豫东某地地热原水与尾水的水质特征分析

康 晶,李慧莉,田 康,雷 炯,佟 娟

(1.兰州理工大学土木工程学院,甘肃 兰州 730050; 2.中国科学院生态环境研究中心环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京 100085; 3.中国科学院生态环境研究中心水污染控制实验室,北京 100085; 4.万江新能源集团有限公司,河南 郑州 450046)

地热能是一种分布广泛、清洁低碳且利用率高的地下可再生能源[1]，推广地热能代替化石能源可以有效缓解环境污染问题。根据《中国地热能发展报告(2018)》数据显示,我国中深层地热能和水热型浅层地热能直接利用率分别以年均10%和28%的速度增长,已连续多年位居世界第一。我国地热能主要用于供暖。与传统的锅炉供暖相比,基于热泵技术的地热供暖其CO2排放量可减少50%;若热泵所耗电力来自清洁能源,则没有CO2排放。因此,地热能替代燃煤用于供暖可以减少CO2的排放,并且清洁取暖是从源头上治理雾霾的关键一环[2-3]。

地热水资源的大规模开发利用和长期只采不灌会出现地下水位下降过快和地面下沉等问题[4-5],将使用后的地热尾水回灌到地热储层中可以解决这一问题。但回灌过程中普遍会出现回灌储层堵塞的现象[6-8]。现在普遍存在的堵塞机制主要有:化学沉淀、微生物堵塞、悬浮物堵塞、气体堵塞等[9]。回灌水的水质特征,如水化学特征和有机组分等对回灌储层的化学堵塞有重要影响[10]。铁细菌(IB,iron bacteria)、硫酸盐还原菌(SRB,sulfate-reducing bacteria)和腐生菌(TGB,saprophytic bacteria)是导致回灌储层发生微生物堵塞的典型致堵微生物[11]。要缓解回灌储层的堵塞问题,有必要对地热原水和尾水的水质特征进行深入分析。因此,研究考察了豫东某地地热原水及回灌尾水的水化学类型、溶解性有机物组分、典型致堵微生物,以期为解决地热尾水的回灌难问题及地热能的持续开发利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 水样的采集

豫东某地开发地热水作为小区供暖的热能。地热原水所在热储层为馆陶组热储层,岩性主要为棕黄、灰绿、灰白色含砾砂岩,夹棕红、灰绿色黏土。2020年12月—2021年1月在该地对地热原水和供热后的尾水进行样品采集,共进行两次原水的采集和8次尾水的采集。地热原水分别记为Y1、Y2,地热尾水依次为WA、WB、WC、WD、WE、WF、WG、WH,其中原水Y1对应尾水WA、WB、WC、WD,原水Y2对应尾水WE、WF、WG、WH。

1.2 测定指标及方法

1.3 细菌计数

细菌计数采用绝迹稀释法中的两管法,取铁细菌(IB)、腐生菌(TGB)、硫酸盐还原菌(SRB)测试瓶(型号为KBC),依次编号为1～5;用1 mL无菌注射器吸取待测水样1 mL,注入编号1细菌测试瓶(吸取待测水样到平行编号1测试瓶的无菌注射器可共用),摇匀;另取1 mL无菌注射器从编号1测试瓶吸取1 mL水样注入到2号测试瓶,摇匀;以此类推,稀释接种到5号测试瓶为止。置于(33±2) ℃恒温培养箱。

TGB培养5～7天后观察,测试瓶液体由红色变为黄色或浑浊变浅,即表示有TGB生长,测试瓶记为阳性;IB培养6～7天后观察,测试瓶液体由红棕色到有明显红棕色沉淀或浑浊变浅,即代表有IB生长,测试瓶记为阳性;SRB培养14～21天后观察,测试瓶液体由无色透明变浑浊或出现黑色,即代表有SRB生长,测试瓶记为阳性。按照测试瓶说明书根据阳性检测结果记录细菌计数结果。

2 结果与讨论

2.1 地热流体水化学特征

(1) 水化学类型分析 地热原水和尾水pH值在7.13～7.98之间,均呈弱碱性;色度、浊度均比较大,分别在25～50度、11.36～46.69 NTU之间;电导率在18.88～19.28 mS/cm之间,矿化度范围为11.78～15.91 g/L;TDS值在9.02～11.99 g/L之间。与其他地下水的TDS相比(如安宁地热田浅部热储水、贵州水银洞地热水、准格尔煤田地下水的TDS分别为171.5～310.9 mg/L、845.33～1 426.94 mg/L、178.76～1 547.24 mg/L[12-14]),该地区地热水TDS较高,说明地热原水和尾水中含盐量较高。

