以更明智的方式给含水层充电

为了补充地下水,许多城市向枯竭的含水层注入再生水。注入的水经过二次废水处理净化,在某些情况下,水经过三级处理,足够干净可以直接饮用。

含水层中的原始水在化学上是稳定的,与周围岩石处于平衡状态,并通过自然过程(水渗透)缓慢地补充水分。然而,当消耗的地下水超过自然过程所能恢复的时候,就需要用净化的再生水进行工程再充电。不幸的是,随着时间的推移,再生水有时会被污染。

圣路易斯华盛顿大学(Washington University in St. Louis)麦凯维工程学院(McKelvey School of Engineering)的一个研究团队由能源、环境和化学工程教授Young-Shin Jun领导;Jun’s实验室的博士生吴玄浩(音)已经确定了用于补给含水层的饮用水如何被砷污染。

Young-Shin Jun photo小君

这项研究发表在《环境科学与技术》杂志上。

在一个有管理的含水层补给中,“我们不断地抽取含水层,但是我们从来没有足够地补充它,”Jun说。

她说:“我们的人口会迅速增长,我们的生活方式也会变得更加依赖水,但自然的补给过程是缓慢的。”因此,水资源管理实践设计了一种注入水来补偿我们的消耗并实现环境可持续性的方法。”

保持含水层充满水是很重要的,原因如下。在沿海地区,含盐量高的海水可以填满枯竭的含水层,给生态系统和含水层赖以生存的农作物带来灾难性的后果。而且,如果枯竭区仍然是空的,可能会出现天坑,土地可能会下沉。因此,从加利福尼亚到佛罗里达,重新注满含水层以提供饮用水是一种标准做法。

但大约10年前,在与环境保护署(EPA)合作进行管理含水层补给时,Jun遇到了一个令人困惑的情况。

“当我们注入水的时候,它是好的,”,她说,“,但是当我们取出它的时候,它是坏的,被砷污染了。什么是错误的? ”

事实证明,尽管注入含水层的水通常干净到可以饮用,但它给含水层带来了新的东西:氧气。

她说:“通过注入再生水,我们正在触发含水层中硫化物矿物的氧化溶解,而这些矿物在低氧水平下是稳定的。”她特别研究了砷黄铁矿(FeAsS),这是一种能溶解成铁、硫,更重要的是,还能溶解成砷的矿物。然而,在砷达到有问题的水平之前,另一个反应发生了。

“铁沉淀成氧化铁或氢氧化铁,”Jun说。砷吸附或附着在不溶于水的氧化铁或氢氧化物上,使砷远离水。

然而,还有另一个重要因素。

溶解的有机物(DOM)——含有碳的化合物——彻底改变了这种情况。“由于有机化合物含量高,我们发现沉淀反应被抑制了,”Jun说。当铁氧化物或氢氧化物的沉淀被抑制时,砷就不能充分地吸附。相反,它仍然可以在水中使用。

Jun很快强调,这不仅仅是实验室里的实验。“这不是一个潜在的未来问题,”她说,并指出使用再生水是目前的实际做法。在考虑含水层的水回收利用时,我们需要考虑有机物的作用。

“我们必须考虑注射水中的迟发性肌肉酸痛,以确保它们不会引发更多的毒素动员,”Jun说。“应将DOMs在管理含水层补给中的作用纳入预测模型。了解水的化学性质如何改变含水层的化学反应,将使我们能够充分利用水,而不是把它当作废物丢弃。

她说:“请记住,世界上只有一种水。

“所有的水——饮用水、海水、地下水、废水、雨水、灰水等等——就是‘水。保持它的安全和可持续性是我们持续的作业

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://source.wustl.edu/2020/01/toward-a-smarter-way-to-recharge-the-aquifer/

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