康 晶,李慧莉,田 康,雷 炯,佟 娟

(1.蘭州理工大學土木工程學院,甘肅 蘭州 730050; 2.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室,北京 100085; 3.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心水污染控制實驗室,北京 100085; 4.萬江新能源集團有限公司,河南 鄭州 450046)

地熱能是一種分布廣泛、清潔低碳且利用率高的地下可再生能源[1]，推廣地熱能代替化石能源可以有效緩解環(huán)境污染問題。根據(jù)《中國地熱能發(fā)展報告(2018)》數(shù)據(jù)顯示,我國中深層地熱能和水熱型淺層地熱能直接利用率分別以年均10%和28%的速度增長,已連續(xù)多年位居世界第一。我國地熱能主要用于供暖。與傳統(tǒng)的鍋爐供暖相比,基于熱泵技術(shù)的地熱供暖其CO2排放量可減少50%;若熱泵所耗電力來自清潔能源,則沒有CO2排放。因此,地熱能替代燃煤用于供暖可以減少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]。

地熱水資源的大規(guī)模開發(fā)利用和長期只采不灌會出現(xiàn)地下水位下降過快和地面下沉等問題[4-5],將使用后的地熱尾水回灌到地熱儲層中可以解決這一問題。但回灌過程中普遍會出現(xiàn)回灌儲層堵塞的現(xiàn)象[6-8]?，F(xiàn)在普遍存在的堵塞機制主要有:化學沉淀、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,如水化學特征和有機組分等對回灌儲層的化學堵塞有重要影響[10]。鐵細菌(IB,iron bacteria)、硫酸鹽還原菌(SRB,sulfate-reducing bacteria)和腐生菌(TGB,saprophytic bacteria)是導致回灌儲層發(fā)生微生物堵塞的典型致堵微生物[11]。要緩解回灌儲層的堵塞問題,有必要對地熱原水和尾水的水質(zhì)特征進行深入分析。因此,研究考察了豫東某地地熱原水及回灌尾水的水化學類型、溶解性有機物組分、典型致堵微生物,以期為解決地熱尾水的回灌難問題及地熱能的持續(xù)開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 水樣的采集

豫東某地開發(fā)地熱水作為小區(qū)供暖的熱能。地熱原水所在熱儲層為館陶組熱儲層,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月在該地對地熱原水和供熱后的尾水進行樣品采集,共進行兩次原水的采集和8次尾水的采集。地熱原水分別記為Y1、Y2,地熱尾水依次為WA、WB、WC、WD、WE、WF、WG、WH,其中原水Y1對應尾水WA、WB、WC、WD,原水Y2對應尾水WE、WF、WG、WH。

1.2 測定指標及方法

1.3 細菌計數(shù)

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

TGB培養(yǎng)5～7天后觀察,測試瓶液體由紅色變?yōu)辄S色或渾濁變淺,即表示有TGB生長,測試瓶記為陽性;IB培養(yǎng)6～7天后觀察,測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,測試瓶記為陽性;SRB培養(yǎng)14～21天后觀察,測試瓶液體由無色透明變渾濁或出現(xiàn)黑色,即代表有SRB生長,測試瓶記為陽性。按照測試瓶說明書根據(jù)陽性檢測結(jié)果記錄細菌計數(shù)結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 地熱流體水化學特征

(1) 水化學類型分析 地熱原水和尾水pH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(如安寧地熱田淺部熱儲水、貴州水銀洞地熱水、準格爾煤田地下水的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)地熱水TDS較高,說明地熱原水和尾水中含鹽量較高。

表1 地熱原水和尾水水化學參數(shù)Table 1 Chemical parameters of geothermal raw water and tail water

由Piper三線圖(見圖1)可以看出,兩次采樣的地熱原水水質(zhì)類型基本相同,Cl-在陰離子中占81.6%,Na+在陽離子中占84.0%,水化學類型是Cl-Na型[15]。通過Gibbs圖(見圖2)進一步分析水質(zhì)形成原因,可知該地熱水的水化學特征的形成主要受蒸發(fā)-濃縮作用的影響[12]。

圖1 地熱原水水化學特征Piper圖Fig.1 Piper diagram of the hydrochemical characteristics of geothermal raw water

圖2 地熱原水Gibbs圖Fig.2 Gibbs diagram of geothermal raw water

表2 地熱原水、尾水水化學參數(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 地熱原水和尾水有機組分分析

蛋白質(zhì)、多糖和腐植酸是水生系統(tǒng)中常見的溶解性有機組分。地熱原水和尾水中的蛋白質(zhì)、多糖和腐植酸質(zhì)量濃度如圖3所示。

圖3 地熱原水和尾水的有機組分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)主要是由動植物及微生物殘體經(jīng)過生物酶分解、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)溶解性有機物的重要組成部分。地熱原水和尾水的有機組分見圖3。由圖3可知,地熱尾水中的蛋白質(zhì)和多糖質(zhì)量濃度大多高于地熱原水,這主要是因為地熱水在利用過程中,經(jīng)常會引起細菌的增殖,而細菌會分泌以蛋白質(zhì)和多糖為主的胞外聚合物(EPS,extracellular polymeric substances)[16],因此地熱尾水中的蛋白質(zhì)和多糖質(zhì)量濃度高于地熱原水中的蛋白質(zhì)和多糖質(zhì)量濃度。已有研究表明,EPS可降低回灌儲層的滲透性[10,17]。因此,地熱水利用過程中應采取措施控制微生物的滋生。

為進一步了解地熱流體溶解性有機物的組分特征,進行了三維熒光光譜分析(見圖4)。由圖4可知，地熱原水和尾水中分別包含2個熒光組分，地熱原水的熒光組分在發(fā)射波長/激發(fā)波長為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,地熱原水中的有機物是類酪氨酸蛋白質(zhì),尾水中的有機物是類色氨酸和類酪氨酸蛋白質(zhì)。

圖4 地熱原水和尾水三維熒光光譜Fig.4 3D-EEM analysis of geothermal raw water and tail water

2.3 地熱原水、尾水細菌計數(shù)

表3 細菌質(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 地熱原水和尾水的細菌計數(shù)Fig.5 Bacteria enumeration of geothermal raw water and tail water

地熱水中高質(zhì)量濃度的鐵離子會促進回灌儲層IB的滋生。此外,兩批次的水樣中,尾水中的致堵細菌總量大多高于原水中的細菌總量,尤其是SRB和IB的增長趨勢明顯,說明地熱水在利用過程中促進了致堵微生物的滋生。

3 結(jié)論

(1) 地熱原水和尾水呈弱堿性,Na+在陽離子中占優(yōu),Cl-在陰離子中占優(yōu);地熱原水的水化學類型為Cl-Na型,其水質(zhì)特征主要受蒸發(fā)-濃縮作用的影響。

(2) 地熱原水和尾水中的溶解性有機物質(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,地熱原水中溶解性有機物主要為類酪氨酸蛋白質(zhì),地熱尾水中則為類酪氨酸蛋白質(zhì)和類色氨酸蛋白質(zhì)。

(3) 地熱原水和尾水中的主要致堵微生物為SRB和IB,尾水中的致堵微生物數(shù)量多于原水中的數(shù)量;SRB的增長可導致水中多糖和蛋白質(zhì)的增加;總鐵、Fe2+質(zhì)量濃度的增加則會促進IB的滋生與增殖。