一种基于硫酸盐还原的地下水原位除砷方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种除砷方法，尤其涉及一种基于硫酸盐（硫酸亚铁）还原作用的地 下水原位除砷方法，属于地下水原位修复技术领域。
【背景技术】
[0002] 砷是一种有毒类金属元素，与铬、镉、汞、铅等被列为重金属五毒之一。长期暴露在 高砷环境下将会造成消化系统、神经系统等多种疾病，并有可能导致多种癌症。饮用高砷地 下水是砷进入人体的主要途径之一。高砷地下水分布在全球70多个国家，影响人口超过 1. 5亿人。以我国为例，2002年的统计数据显示，高砷地下水在8个省市都有发现，高砷暴 露人口达到200万人。因此，高砷地下水的改良与修复是当前污染水文地质学领域亟待解 决的问题之一。
[0003] 天然高砷地下水的特点是分布范围广、体积大、污染源和途径难以识别，成为水质 改善难点。围绕着高砷地下水的修复技术，国内外研宄学者相继提出了吸附法、沉淀法、生 物法、膜处理法等多种方法。然而，以上技术当前主要依靠抽出处理实施，即将地下水抽出 至地表，再进行针对性处理。该方法处理量小，成本较高，难以开展广泛的应用和推广。
[0004] 近年来，以渗透性反应墙技术、电化学方法、原位曝气法为代表的原位处理技术得 到了快速发展。以上技术往往存在需要大面积开挖、修复效果不理想、成本相对较高等问 题。天然成因高砷地下水分布范围广、体量大及污染源与污染途径难以识别的特点使得上 述方法很难实现工程实践与应用推广。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供了一种基于硫酸盐还原的地下水原位除砷方法，通过该方 法原位固定并抑制砷的释放，可以从源头上实现根本性的高砷地下水修复，具有除砷效率 高，安全、稳定的特点；同时，该方法所选取的除砷试剂（FeS0 4)廉价易得，工艺简单，经济适 用。
[0006] 该方法遴选FeS04作为基本除砷试剂，通过周期性注入硫酸亚铁试剂，并利用抽水 井制造局部流场引导试剂的迀移和反应，在土著微生物介导下促进注入的FeS0 4&高砷含 水层广泛存在的硫化物发生还原-沉淀反应，生成稳定、均匀的铁硫化物（主要矿物形态为 马基诺矿（FeS)和硫铁矿（FeS 2))沉淀。生成的铁硫化物一方面可以通过吸附和共沉淀作 用降低水砷浓度；另一方面，在沉积物表面形成致密镀铁层，也将从源头抑制固相砷向地下 水中的释放。该方法的主要固砷机理如下：
[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(砷硫铁矿）⑶
[0013] 该方法利用含水层的强还原条件和活跃的微生物脱硫作用产生高含量溶解性硫 化物，在不改变含水层物化条件的基础上，生成具有强固砷能力的铁硫化物矿物，在还原性 地下水环境中其能长期稳定存在。通过该方法原位吸附并抑制砷的释放，可以从源头上实 现根本性的高砷地下水修复，具有除砷效率高，安全、稳定的特点。同时，该方法所选取的除 砷试剂廉价易得，工艺简单，经济适用，适于在我国高砷地下水分布区进行广泛推广与实际 应用。
[0014] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种基于硫酸盐还原的地下水原 位除砷方法，包括以下步骤：
[0015] (1)、确定工作区，明确工作区的局部水文地质条件、水化学条件，选定目标高砷含 水层1 ;确定含水层的下列参数：含水层厚度B (m)，渗透系数K (m/d)，有效孔隙度I，储水系 数S，区域水力梯度I，区域地下水流速U(m/d)，弥散系数（m2/s)，并确定地下水流向；
[0016] (2)、根据已有含水层水文地质参数及实际抽水量将工作区进一步划分为若干工 作区单元单元（或水力捕获区），工作区单元即为工作区的进一步划分，以便于利用以下步 骤和计算式开展修复工作，工作区单元（或水力捕获区）的确定步骤如下：a、建立坐标轴如 图1所示，设置抽水井（或称抽水导流井）2作为坐标原点，抽水量设为Q，井径设为rw，x轴 与区域地下水流向平行，在上游最大跨度处（距离为Q/BU)垂直地下水流向等距设置4 口 注入井3 ;b、该抽水井能够覆盖的范围可以用以下方程表示：
[0017]
【主权项】
