康 晶,李慧莉,田 康,雷 炯,佟 娟

(1.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050; 2.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,北京 100085; 3.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心水污染控制實(shí)驗(yàn)室,北京 100085; 4.萬(wàn)江新能源集團(tuán)有限公司,河南 鄭州 450046)

地?zé)崮苁且环N分布廣泛、清潔低碳且利用率高的地下可再生能源[1]，推廣地?zé)崮艽婊茉纯梢杂行Ь徑猸h(huán)境污染問(wèn)題。根據(jù)《中國(guó)地?zé)崮馨l(fā)展報(bào)告(2018)》數(shù)據(jù)顯示,我國(guó)中深層地?zé)崮芎退疅嵝蜏\層地?zé)崮苤苯永寐史謩e以年均10%和28%的速度增長(zhǎng),已連續(xù)多年位居世界第一。我國(guó)地?zé)崮苤饕糜诠┡?。與傳統(tǒng)的鍋爐供暖相比,基于熱泵技術(shù)的地?zé)峁┡銫O2排放量可減少50%;若熱泵所耗電力來(lái)自清潔能源,則沒(méi)有CO2排放。因此,地?zé)崮芴娲济河糜诠┡梢詼p少CO2的排放,并且清潔取暖是從源頭上治理霧霾的關(guān)鍵一環(huán)[2-3]。

地?zé)崴Y源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用和長(zhǎng)期只采不灌會(huì)出現(xiàn)地下水位下降過(guò)快和地面下沉等問(wèn)題[4-5],將使用后的地?zé)嵛菜毓嗟降責(zé)醿?chǔ)層中可以解決這一問(wèn)題。但回灌過(guò)程中普遍會(huì)出現(xiàn)回灌儲(chǔ)層堵塞的現(xiàn)象[6-8]?，F(xiàn)在普遍存在的堵塞機(jī)制主要有:化學(xué)沉淀、微生物堵塞、懸浮物堵塞、氣體堵塞等[9]。回灌水的水質(zhì)特征,如水化學(xué)特征和有機(jī)組分等對(duì)回灌儲(chǔ)層的化學(xué)堵塞有重要影響[10]。鐵細(xì)菌(IB,iron bacteria)、硫酸鹽還原菌(SRB,sulfate-reducing bacteria)和腐生菌(TGB,saprophytic bacteria)是導(dǎo)致回灌儲(chǔ)層發(fā)生微生物堵塞的典型致堵微生物[11]。要緩解回灌儲(chǔ)層的堵塞問(wèn)題,有必要對(duì)地?zé)嵩臀菜乃|(zhì)特征進(jìn)行深入分析。因此,研究考察了豫東某地地?zé)嵩盎毓辔菜乃瘜W(xué)類型、溶解性有機(jī)物組分、典型致堵微生物,以期為解決地?zé)嵛菜幕毓嚯y問(wèn)題及地?zé)崮艿某掷m(xù)開(kāi)發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 水樣的采集

豫東某地開(kāi)發(fā)地?zé)崴鳛樾^(qū)供暖的熱能。地?zé)嵩跓醿?chǔ)層為館陶組熱儲(chǔ)層,巖性主要為棕黃、灰綠、灰白色含礫砂巖,夾棕紅、灰綠色黏土。2020年12月—2021年1月在該地對(duì)地?zé)嵩凸岷蟮奈菜M(jìn)行樣品采集,共進(jìn)行兩次原水的采集和8次尾水的采集。地?zé)嵩謩e記為Y1、Y2,地?zé)嵛菜来螢閃A、WB、WC、WD、WE、WF、WG、WH,其中原水Y1對(duì)應(yīng)尾水WA、WB、WC、WD,原水Y2對(duì)應(yīng)尾水WE、WF、WG、WH。

1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3 細(xì)菌計(jì)數(shù)

