物理化学因子影响下的低温地热水中硝酸盐变化机理研究

摘要

论文以地热水开发利用程度较高的开封市为研究区，根据野外调查和现场监测获得的地热水资料，绘制了该区5个含水层中“三氮”浓度等值线图，并以该市新近系明化镇组细砂为岩样介质，开展了 25℃、35℃和 45℃条件下硝酸盐迁移转化的土柱模拟试验，为有效控制地热水中出现的氮污染及合理开发地热水资源提供理论依据。研究结果表明： （1）开封市埋深600～1800 m的地热井中，“三氮”污染以亚硝酸盐氮为主，硝酸盐氮与氨氮超标较轻；“三氮”在不同地域呈现不同程度超标，各亚含水层中亚硝酸盐氮浓度主要超标区分布在开封市火车站附近，其分布规律是发生不同程度硝化反硝化作用的结果；除个别点位外，各含水层中硝酸盐氮和氨氮的浓度均较低。 （2）25℃、35℃和45℃条件下，硝酸盐在模拟的细砂热储层中穿透阶段均经历缓慢上升、快速上升和平稳波动三个阶段，达到穿透时硝酸盐氮的相对质量浓度 C/C0值存在较大差别，此阶段主要以对流、弥散作用为主，硝酸盐的还原作用较弱；转化阶段硝酸盐具有相同的转化途径但转化强度有差别，45℃时反硝化作用较强，25℃时异化还原为铵作用较强，此阶段主要发生溶质的运移、反硝化和异化还原为铵作用。总体来说，45℃和35℃条件下硝酸盐的转化强度较大。 （3）25℃、35℃和45℃条件下，硝酸盐在模拟的细砂热储层运移过程中，随着温度升高土柱底端淋出液中硝酸盐氮的浓度下降，pH 值呈上升趋势；氧化还原电位和硝酸盐氮浓度均随着温度上升呈下降趋势，45℃时土柱底端淋出水样的ORP 值下降幅度最大，对应的硝酸盐氮浓度最小，与45℃条件下硝酸盐还原反应程度较大有关；CON、TDS与硝酸盐氮的浓度变化趋势基本一致，都呈现先增大后趋于平稳并在小范围内波动的趋势。 （4 ）研究区地热水中 Na+与 HCO3-相关系数达 0.68 ，与地热水水化学类型为HCO3--Na 型有关；地热水中亚硝酸盐氮浓度与硝酸盐氮浓度呈显著相关，与硝化反硝化反应有关，而三个温度条件下的动态模拟实验中硝酸盐均发生了不同程度的还原反应，进一步验证了该结果。

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