傍河开采驱动下地下水中砷的生物地球化学过程与模拟研究

发布时间：2020-06-17 19:52

【摘要】：在傍河开采驱动下,河水和地下水之间往往发生着频繁而强烈的交互作用,导致河水入渗过程中水动力条件、酸碱条件以及氧化还原条件发生改变。由于河水和地下水环境性状存在显著差异,河水入渗补给地下水的同时发生着复杂的生物地球化学作用,引发含水介质中的砷释放至地下水中。目前傍河开采驱动下河水入渗过程中所发生的生物地球化学过程及其对地下水中砷迁移行为的贡献大小尚不完全清楚。基于此,本文以我国北方地区典型傍河地下水水源地—沈阳黄家水源地为研究区,在查明该区地质及水文地质条件的基础上,应用原位监测技术、分子生物学技术、室内实验与原位实验技术以及水文地球化学模拟技术,查明傍河开采驱动下地下水中砷的时空分布特征与生物地球化学反应机理,建立地下水中砷的水文地球化学反应模型,识别和区分傍河开采驱动下地下水中砷的生物地球化学过程以及对地下水中砷迁移行为的贡献率,以期为地下水的监测和保护、水源地的安全运行以及保障当地居民用水安全提供科学依据。通过本次研究,取得如下主要认识:1、自河岸至地下水位漏斗中心方向,沿着地下水流路径,研究区地下水环境存在分区,不同水流路径上地下水环境分区的空间尺度存在差异。地下水中砷含量与环境分区存在较好的关联性。在弱氧化环境区,氧化性的河水使含砷矿物发生氧化溶解,导致介质中的砷释放至地下水中;弱还原环境区发生铁锰矿物的还原性溶解,导致吸附在铁锰矿物表面及晶格里的砷随之释放至地下水中;还原环境区硫酸盐还原作用比较强烈,产生的硫化物与低价态的铁锰离子形成沉淀并吸附了一定量的砷,同时砷以次生硫化物的形式沉淀下来,导致地下水中砷含量降低。2、河水入渗过程中,地下水位的升降会引起地下水系统的水化学成分、氧化还原环境以及微生物作用强度等发生明显的改变。研究区地下水中砷含量动态变化与水位密切相关,地下水中砷含量随着地下水位的上升而降低,其中浅层与水位变化的响应最为明显;随着深度的增加,地下水中砷含量对水位变化的响应减弱,季节变化幅度降低。3、除了占据高含量的残渣态砷外,河床沉积物和含水介质中的砷主要赋存在铁锰氧化物结合态中。研究区介质不同形态砷中,可交换态砷、与砷共生的可交换态铁、以及铁锰氧化物结合态铁的地球化学活性相对较强。河水入渗过程中,通过介质中可交换态砷与可交换态铁的吸附解吸、铁锰氧化物结合态铁的还原溶解等作用,砷从固相进入地下水中。4、沿着河水入渗补给的地下水流路径,地下水微生物群落结构、丰度和多样性与地下水中砷含量具有密切的关系。微生物多样性与砷含量存在明显负相关关系,砷浓度相对较低的地下水中微生物多样性更高。含水介质微生物物种丰度与多样性表现出强烈的空间异质性,浅层水流路径上的物种丰度与多样性较高。5、室内实验研究表明,含水介质对砷的吸附、解吸符合非线性关系,pH条件、温度、固液比、离子强度、磷酸盐、碳酸盐、有机质等对地下水中砷的吸附、解吸有很大影响。在相同条件下,As(V)比As(III)更易于被含水介质吸附。在还原环境中,微生物介导下含砷铁矿物发生还原性溶解,矿物表面或者晶格里的砷不断释放,溶液中砷、铁含量不断增加,二者呈现显著正相关关系。在氧化环境中,微生物介导下含砷铁矿物发生氧化溶解,从而引起砷的释放;随着反应的进行,含砷铁矿物溶解产生的Fe~(2+)在氧气的作用下发生氧化,进而水解生成了Fe(III)矿物,Fe~(2+)离子被吸附在形成的矿物表面从而导致溶液中Fe~(2+)含量降低。6、原位实验研究表明,水动力条件对河水入渗过程中孔隙水化学指标的动态变化特征具有显著影响。水动力条件较强时,微生物代谢速度较快,反应时间较短,随水流运移距离较远;水动力条件较弱时,微生物生长代谢过程完整,生物活性较强,反应速率相对较高,矿物还原溶解量更大,介质中的砷更多释放至地下水中。较高的DOC含量可以为微生物生长代谢提供更多能量,使得反应速率加快,有利于铁锰矿物的还原性溶解,地下水中砷含量升高。7、数值模拟结果表明,在河水入渗过程中,地下水中砷的各生物地球化学过程对其贡献率由高到低依次为:铁矿物还原性溶解、吸附解吸和矿物氧化溶解,贡献率分别为55%~70%、20%~27%和10%~18%。其中铁矿物还原性溶解是傍河开采驱动下河水入渗过程中地下水中砷的主要生物地球化学过程。水动力条件的改变对河水入渗过程中地下水中砷的生物地球化学过程存在显著影响,其中对铁矿物还原性溶解释放砷过程影响最为显著,对吸附解吸、矿物氧化溶解过程影响较小。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X523;X142
【图文】：

途径,能量来源,氢氧化物,含砷硫化物

触氧气后发生氧化，导致矿物晶格发生变化而释放出晶格中的砷，地含量升高[112]。有研究表明锰氧化物/氢氧化物能将As(III)氧化为As(V)水中的铁氧化菌能够氧化地下水中的 Fe(II)，形成的 Fe(III)促进地下I)氧化成更易于被吸附的 As(V)，也可形成铁氧化物/氢氧化物，由于中的砷具有较强的吸附性，从而降低了地下水中砷的迁移性[115-118]。菌还会加速地下水中含砷硫化物的氧化而释放出晶格中的砷[119]。生物还原研究表明有些微生物能将砷作为生长所需的能量来源，通过呼吸作用下）或者解毒机制（好氧条件下）将 As(V)还原成迁移能力较大的 ]，其还原砷的机制主要有细胞质砷还原和异化砷还原两种（图 1.1）[52氧条件下有些微生物（如铁还原菌）能以有机碳作为能量来源，将 s(V)作为电子受体分别还原为 Fe(II)和 As(III)[128, 129]。

位置图,辽河,河漫滩,辽河中下游

沈长铁路途经其东南，北部有辽中环线高速经过（图 2.1）。图 2.1 研究区位置图2.1.2 地形地貌研究区属辽河中下游冲积平原，地势较为平坦，由东向西微倾，地面高程42~50 m，相对高差 1~3 m，高出辽河水面 2~3 m。区内地形主要为堆积地形，由河流冲洪积而成。区内地貌主要为低河漫滩，沿辽河南岸呈带状分布，宽度小于 2 km，多垄岗起伏。辽河在区内由东北向西南流过，由于侧向侵蚀低河漫滩与现代河床呈陡坎接触。2.1.3 气象水文研究区属暖温带半湿润季风型气候区，四季分明，多年平均气温为 8.5°C（图2.2）。多年平均降水量 703.6 mm，降水多集中在 5~9 月

【参考文献】