一種基于硫酸鹽還原的地下水原位除砷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種除砷方法，尤其涉及一種基于硫酸鹽（硫酸亞鐵）還原作用的地 下水原位除砷方法，屬于地下水原位修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 砷是一種有毒類金屬元素，與鉻、鎘、汞、鉛等被列為重金屬五毒之一。長期暴露在 高砷環(huán)境下將會造成消化系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等多種疾病，并有可能導(dǎo)致多種癌癥。飲用高砷地 下水是砷進(jìn)入人體的主要途徑之一。高砷地下水分布在全球70多個國家，影響人口超過 1. 5億人。以我國為例，2002年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，高砷地下水在8個省市都有發(fā)現(xiàn)，高砷暴 露人口達(dá)到200萬人。因此，高砷地下水的改良與修復(fù)是當(dāng)前污染水文地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域亟待解 決的問題之一。
[0003] 天然高砷地下水的特點是分布范圍廣、體積大、污染源和途徑難以識別，成為水質(zhì) 改善難點。圍繞著高砷地下水的修復(fù)技術(shù)，國內(nèi)外研宄學(xué)者相繼提出了吸附法、沉淀法、生 物法、膜處理法等多種方法。然而，以上技術(shù)當(dāng)前主要依靠抽出處理實施，即將地下水抽出 至地表，再進(jìn)行針對性處理。該方法處理量小，成本較高，難以開展廣泛的應(yīng)用和推廣。
[0004] 近年來，以滲透性反應(yīng)墻技術(shù)、電化學(xué)方法、原位曝氣法為代表的原位處理技術(shù)得 到了快速發(fā)展。以上技術(shù)往往存在需要大面積開挖、修復(fù)效果不理想、成本相對較高等問 題。天然成因高砷地下水分布范圍廣、體量大及污染源與污染途徑難以識別的特點使得上 述方法很難實現(xiàn)工程實踐與應(yīng)用推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供了一種基于硫酸鹽還原的地下水原位除砷方法，通過該方 法原位固定并抑制砷的釋放，可以從源頭上實現(xiàn)根本性的高砷地下水修復(fù)，具有除砷效率 高，安全、穩(wěn)定的特點；同時，該方法所選取的除砷試劑（FeS0 4)廉價易得，工藝簡單，經(jīng)濟(jì)適 用。
[0006] 該方法遴選FeS04作為基本除砷試劑，通過周期性注入硫酸亞鐵試劑，并利用抽水 井制造局部流場引導(dǎo)試劑的迀移和反應(yīng)，在土著微生物介導(dǎo)下促進(jìn)注入的FeS0 4&高砷含 水層廣泛存在的硫化物發(fā)生還原-沉淀反應(yīng)，生成穩(wěn)定、均勻的鐵硫化物（主要礦物形態(tài)為 馬基諾礦（FeS)和硫鐵礦（FeS 2))沉淀。生成的鐵硫化物一方面可以通過吸附和共沉淀作 用降低水砷濃度；另一方面，在沉積物表面形成致密鍍鐵層，也將從源頭抑制固相砷向地下 水中的釋放。該方法的主要固砷機(jī)理如下：
[0007] S042>2CH20 - H2S+2HC(V ⑴
[0008] H2S=HS>H+ (2)
[0009] Fe2++HS>〇r= FeS+H20 (3)
[0010] FeS+S = FeS2 (4)
[0011] FeS/FeS2+As - FeS/FeS2_As (吸附）（5)
[0012] FeS+As- FeAsS(砷硫鐵礦）⑶
