地下水中鐵的形態(tài)與除鐵工藝選擇

□孫乃武 孫惠聰

我省地下水中含鐵比較普遍，且隨著其來源的不同，存在的形態(tài)也不同。在農(nóng)村飲水安全工程中，過去是單井單屯逐漸發(fā)展為一井多屯和集中連片供水，故對水質(zhì)安全保證和建設投資及常年運轉(zhuǎn)管理要求也越來越高。如何正確地掌握地下水中鐵質(zhì)的存在形態(tài)及含量，正確選擇合理的除鐵工藝，顯得尤為重要。

一、地下水中鐵的存在形態(tài)及其來源

鐵在地殼的表層含量約為6%，僅次于氧、硅、鋁而占第四位。地殼中的鐵質(zhì)多半分散于各種晶質(zhì)沉積巖中，它們都是難溶的化合物。Fe3+在水中的溶解度極小。當PH=5 時，F(xiàn)e3+在水中的溶解度不足0.001mg/L，所以天然地下水中實際上不含有溶解性的Fe3+。Fe2+的溶解度略高于Fe3+，是地下水中鐵質(zhì)的主要成份。

地殼巖土中的鐵質(zhì)大量進入地下水中，大致有以下幾種途徑：

（一）地面上富含鐵沉積巖層中的三價鐵在大氣降水淋濾作用下，進入水體或地下水中，在匯入和滲透時，受到水體中有機物質(zhì)的影響還原為二價鐵。如海林市紅甸子河，就是沸石礦中鐵使地面Fe3+含量增大，地下水在與河水相互補給時進入地下水，水質(zhì)中Fe2+呈遞減形式從河漫灘至一級階地分布。

（二）含有二氧化碳的地下水對巖土中二價鐵的溶解作用。

對氧化亞鐵：

對碳酸亞鐵：

（三）在河谷漫灘、階地和沖洪積平原地下水中，三價鐵在還原條件下被還原為二價鐵而溶解。在富含有機質(zhì)的地層中，常由于微生物的強烈作用而處于嫌氣的還原條件下，這時溶解氧被消耗殆盡，有機物進行嫌氣分解產(chǎn)生大量硫化氫、腐殖酸、沼氣、二氧化碳等。

三價鐵被硫化氫還原的過程如下：

硫化鐵在二氧化碳作用下溶于水中：

我省松花江、呼蘭河、海浪河流域地下水為典型代表。

（四）一些有機物和鐵生成復雜的有機鐵而溶于水中，是地下潛層水受污染后的典型水質(zhì)。

（五）鐵的硫化物氧化而溶于水中。含鐵地下水在我省分布甚廣。含鐵濃度多數(shù)在10mg/L 左右；20～30mg/L 者較少；含鐵濃度高于30mg/L 者比較罕見。由于地層對地下水的過濾作用，一般地下水中只含有溶解性的鐵的化合物，三價鐵在PH>5的水中溶角度極小，所以在地下水中含量甚微，一般含鐵地下水所含的主要是二價鐵的重碳酸鹽。由于重碳酸亞鐵是強電解質(zhì)，能在水中充分離解，所以二價鐵在地下水中主要是以二價鐵離子Fe2+的形式存在，所謂地下水中含有重碳酸亞鐵，是指其假想化合形態(tài)。

地下水中除含有重碳酸亞鐵外，有時還可能含有硫酸亞鐵和有機鐵。

當Fe2+（毫克當量/升）

我省含鐵地下水的PH值介于5～8之間，并且介于6～7.5的占絕大多數(shù)，低于6和高于7.5的比較罕見。

當水中有溶解氧存在時，水中的二價鐵離子易于氧化為三價鐵。氧化生成的三價鐵因在水中的溶解度極小，故以Fe(OH)3形式由水中沉淀析出。所以，含鐵地下水中不含溶解氧是水中二價鐵離子能穩(wěn)定存在的必要條件。

地下水中的有機物常對二價鐵的氧化起阻礙作用，特別是當有機物結(jié)合成穩(wěn)定的化合物時，常使二價鐵的氧化異常困難，這種鐵質(zhì)一般稱為有機鐵。地下水中可能存在有機鐵的條件是：水中含有大量有機物；水的色度很高，且為淺層地下水；水中總鐵濃度與離子鐵濃度的差值很大。除水質(zhì)受污染外，地下水含有有機鐵的情況一般并不多見。