1. 一种基于硫酸盐还原的地下水原位除神方法，其特征在于：包括w下步骤： (1) 、确定工作区，明确工作区的局部水文地质条件、水化学条件，选定目标高神含水层 (1);确定含水层的下列参数冶水层厚度B(m)，渗透系数K(m/d)，有效孔隙度n。，储水系数 S，区域水力梯度I，区域地下水流速U(m/d)，弥散系数（m2/s)，并确定地下水流向； (2) 、根据已有含水层水文地质参数及实际抽水量将工作区进一步划分为若干工作区 单元单元，工作区单元的确定步骤如下；a、建立坐标轴，设置抽水井（2)作为坐标原点，抽 水量设为Q，井径设为rw，X轴与区域地下水流向平行，在上游最大跨度处垂直地下水流向 等距设置4 口注入井（3) ;b、该抽水井能够覆盖的范围可W用W下方程表示：
其中，y。及X。均为系数，yD=脚y/Q，X D=脚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)的布设，确定工作区单元及面积后，抽水井（2)开始W 流量Q抽水；通过W抽水量Q持续抽水，形成稳定的水力梯度来控制地下水流速； (4) 、持续抽水直至抽水井降深稳定，形成局部稳定流场（4)后，通过注入井（3)开始注 入化S〇4溶液巧）；注入采用脉冲注入方式，即首先利用自吸累连续累入浓度lOmM的化SO4 溶液23. 2L11. 6L/h;而后注入0. 7化水将试剂完全压至目标含水层内，其中H为目标含水 层距地表深度，m;每化为一周期，持续30天； 巧）、化S〇4溶液在局部稳定流场的引导下运移扩散至覆盖整个工作区单元目标含水层 范围；注入的FeS04被±著微生物（7)还原生成服-，并沉淀生成硫化亚铁固相包覆介质颗 粒的表面，在微生物的进一步作用下发生矿物相转变，形成能稳定存在的，主要成分为铁硫 化物的致密的硫化亚铁锻膜化）；硫化亚铁锻膜（6)不仅抑制了固相神的释放，而且可W通 过共沉淀和化学吸附水相神或生成神黄铁矿，使得地下水中的神向含水介质富集； 化）、在工作区单元均匀布设地下水监测井，对化"、服-进行定期监测；当地下水中化 监测浓度不断升高稳定后停止注入，完成该单元工作；重复W上步骤，直至完成整个工作区 的原位锻铁工作。
2. 根据权利要求1所述的一种基于硫酸盐还原的地下水原位除神方法，其特征在于： 所述的注入井（3)采用手工式回旋钻成孔，注入井的深度由目标含水层确定并在井口位置 连接自吸累和注入容器。
3. 根据权利要求1所述的一种基于硫酸盐还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钻进方式成井，抽水井的深度由目标含水层确定；抽水井的结构包 括井管巧）、花管（12)、沉淀管（13)、混凝±封井层巧）、止水层（10)、滤料层（11)、粘±层 (14)，花管（12)的上端与井管巧）的下端相连通，沉淀管（13)的上端与花管（12)的下端 相连通，沉淀管（13)的下端为封闭端；沉淀管（13)外的空隙由红粘±球紧密填充形成粘± 层（14);花管（12)上设有水孔，所述的花管（12)外由透水纱网包裹，透水纱网外填充有河 砂形成滤料层（11);滤料层（11)的上方空隙由红粘±球紧密填充形成止水层（10)，该止水 层（10)的上部注入混凝±填充至地面形成混凝±封井层巧）。
4. 根据权利要求1所述的一种基于硫酸盐还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处是距抽水井（2)的距离为Q/BU。
【专利摘要】本发明涉及一种除砷方法，尤其涉及一种基于硫酸盐(硫酸亚铁)还原作用的地下水原位除砷方法，属于地下水原位修复技术领域。该方法遴选FeSO4作为基本除砷试剂，通过周期性注入硫酸亚铁试剂，并利用抽水井制造局部流场引导试剂的扩散和反应，在土著微生物介导下促进注入的FeSO4及高砷含水层广泛存在的硫化物的发生还原-沉淀反应，生成稳定、均匀的铁硫化物(主要矿物形态为马基诺矿(FeS)和硫铁矿(FeS2))沉淀；生成的铁硫化物一方面可以通过吸附和共沉淀作用降低水砷浓度；另一方面，在沉积物表面形成致密镀铁层，也将从源头抑制固相砷的释放。
【IPC分类】C02F1-52, C02F1-62, C02F1-28
【公开号】CN104787830
【申请号】CN201410781085
【发明人】谢先军, 王志强, 皮坤福, 柳亚清, 朱亚鹏, 马腾, 苏春利, 丁贞玉, 郝义国, 王焰新
【申请人】中国地质大学（武汉）
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2014年12月16日