[0013] 該方法利用含水層的強(qiáng)還原條件和活躍的微生物脫硫作用產(chǎn)生高含量溶解性硫 化物，在不改變含水層物化條件的基礎(chǔ)上，生成具有強(qiáng)固砷能力的鐵硫化物礦物，在還原性 地下水環(huán)境中其能長期穩(wěn)定存在。通過該方法原位吸附并抑制砷的釋放，可以從源頭上實 現(xiàn)根本性的高砷地下水修復(fù)，具有除砷效率高，安全、穩(wěn)定的特點。同時，該方法所選取的除 砷試劑廉價易得，工藝簡單，經(jīng)濟(jì)適用，適于在我國高砷地下水分布區(qū)進(jìn)行廣泛推廣與實際 應(yīng)用。
[0014] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種基于硫酸鹽還原的地下水原 位除砷方法，包括以下步驟：
[0015] (1)、確定工作區(qū)，明確工作區(qū)的局部水文地質(zhì)條件、水化學(xué)條件，選定目標(biāo)高砷含 水層1 ;確定含水層的下列參數(shù)：含水層厚度B (m)，滲透系數(shù)K (m/d)，有效孔隙度I，儲水系 數(shù)S，區(qū)域水力梯度I，區(qū)域地下水流速U(m/d)，彌散系數(shù)（m2/s)，并確定地下水流向；
[0016] (2)、根據(jù)已有含水層水文地質(zhì)參數(shù)及實際抽水量將工作區(qū)進(jìn)一步劃分為若干工 作區(qū)單元單元（或水力捕獲區(qū)），工作區(qū)單元即為工作區(qū)的進(jìn)一步劃分，以便于利用以下步 驟和計算式開展修復(fù)工作，工作區(qū)單元（或水力捕獲區(qū)）的確定步驟如下：a、建立坐標(biāo)軸如 圖1所示，設(shè)置抽水井（或稱抽水導(dǎo)流井）2作為坐標(biāo)原點，抽水量設(shè)為Q，井徑設(shè)為rw，x軸 與區(qū)域地下水流向平行，在上游最大跨度處（距離為Q/BU)垂直地下水流向等距設(shè)置4 口 注入井3 ;b、該抽水井能夠覆蓋的范圍可以用以下方程表示：
[0017]
【主權(quán)項】
1. 一種基于硫酸鹽還原的地下水原位除神方法，其特征在于：包括w下步驟： (1) 、確定工作區(qū)，明確工作區(qū)的局部水文地質(zhì)條件、水化學(xué)條件，選定目標(biāo)高神含水層 (1);確定含水層的下列參數(shù)冶水層厚度B(m)，滲透系數(shù)K(m/d)，有效孔隙度n。，儲水系數(shù) S，區(qū)域水力梯度I，區(qū)域地下水流速U(m/d)，彌散系數(shù)（m2/s)，并確定地下水流向； (2) 、根據(jù)已有含水層水文地質(zhì)參數(shù)及實際抽水量將工作區(qū)進(jìn)一步劃分為若干工作區(qū) 單元單元，工作區(qū)單元的確定步驟如下；a、建立坐標(biāo)軸，設(shè)置抽水井（2)作為坐標(biāo)原點，抽 水量設(shè)為Q，井徑設(shè)為rw，X軸與區(qū)域地下水流向平行，在上游最大跨度處垂直地下水流向 等距設(shè)置4 口注入井（3) ;b、該抽水井能夠覆蓋的范圍可W用W下方程表示：
其中，y。及X。均為系數(shù)，yD=腳y/Q，X D=腳x/Q;Uy表示地下水y向流速，化表示地 下水X向流速； (3) 、完成抽水井（2)、注入井（3)的布設(shè)，確定工作區(qū)單元及面積后，抽水井（2)開始W 流量Q抽水；通過W抽水量Q持續(xù)抽水，形成穩(wěn)定的水力梯度來控制地下水流速； (4) 、持續(xù)抽水直至抽水井降深穩(wěn)定，形成局部穩(wěn)定流場（4)后，通過注入井（3)開始注 入化S〇4溶液巧）；注入采用脈沖注入方式，即首先利用自吸累連續(xù)累入濃度lOmM的化SO4 溶液23. 2L11. 6L/h;而后注入0. 