二、地下水除鐵原理及基本方法

為了去除地下水中的鐵質(zhì)，一般都采用氧化的方法，即用氧化劑將水中的二價鐵氧化成三價鐵。由于三價鐵在水中的溶解度極小，故能從水中沉淀析出，從而達到地下水除鐵的目的。

地下水中鐵、錳一般是伴生的，但我省地下水中錳的指標不高，在除鐵的同時也能將水中的錳去除，達到飲用水的指標要求。松花江流域的下游區(qū)、縣地下水錳的含量高一些，如同江市等。

（一）自然氧化法除鐵。以空氣中的氧氣為氧化劑，使含鐵地下水與空氣接觸，空氣中的氧氣便迅速溶于水中（此過程為曝氣）。

氧化生成的三價鐵，經(jīng)水解后，先生成氫氧化鐵膠體，然后逐漸絮凝成絮狀沉淀物，用普通砂濾池過濾去除。曝氣的方法有：

敞開式：將水暴露在空氣中，通過水膜或水滴來接觸空氣來達到曝氣的作用，亦稱為瀑布式曝氣。如接觸式曝氣塔、蓮蓬頭淋水、噴水、跌水等曝氣方式。

封閉式：將空氣以小氣泡的形式注入需曝氣的水中，靠小氣泡在水中的分散、擴散和溶解來達到曝氣的目的，亦稱為氣泡式曝氣。如壓縮空氣、水一氣射流導、鼓風機曝氣盤等。

水的PH值對自然氧化除鐵過程有很大的影響。水的PH值每降低1個單位，水中OH-濃度將減小10倍，從而使水中二價鐵的氧化速度降低100倍。實際上，自然氧化除鐵過程只有在水的PH值不低于7的條件下才可能順利進行。

此外，水中二價鐵的氧化速度還受水的堿變、有機物和還原物質(zhì)以及溶解性硅酸等物質(zhì)的影響。

由于自然氧化除鐵過程受多種因素的影響，所以其除鐵的可靠程度只有參照已有工程實例來確定。自然氧化除鐵所需時間一般不超過1～2 小時，反應時間過長時，處理系統(tǒng)就會顯得過于龐大而不經(jīng)濟，這時應采取加速氧化反應的措施。

加強水的曝氣過程，盡可能多地散除水中的二氧化碳以提高水的PH值，是提高二價鐵氧化速度的重要措施。特別是多數(shù)含鐵地下水的PH值小于7，加強曝氣更是必要的措施。因此，在自然氧化除鐵系統(tǒng)中，曝氣的目的不僅是為了向水中溶解氧氣，同時也是為了散除水中的二氧化碳以提高水的PH值。敞開式的曝氣方式更能散出水中硫化氫、溶解性腐殖酸等氣體。

（二）錳砂除鐵法。天然錳砂除鐵是一種接觸催化除鐵工藝。天然錳砂含有高價錳（大于正二價）的氧化物，能對水中二價鐵的氧化反應起催化作用，大大加快其反應速度。一般認為二氧化錳的催化機理是，二價錳首先被水中的溶解氧氧化成高價錳的氧化物，高價錳再將二價鐵氧化成三價鐵。由于這兩個反應進行得都很快，所以就大大加速了二價鐵氧化成三價鐵的速度。

天然錳砂在除鐵過程中，除了依靠它自身含有的高價錳的氧化物的催化作用以外，在其表面還能逐漸形成一種以“濾膜”形式存在的鐵質(zhì)催化物，稱為除鐵“活性濾膜”。“活性濾膜”是r 型的羥基氧化鐵所構(gòu)成（r－FeOOH），它在含鐵地下水的PH 條件下能與二價鐵離子進行離子交換，并置換出等當量的氫離子。被交換吸附的二價鐵繼續(xù)進行水解和氧化，產(chǎn)生出羥基氧化鐵，使催化物質(zhì)得到再生。

生成的羥基氧化鐵作為“活性濾膜”物質(zhì)又參予新的催化除鐵過程，所以“活性濾膜”除鐵過程是一個自動催化過程。

將催化原理用于地下水除鐵，是除鐵工藝的一個進步。天然錳砂不僅對水中二價鐵的氧化反應有很強的接觸催化作用，并且同時又能完成對水中鐵質(zhì)的截留分離作用，所以曝氣后的含鐵地下水只經(jīng)天然錳砂一次過濾，就能完成全部除鐵過程。

