淺析北方城鎮(zhèn)地下水鐵錳超標(biāo)的成因及影響

梁宸 陳鑫鵬 楊天浩

摘?要：本文對(duì)北方地下水鐵錳超標(biāo)的成因進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)鐵錳超標(biāo)的影響進(jìn)行了分析，并提出了源頭為主末端為輔的防控策略，對(duì)地下水鐵錳超標(biāo)問(wèn)題的研究具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：北方城鎮(zhèn);地下水;鐵錳超標(biāo);成因;影響

一、引言

隨著人口的增長(zhǎng)和工業(yè)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，城市水資源日益嚴(yán)重不足，因此人們對(duì)地下水的開(kāi)采需求越來(lái)越高。我國(guó)從20世紀(jì)70年代中期開(kāi)始大規(guī)模開(kāi)發(fā)地下水資源，到20世紀(jì)初，我國(guó)地下水開(kāi)采量已超過(guò)1000億立方米。然而，過(guò)度開(kāi)采和水質(zhì)污染造成了地下水一系列嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。目前，我國(guó)地下水的現(xiàn)狀十分嚴(yán)峻，根據(jù)有關(guān)部門(mén)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，城市地下水嚴(yán)重污染的比例約為64%，輕度污染的比例為33%，基本清潔的比例僅為3%。

地下水是中國(guó)北部及許多城市維持生態(tài)環(huán)境的重要水源，同時(shí)也是農(nóng)業(yè)灌溉、工礦生產(chǎn)、城市生活的重要水源。在地下水的開(kāi)采利用過(guò)程中，金屬離子尤超標(biāo)，尤其是鐵錳超標(biāo)的問(wèn)題值得關(guān)注。中國(guó)《飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-85）規(guī)定，鐵和錳的濃度分別不得超過(guò)0.3mg/L和0.1mg/L。對(duì)于超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的原水，須通過(guò)相應(yīng)工藝措施降低鐵、錳含量，從而滿(mǎn)足國(guó)家飲用水的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

二、地下水鐵錳超標(biāo)的成因分析

鐵和錳是構(gòu)成地殼的主要金屬元素，在不同的環(huán)境中存在溶解態(tài)和固態(tài)，其原子排列分別為26和25，原子量分別為55.85和54.94[1]。鐵錳離子的性質(zhì)非常相似，經(jīng)常共同參與自然界的物理、化學(xué)和生化反應(yīng)。由于能夠與許多離子結(jié)合，鐵錳元素以不同的價(jià)態(tài)形式溶解在天然水尤其是地下水中。在天然水體中，鐵和錳是同時(shí)存在的，并且存在形式幾乎完全相同，因此這里僅以鐵的超標(biāo)成因加以分析。

在還原環(huán)境中，鐵往往以離子的形式存在。產(chǎn)生高于標(biāo)準(zhǔn)值的鐵離子的機(jī)制如下：一方面，碳酸化的地下水在地下溶解了氧化鐵;另一方面，在還原條件下，三價(jià)態(tài)氧化鐵被還原為Fe2+，但Fe2+的活性較強(qiáng)，所以含F(xiàn)e2+礦物更易溶于水，因此在水中形成鐵物質(zhì)并且超出于標(biāo)準(zhǔn)正常值。研究發(fā)現(xiàn)，pH值為6-8時(shí)有利于Fe2+的溶解和富集，而地下水pH值介于7.31 - 8.1之間，這是地下水中鐵離子富集的主要原因。同時(shí)，在還原相對(duì)較弱的環(huán)境中，有利于高價(jià)態(tài)鐵的溶解還原，從而進(jìn)一步增加了地下水中Fe2+的含量。抽樣測(cè)試結(jié)果表明，深水區(qū)域鐵離子的含量略高于淺水區(qū)，原因有兩個(gè)：一是淺層地下水含氧量較高，可以在包氣帶與鐵離子直接接觸，通過(guò)氧化Fe2+，使其在固體形態(tài)下發(fā)生沉淀，另外地下水的某些離子的中間價(jià)態(tài)也會(huì)隨之下降;同時(shí)由于深層含水層內(nèi)部氧含量相對(duì)較低，因此大量的鐵以離子的形式存在于深層水中，從而導(dǎo)致深層地下水中的鐵離子含量高于淺含水層;二是排入到地下的污水促使地層中某些成分與鐵發(fā)生置換的原因。根據(jù)地下水中鐵離子的研究結(jié)果，污水對(duì)深層地下水的影響要大于淺含水層[2]。

