超深层孔隙地热水中硝酸盐的反硝化机制

The increase of nitrite and ammonium contents in some low-temperature geothermal wells in the North China Plain is a new environmental pollution problem caused by the exploitation activities of ultra-deep geothermal water. The ultra-deep pore geothermal water in a geothermal reservoir，which is composed of Minghuazhen Formation with the depths between 600 m and 1400 m in Kaifeng city，is chosen as the object of the proposed project. Sources, spatial-temporal change characteristics，and occurrence of denitrification in the study area will be identified based on the water flow rate, water table, temperature, and hydrochemistry, combined with N and O isotopes in NO3- and dissolved organic carbon isotope methods. Tracer experiments wil then be conducted to investigate the dynamics of nitrous oxide, nitrite and ammonium production through denitrification process by using hydrogeology, environmental biogeochemistry and chemical methods. Controlling factors of denitrification will be distinguished. Finally, mathematical models of denitrification with coupling effect of geotherm and high hydraulic pressure will be established. The results will be helpful to distinguish the factors that affected the geothermal water quality and provide useful information on how to explore and protect the geothermal water reasonably.

我国华北平原部分低温地热水中的亚硝酸盐、氨氮浓度增高是目前超深层地热水开采引发的新的环境问题。项目拟以开封市目前开采的埋深在600～1400m的新近系明化镇组热储层的孔隙地热水为研究对象，根据现场检测的水量、水位、水温、水化学资料，结合硝酸盐氮氧同位素技术及溶解性有机碳同位素技术，研究地热水中硝酸盐的来源、时空演变规律并识别其反硝化作用。运用水文地质学、环境生物地球化学、化学分析技术等研究手段，通过室内模拟实验，揭示反硝化过程中氧化亚氮、亚硝酸盐、氨氮等产物的动力学变化规律，确定影响反硝化的控制性因素，建立指示地热-高水压耦合作用下的反硝化数学模型。研究结果对于查明地热水的水质问题具有重要科学意义，并可为有关部门合理开发利用和保护宝贵的地热水资源提供科学依据。

我国华北平原部分低温地热水中的亚硝酸盐、氨氮浓度增高是目前超深层地热水开采引发的新的环境问题。项目以开封市目前开采的埋深在600～1400m的新近系明化镇组热储层的孔隙型地热水为研究对象，根据现场检测的水量、水位、水温、水化学资料，结合硝酸盐氮氧同位素技术，研究了地热水中硝酸盐的来源、时空演变规律并识别了其反硝化作用。运用水文地质学、环境生物地球化学、化学分析技术等研究手段，通过室内模拟实验，揭示了反硝化过程中氧化亚氮、亚硝酸盐、氨氮等产物的动力学变化规律，明确了影响反硝化的控制性因素，并建立了指示地热-高水压耦合作用下的反硝化数学模型。研究结果表明：开封市埋深为600～1400 m 的地热水中，“三氮”污染以亚硝态氮为主，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。硝酸盐的来源与大气降水、岩样及土壤中硝酸盐的溶解有关。地热水中存在有一定种类的反硝化菌。在研究区热储层中同时存在有硝酸盐的异养反硝化和异化还原作用，但以异养反硝化作用为主，其转化速率和流速、温度、初始浓度、水压、溶解性有机碳（DOC）、反硝化菌种类和数量等密切相关。由于较低的C/N，硝酸盐的反硝化作用会生成较多的亚硝酸盐副产物。在模拟的松散孔隙型热储层中，硝酸盐的迁移转化遵循一级衰减动力学假设的溶质对流-弥散模型。反硝化菌及荧光指数FI的测试结果均表明随着时间的推移水-岩系统已形成了较稳定的微生物体系，导致硝酸盐转化速率及产物都趋于稳定。研究结果对于查明地热水的水质问题具有重要科学意义，并可为有关部门合理开发利用和保护宝贵的地热水资源提供科学依据。