（三）人工銹砂除鐵法。除鐵活性濾膜不僅能在天然錳砂表面形成，并且也能在其它濾料（如河砂、石英砂）表面形成。制作過程是向水中投加硫酸亞鐵，使水中二價鐵濃度達到100～200mg/L，并調(diào)整PH值為6～7，將此含鐵水曝氣后立即經(jīng)濾料過濾，濾后水抽回池前循環(huán)使用，如此對濾料連續(xù)處理60～70 小時，便制成具有接觸催化除鐵能力的人工銹砂。

人工銹砂的除鐵原理與天然錳砂表面的“活性濾膜”的除鐵原理相同，可以使用與天然錳砂相同的除鐵系統(tǒng)，并且具有與天然錳砂大致相同的適用范圍。

（四）氯化除鐵法。當以空氣中的氧氣氧化地下水中的二價鐵有困難時，尚可向水中投加氯，氯是比氧更強的氧化劑，當PH>5 時，氯能迅速將二價鐵氧化成三價鐵。當?shù)叵滤绣i較高時，采用氯化法同樣能夠完成除錳過程。

（五）高錳酸鉀除鐵法。高錳酸鉀也可以除鐵，其氧化能力較氧和氯更強。高錳酸鉀投量很小仍能獲得相當好的除鐵效果，這可能是反應中生成的二氧化錳具有接觸催化作用所致。

（六）水中硫酸亞鐵（石灰）去除法。當水中堿度過小，不足以中和二價鐵氧化水解時生成的酸度，水的PH值會在除鐵中大大降低，影響除鐵過程的進行，所以去除水中的硫酸亞鐵，需向水中投加堿劑（石灰等）。

（七）陶料（硅碳素）除鐵。采用人工陶料（硅碳素為粉煤灰、氧化鋁和沸石等多孔物質(zhì)燒結(jié)而成）作為濾料接觸除鐵（軟化水和除氟所用特殊水處理），使用一段時間后，需用堿劑進行再生（還原），把陶料上的陽離子置換出來，代之以新的可交換離子，硅碳素的再生過程亦為水軟化反應的逆過程。

（八）人工地層除鐵。地層除鐵的機理是用含有氧的曝氣灌入地下含鐵地層，形成具有除鐵能力的地下除鐵層。一般有單井自灌和群井互灌兩種方式。

三、除鐵方法的選擇

當?shù)叵滤需F超標不大，不含硫化氫腐殖酸等有害氣體時，且PH值不太低，宜采用封閉式曝氣，如采用石英砂濾池或錳砂除鐵濾池，也可采用人工地層除鐵。

當?shù)叵滤需F超標不太大，但含有硫化氫腐殖酸、二氧化碳等氣體，且PH值較低時，宜采用敞開式曝氣方式，如錳砂除鐵濾池和人工銹砂除鐵濾池。

當?shù)叵滤需F、錳都超標時，有機物含量高，氧曝氣困難時，宜采用氯化除鐵法和高錳酸鉀除鐵法。

當?shù)叵滤泻辛蛩醽嗚F堿度過小、PH值過低時，宜采用石灰法除鐵。當?shù)叵滤F超標，硬度大或含氟時，宜采用陶料（硅碳素）除鐵法，可達到特殊處理目的，又可實現(xiàn)除鐵處理。

四、總結(jié)

地下水除鐵工藝選擇的根本依據(jù)是水源水文地質(zhì)勘察評價結(jié)論，如做不到，也應對探采結(jié)合井進行水文地質(zhì)成果評價，以確保除鐵工藝選擇準確。

在地下水取水井鉆井過程中，應取樣編錄，以便分析水中各種物質(zhì)的來源，正確選擇曝氣形式和除鐵工藝。

地下水中含有機物，一般情況是受污染所致，應分析查清其來源，采取措施切斷污染源和設立水源衛(wèi)生防護區(qū)，采取相應的處理工藝，以確保水質(zhì)安全。

地下水除鐵工藝選擇的原則是：簡單、方便、節(jié)能、節(jié)省工程投資。工藝復雜將增大投資費用和常年管理費用。

對已建成的水處理工程進行總結(jié)，可為本地區(qū)、相鄰地區(qū)或相同水質(zhì)的新建工程提供設計參考相關(guān)依據(jù)。