表1 地热原水和尾水水化学参数Table 1 Chemical parameters of geothermal raw water and tail water

由Piper三线图(见图1)可以看出,两次采样的地热原水水质类型基本相同,Cl-在阴离子中占81.6%,Na+在阳离子中占84.0%,水化学类型是Cl-Na型[15]。通过Gibbs图(见图2)进一步分析水质形成原因,可知该地热水的水化学特征的形成主要受蒸发-浓缩作用的影响[12]。

图1 地热原水水化学特征Piper图Fig.1 Piper diagram of the hydrochemical characteristics of geothermal raw water

图2 地热原水Gibbs图Fig.2 Gibbs diagram of geothermal raw water

表2 地热原水、尾水水化学参数相关系数矩阵Tale 2 Correlation coefficient matrix of chemical parameters of geothermal raw and tail water

2.2 地热原水和尾水有机组分分析

蛋白质、多糖和腐植酸是水生系统中常见的溶解性有机组分。地热原水和尾水中的蛋白质、多糖和腐植酸质量浓度如图3所示。

图3 地热原水和尾水的有机组分Fig.3 Organic matters of geothermal raw water and tail water

由图3可知腐植酸质量浓度最高,且远高于蛋白质和多糖。腐植酸质量浓度范围在75.51～250.55 mg/L之间;其次是蛋白质,质量浓度在29.64～113.44 mg/L之间;多糖质量浓度最低,在2.88～9.51 mg/L之间。腐殖质主要是由动植物及微生物残体经过生物酶分解、氧化,以及微生物合成等作用形成的一类高分子芳香族醌类聚合物,是水生系统溶解性有机物的重要组成部分。地热原水和尾水的有机组分见图3。由图3可知,地热尾水中的蛋白质和多糖质量浓度大多高于地热原水,这主要是因为地热水在利用过程中,经常会引起细菌的增殖,而细菌会分泌以蛋白质和多糖为主的胞外聚合物(EPS,extracellular polymeric substances)[16],因此地热尾水中的蛋白质和多糖质量浓度高于地热原水中的蛋白质和多糖质量浓度。已有研究表明,EPS可降低回灌储层的渗透性[10,17]。因此,地热水利用过程中应采取措施控制微生物的滋生。

为进一步了解地热流体溶解性有机物的组分特征,进行了三维荧光光谱分析(见图4)。由图4可知，地热原水和尾水中分别包含2个荧光组分，地热原水的荧光组分在发射波长/激发波长为220/285 nm和275/300 nm处,尾水的荧光组分在230/350 nm和285/315 nm处。通过分析可知220/285 nm、275/300 nm和285/315 nm处为内源类蛋白中的类酪氨酸组分,230/350 nm处为类色氨酸蛋白质[18-19]。因此,地热原水中的有机物是类酪氨酸蛋白质,尾水中的有机物是类色氨酸和类酪氨酸蛋白质。

图4 地热原水和尾水三维荧光光谱Fig.4 3D-EEM analysis of geothermal raw water and tail water

2.3 地热原水、尾水细菌计数

表3 细菌质量浓度与水质特征相关系数矩阵Table 3 Correlation coefficient matrix of bacteria mass concentration and water chemical characteristics

图5 地热原水和尾水的细菌计数Fig.5 Bacteria enumeration of geothermal raw water and tail water

地热水中高质量浓度的铁离子会促进回灌储层IB的滋生。此外,两批次的水样中,尾水中的致堵细菌总量大多高于原水中的细菌总量,尤其是SRB和IB的增长趋势明显,说明地热水在利用过程中促进了致堵微生物的滋生。

3 结论

(1) 地热原水和尾水呈弱碱性,Na+在阳离子中占优,Cl-在阴离子中占优;地热原水的水化学类型为Cl-Na型,其水质特征主要受蒸发-浓缩作用的影响。

(2) 地热原水和尾水中的溶解性有机物质量浓度从高到低依次为腐植酸>蛋白质>多糖。根据荧光光谱特征分析,地热原水中溶解性有机物主要为类酪氨酸蛋白质,地热尾水中则为类酪氨酸蛋白质和类色氨酸蛋白质。

(3) 地热原水和尾水中的主要致堵微生物为SRB和IB,尾水中的致堵微生物数量多于原水中的数量;SRB的增长可导致水中多糖和蛋白质的增加;总铁、Fe2+质量浓度的增加则会促进IB的滋生与增殖。