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把数亿升的煤层气水安全注入到地下可能吗

2019-03-12 01:31:36

导语:煤层气水经过处理以后注入地下可以避免地下水被有毒物质污染。

关键词:煤层气水;注入地下;砷污染;水处理

澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)的一项研究表明,从地下开采煤层气(CSG)时所产生的水可以安全地被注回到几百米深的地下。

在开采煤层气时,为了接近储存在煤层中的气体,需要先把煤层中的水抽出来。澳大利亚苏拉特盆地(Surat Basin)每年会产出700亿升的水——有悉尼港中水的1/7那么多。如何处理这些水是煤层气组织面临的种种难题之一。

我们的研究表明,在苏拉特盆地(Surat Basin)合适的地点注入大量经过处理的煤层气水可能会对地下水质量产生任何影响。

然而,要达到这一点,这些水必须经过充分处理,防止地下水被砷元素污染。砷是一种性质稳定的有毒元素,天然存在于某些考虑重新注入水的岩层中。

为什么一定要把煤层气水注入地下?

在实验室中确定Precipice Sandstone的沉积物中砷元素的释放机制(图片来源:CSIRO,作者提供)

在昆士兰,州政府有关“产出水”(也叫做“煤层气水”)的政策是:以保护环境为前提,在上利用这种宝贵资源的条件下,鼓励有效利用煤层气水。

许多情况下,适合且为社会公认的处理方式是:把这些水经过反渗透技术处理后注入到深层含水层中。重新注入的水可以用来提升已经有压力的含水层。

然而,反观世界上这些类似的项目,尤其是在弗罗里达州,可以发现,把净水注入到地下有时会产生污染物,如砷。

当雨水渗入地表成为地下水的时候,它的成分会发生变化。在地下通道数千年的时间,地下水成分缓慢地变化,从而具有岩石的特征。

当把具有与岩石不相容成分的水直接地注入到深层含水层的时候,这些被注入的水会与岩石发生反应,因而改变自身特征从而与新宿主岩石相容。该过程通过岩石释放元素到水中实现,被称作“矿物溶解”。

此外,砷元素释放也可以通过“解吸附作用”实现,在这个过程中,松散连接的离子从矿物表面释放出来。这两个过程会持续进行,直到达到一个新的平衡或建立了“化学平衡”。同时,这两个过程都可能会释放有毒元素,如砷。

地下水检测

在新的研究中,我们用可以模拟地下水径流和水质的计算机模型分析了来自昆士兰苏拉特盆地(Surat Basin)的Reedy Creek 和 Condabri的注入水实验的结果。

结果表明,砷元素是否释放以及释放量大小取决于注入水的成分。通过研究我们得出结论:要使砷元素释放量小,必须在注入煤层气水之前除去水中的氧气。

在实验期间,

把数亿升的煤层气水安全注入到地下可能吗

其中的一个实验地点(Reedy Creek)出现了砷元素浓度增加现象,实验结果和计算机模型均表明,砷释放是由注入水引起的。

然而,计算机模型也证明,这种形式的砷释放可以通过调整注入水的pH值使其与天然地下水pH值相同的方式来彻底避免。

在第二个实验地点Condabri所做的不同条件下的实验表明:如果注入水没有去除氧气,那么地下水中砷元素浓度会大幅度增加。

如果不去除注入水中的氧气,就会导致储量丰富的矿物黄铁矿(又叫fool’s gold)的分解。这些矿物中通常含有微量的砷元素。

有何用途?

这项研究的结果可以用来指导大范围内实现把煤层气水注入Precipice含水层的设计工作。现在,所有的水在注入之前都要经过去除氧气以及调节pH值与天然地下水相近的处理过程。

现在,Reedy Creek注入计划正在成功地运行,并且在源源不断地把经过处理的水注入到地下。该项目自2015年实施以来,已经有超过100亿升水被注入到Precipice含水层,同时,该项目也是目前澳大利亚的处理水注入项目。

结果是,Precipice含水层一部分地区的地下水位几十年来首次开始回升。

作者简介:Henning Prommer博士是西澳大学(University of Western Australia)温思罗普(Winthrop)研究教授、澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)水土部环境污染物减排和技术发展团队首席科学家和组长。他的专长和研究领域是:(1)反应性输送模型在解决多孔介质中水质问题上的应用和发展,特别是氧化还原过程的量化以及实验室和生产现场的有机和无机污染物的行业规范的制定;(2)理解和量化偶联运输过程,以及可控含水层补给技术(如含水层储存和恢复)导致的(生物)地球化学过程;(3)利用同位素标记法和自然环境示踪剂法,通过数值模拟的方式分析自然的和受污染的含水层的时空变化。

本文观点仅代表作者,不代表《科学美国人》。

(翻译:么宇辉;审校:杨玉洁)

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