細(xì)菌計(jì)數(shù)采用絕跡稀釋法中的兩管法,取鐵細(xì)菌(IB)、腐生菌(TGB)、硫酸鹽還原菌(SRB)測(cè)試瓶(型號(hào)為KBC),依次編號(hào)為1～5;用1 mL無(wú)菌注射器吸取待測(cè)水樣1 mL,注入編號(hào)1細(xì)菌測(cè)試瓶(吸取待測(cè)水樣到平行編號(hào)1測(cè)試瓶的無(wú)菌注射器可共用),搖勻;另取1 mL無(wú)菌注射器從編號(hào)1測(cè)試瓶吸取1 mL水樣注入到2號(hào)測(cè)試瓶,搖勻;以此類推,稀釋接種到5號(hào)測(cè)試瓶為止。置于(33±2) ℃恒溫培養(yǎng)箱。

TGB培養(yǎng)5～7天后觀察,測(cè)試瓶液體由紅色變?yōu)辄S色或渾濁變淺,即表示有TGB生長(zhǎng),測(cè)試瓶記為陽(yáng)性;IB培養(yǎng)6～7天后觀察,測(cè)試瓶液體由紅棕色到有明顯紅棕色沉淀或渾濁變淺,即代表有IB生長(zhǎng),測(cè)試瓶記為陽(yáng)性;SRB培養(yǎng)14～21天后觀察,測(cè)試瓶液體由無(wú)色透明變渾濁或出現(xiàn)黑色,即代表有SRB生長(zhǎng),測(cè)試瓶記為陽(yáng)性。按照測(cè)試瓶說(shuō)明書根據(jù)陽(yáng)性檢測(cè)結(jié)果記錄細(xì)菌計(jì)數(shù)結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 地?zé)崃黧w水化學(xué)特征

(1) 水化學(xué)類型分析 地?zé)嵩臀菜畃H值在7.13～7.98之間,均呈弱堿性;色度、濁度均比較大,分別在25～50度、11.36～46.69 NTU之間;電導(dǎo)率在18.88～19.28 mS/cm之間,礦化度范圍為11.78～15.91 g/L;TDS值在9.02～11.99 g/L之間。與其他地下水的TDS相比(如安寧地?zé)崽餃\部熱儲(chǔ)水、貴州水銀洞地?zé)崴?、?zhǔn)格爾煤田地下水的TDS分別為171.5～310.9 mg/L、845.33～1 426.94 mg/L、178.76～1 547.24 mg/L[12-14]),該地區(qū)地?zé)崴甌DS較高,說(shuō)明地?zé)嵩臀菜泻}量較高。

表1 地?zé)嵩臀菜瘜W(xué)參數(shù)Table 1 Chemical parameters of geothermal raw water and tail water

由Piper三線圖(見(jiàn)圖1)可以看出,兩次采樣的地?zé)嵩|(zhì)類型基本相同,Cl-在陰離子中占81.6%,Na+在陽(yáng)離子中占84.0%,水化學(xué)類型是Cl-Na型[15]。通過(guò)Gibbs圖(見(jiàn)圖2)進(jìn)一步分析水質(zhì)形成原因,可知該地?zé)崴乃瘜W(xué)特征的形成主要受蒸發(fā)-濃縮作用的影響[12]。

圖1 地?zé)嵩瘜W(xué)特征Piper圖Fig.1 Piper diagram of the hydrochemical characteristics of geothermal raw water

圖2 地?zé)嵩瓽ibbs圖Fig.2 Gibbs diagram of geothermal raw water

表2 地?zé)嵩?、尾水水化學(xué)參數(shù)相關(guān)系數(shù)矩陣Tale 2 Correlation coefficient matrix of chemical parameters of geothermal raw and tail water

2.2 地?zé)嵩臀菜袡C(jī)組分分析

蛋白質(zhì)、多糖和腐植酸是水生系統(tǒng)中常見(jiàn)的溶解性有機(jī)組分。地?zé)嵩臀菜械牡鞍踪|(zhì)、多糖和腐植酸質(zhì)量濃度如圖3所示。

