水井生產能力的下降，因而有必要對此作一定量估算。?
　　現以齊家水源地為例，其含水層孔隙度n_i=0.25，地下水中［Fe²⁺］為3mg/L，假設單井一次注水量等于其每天供水量(2000m³)，再假設形成的氧化帶只占一次注水所占據含水層體積的30%（試驗為50%），則其體積V=2400m³，年供水量Q=73×10⁸L/a。經計算，得T=82年，即初始孔隙度減小20%需要80多年。
　　這表明，對由于地下水中Fe²⁺被截留氧化于含水層中而可能導致含水層堵塞的擔心是不必要的。
3.2 除硫對除鐵的影響
? 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、有機物、氨氮等還原類耗氧物質，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，經濟效果越明顯。
　　本試驗僅考慮硫化物對除鐵的影響，當pH＜7時，H₂S是水中硫化物的主要存在形式，其氧化產物主要是SO₄^2-。?
　　根據試驗，實際的除鐵除硫過程是注水過程砂層中的原水逐漸被驅替到注水區域以外，只在二者混合 帶這一小范圍內發生水中的Fe²⁺、硫化物與DO的直接氧化還原反應。注入砂層中的絕大部分O₂是與注水區域內被氫氧化鐵所吸附的177666起反應生成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可用下式表示：?
　　H₂S+8Fe(OH)₃=SO₄^2-+8Fe²⁺+14OH^-+6H₂O 　　(1)
　　根據上式，去除0.5mg的硫化物，將破壞掉13.35mgFe(OH)₃沉淀物，產生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。當然，Fe(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⁺反應生成100.13mg的Fe(OH)₃，當抽灌比(抽出的不含鐵和硫化物的水量與注水量之比)為613時，說明有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