三、地下水鐵錳超標(biāo)的影響

鐵和錳普遍存在于地下水中，在我國(guó)有相當(dāng)一部分地區(qū)地下水中鐵錳含量嚴(yán)重超標(biāo)，不符合國(guó)家飲用水的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)人民的身體健康和工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了巨大影響。對(duì)吉林省鎮(zhèn)賚縣某水廠地下水水樣的分析結(jié)果表明，原水水樣透明澄清，略有黃色，無(wú)味，出水水質(zhì)透明澄清，無(wú)任何顏色及氣味。同時(shí)，檢測(cè)結(jié)果表明鐵錳超標(biāo)。在煮沸燒開(kāi)后，兩份水樣表面均產(chǎn)生一層白色細(xì)小絮凝物浮渣。

研究表明，白色浮渣主要成分為復(fù)雜有機(jī)金屬螯合不溶物，形成過(guò)程為有機(jī)金屬相互反應(yīng)絮結(jié)而成，在煮沸條件下，水中溢出氣泡將浮渣帶到液體表面，并由于氣泡的附著而形成松散絮狀浮渣。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，認(rèn)為鐵、錳、鈣、鎂、鋇、鉀與有機(jī)螯合物形成的復(fù)雜有機(jī)金屬螯合物是導(dǎo)致水樣燒開(kāi)后出現(xiàn)白色絮狀漂浮物的主要原因，并且硬度在其中占主導(dǎo)因素。地下水中含有的鐵和錳過(guò)量不僅會(huì)影響工業(yè)正常的生產(chǎn)用水，還會(huì)威脅到人類(lèi)的飲用水健康。鐵和錳是人體必需的微量元素，對(duì)人的成長(zhǎng)和代謝起著重要的作用，但是如果這兩種微量元素的攝入量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，就會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生不良影響。如果攝取過(guò)多的鐵元素，血液中的鐵蛋白濃度就會(huì)上升，大大增加心臟病的發(fā)生率。若攝入錳元素過(guò)量，會(huì)引起錳中毒，容易使人狂躁不安，對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)有著嚴(yán)重的損傷[3]。

當(dāng)前，中國(guó)許多城市和工礦企業(yè)都以地下水為重要的水源，如鐵和錳離子含量過(guò)高，供水管道會(huì)受到侵蝕、浸水以及鐵細(xì)菌擴(kuò)散的阻斷，將會(huì)影響供水設(shè)備的正常使用[4-5]。因此在去除鐵和錳的工藝設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)地下水中鐵和錳的濃度，采取必要的除鐵除錳措施。當(dāng)水中含有二氧化碳時(shí)，首先要凈化管道中的空氣從而清除水中腐蝕性的二氧化碳，然后再去除鐵和錳。

四、總結(jié)

隨著我國(guó)人口的不斷增長(zhǎng)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及受到全球氣候變暖等的影響，地下水的重要作用得到更加充分顯現(xiàn)，因此對(duì)于地下水進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和分析有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。面對(duì)這樣的情況，國(guó)家又開(kāi)始了一系列的污染防治政策，并由環(huán)境保護(hù)部發(fā)布了《國(guó)家地下水污染防治管理規(guī)劃》。該規(guī)劃要求，加快完善地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)信息共享，增加地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器儀表投入量。綜上，對(duì)于地下水鐵錳超標(biāo)的治理主要應(yīng)以源頭為主末端為輔，通過(guò)對(duì)不同地區(qū)不同成因的鐵錳超標(biāo)，應(yīng)選擇適宜的監(jiān)控手段和處理工藝去除地下水中過(guò)量鐵錳。

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202010191024）

作者簡(jiǎn)介：梁宸（1999-），男，給排水科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)，本科在讀。