圖3 地?zé)嵩臀菜挠袡C(jī)組分Fig.3 Organic matters of geothermal raw water and tail water

由圖3可知腐植酸質(zhì)量濃度最高,且遠(yuǎn)高于蛋白質(zhì)和多糖。腐植酸質(zhì)量濃度范圍在75.51～250.55 mg/L之間;其次是蛋白質(zhì),質(zhì)量濃度在29.64～113.44 mg/L之間;多糖質(zhì)量濃度最低,在2.88～9.51 mg/L之間。腐殖質(zhì)主要是由動(dòng)植物及微生物殘?bào)w經(jīng)過(guò)生物酶分解、氧化,以及微生物合成等作用形成的一類高分子芳香族醌類聚合物,是水生系統(tǒng)溶解性有機(jī)物的重要組成部分。地?zé)嵩臀菜挠袡C(jī)組分見(jiàn)圖3。由圖3可知,地?zé)嵛菜械牡鞍踪|(zhì)和多糖質(zhì)量濃度大多高于地?zé)嵩?這主要是因?yàn)榈責(zé)崴诶眠^(guò)程中,經(jīng)常會(huì)引起細(xì)菌的增殖,而細(xì)菌會(huì)分泌以蛋白質(zhì)和多糖為主的胞外聚合物(EPS,extracellular polymeric substances)[16],因此地?zé)嵛菜械牡鞍踪|(zhì)和多糖質(zhì)量濃度高于地?zé)嵩械牡鞍踪|(zhì)和多糖質(zhì)量濃度。已有研究表明,EPS可降低回灌儲(chǔ)層的滲透性[10,17]。因此,地?zé)崴眠^(guò)程中應(yīng)采取措施控制微生物的滋生。

為進(jìn)一步了解地?zé)崃黧w溶解性有機(jī)物的組分特征,進(jìn)行了三維熒光光譜分析(見(jiàn)圖4)。由圖4可知，地?zé)嵩臀菜蟹謩e包含2個(gè)熒光組分，地?zé)嵩臒晒饨M分在發(fā)射波長(zhǎng)/激發(fā)波長(zhǎng)為220/285 nm和275/300 nm處,尾水的熒光組分在230/350 nm和285/315 nm處。通過(guò)分析可知220/285 nm、275/300 nm和285/315 nm處為內(nèi)源類蛋白中的類酪氨酸組分,230/350 nm處為類色氨酸蛋白質(zhì)[18-19]。因此,地?zé)嵩械挠袡C(jī)物是類酪氨酸蛋白質(zhì),尾水中的有機(jī)物是類色氨酸和類酪氨酸蛋白質(zhì)。

圖4 地?zé)嵩臀菜S熒光光譜Fig.4 3D-EEM analysis of geothermal raw water and tail water

2.3 地?zé)嵩?、尾水?xì)菌計(jì)數(shù)

表3 細(xì)菌質(zhì)量濃度與水質(zhì)特征相關(guān)系數(shù)矩陣Table 3 Correlation coefficient matrix of bacteria mass concentration and water chemical characteristics

圖5 地?zé)嵩臀菜募?xì)菌計(jì)數(shù)Fig.5 Bacteria enumeration of geothermal raw water and tail water

地?zé)崴懈哔|(zhì)量濃度的鐵離子會(huì)促進(jìn)回灌儲(chǔ)層IB的滋生。此外,兩批次的水樣中,尾水中的致堵細(xì)菌總量大多高于原水中的細(xì)菌總量,尤其是SRB和IB的增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯,說(shuō)明地?zé)崴诶眠^(guò)程中促進(jìn)了致堵微生物的滋生。

3 結(jié)論

(1) 地?zé)嵩臀菜嗜鯄A性,Na+在陽(yáng)離子中占優(yōu),Cl-在陰離子中占優(yōu);地?zé)嵩乃瘜W(xué)類型為Cl-Na型,其水質(zhì)特征主要受蒸發(fā)-濃縮作用的影響。

(2) 地?zé)嵩臀菜械娜芙庑杂袡C(jī)物質(zhì)量濃度從高到低依次為腐植酸>蛋白質(zhì)>多糖。根據(jù)熒光光譜特征分析,地?zé)嵩腥芙庑杂袡C(jī)物主要為類酪氨酸蛋白質(zhì),地?zé)嵛菜袆t為類酪氨酸蛋白質(zhì)和類色氨酸蛋白質(zhì)。

(3) 地?zé)嵩臀菜械闹饕露挛⑸餅镾RB和IB,尾水中的致堵微生物數(shù)量多于原水中的數(shù)量;SRB的增長(zhǎng)可導(dǎo)致水中多糖和蛋白質(zhì)的增加;總鐵、Fe2+質(zhì)量濃度的增加則會(huì)促進(jìn)IB的滋生與增殖。