7化水將試劑完全壓至目標(biāo)含水層內(nèi)，其中H為目標(biāo)含水 層距地表深度，m;每化為一周期，持續(xù)30天； 巧）、化S〇4溶液在局部穩(wěn)定流場的引導(dǎo)下運移擴(kuò)散至覆蓋整個工作區(qū)單元目標(biāo)含水層 范圍；注入的FeS04被±著微生物（7)還原生成服-，并沉淀生成硫化亞鐵固相包覆介質(zhì)顆 粒的表面，在微生物的進(jìn)一步作用下發(fā)生礦物相轉(zhuǎn)變，形成能穩(wěn)定存在的，主要成分為鐵硫 化物的致密的硫化亞鐵鍛膜化）；硫化亞鐵鍛膜（6)不僅抑制了固相神的釋放，而且可W通 過共沉淀和化學(xué)吸附水相神或生成神黃鐵礦，使得地下水中的神向含水介質(zhì)富集； 化）、在工作區(qū)單元均勻布設(shè)地下水監(jiān)測井，對化"、服-進(jìn)行定期監(jiān)測；當(dāng)?shù)叵滤谢?監(jiān)測濃度不斷升高穩(wěn)定后停止注入，完成該單元工作；重復(fù)W上步驟，直至完成整個工作區(qū) 的原位鍛鐵工作。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于硫酸鹽還原的地下水原位除神方法，其特征在于： 所述的注入井（3)采用手工式回旋鉆成孔，注入井的深度由目標(biāo)含水層確定并在井口位置 連接自吸累和注入容器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于硫酸鹽還原的地下水原位除神方法，其特征在于： 所述的抽水井采用回旋鉆進(jìn)方式成井，抽水井的深度由目標(biāo)含水層確定；抽水井的結(jié)構(gòu)包 括井管巧）、花管（12)、沉淀管（13)、混凝±封井層巧）、止水層（10)、濾料層（11)、粘±層 (14)，花管（12)的上端與井管巧）的下端相連通，沉淀管（13)的上端與花管（12)的下端 相連通，沉淀管（13)的下端為封閉端；沉淀管（13)外的空隙由紅粘±球緊密填充形成粘± 層（14);花管（12)上設(shè)有水孔，所述的花管（12)外由透水紗網(wǎng)包裹，透水紗網(wǎng)外填充有河 砂形成濾料層（11);濾料層（11)的上方空隙由紅粘±球緊密填充形成止水層（10)，該止水 層（10)的上部注入混凝±填充至地面形成混凝±封井層巧）。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于硫酸鹽還原的地下水原位除神方法，其特征在于： 所述的在上游最大跨度處是距抽水井（2)的距離為Q/BU。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種除砷方法，尤其涉及一種基于硫酸鹽(硫酸亞鐵)還原作用的地下水原位除砷方法，屬于地下水原位修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域。該方法遴選FeSO4作為基本除砷試劑，通過周期性注入硫酸亞鐵試劑，并利用抽水井制造局部流場引導(dǎo)試劑的擴(kuò)散和反應(yīng)，在土著微生物介導(dǎo)下促進(jìn)注入的FeSO4及高砷含水層廣泛存在的硫化物的發(fā)生還原-沉淀反應(yīng)，生成穩(wěn)定、均勻的鐵硫化物(主要礦物形態(tài)為馬基諾礦(FeS)和硫鐵礦(FeS2))沉淀；生成的鐵硫化物一方面可以通過吸附和共沉淀作用降低水砷濃度；另一方面，在沉積物表面形成致密鍍鐵層，也將從源頭抑制固相砷的釋放。
【IPC分類】C02F1-52, C02F1-62, C02F1-28
【公開號】CN104787830
【申請?zhí)枴緾N201410781085
【發(fā)明人】謝先軍, 王志強(qiáng), 皮坤福, 柳亞清, 朱亞鵬, 馬騰, 蘇春利, 丁貞玉, 郝義國, 王焰新
【申請人】中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2014年12月16日