淺析北方城鎮地下水鐵錳超標的成因及影響

梁宸 陳鑫鵬 楊天浩

摘?要：本文對北方地下水鐵錳超標的成因進行了總結，對鐵錳超標的影響進行了分析，并提出了源頭為主末端為輔的防控策略，對地下水鐵錳超標問題的研究具有一定參考價值。

關鍵詞：北方城鎮;地下水;鐵錳超標;成因;影響

一、引言

隨著人口的增長和工業農業的發展，城市水資源日益嚴重不足，因此人們對地下水的開采需求越來越高。我國從20世紀70年代中期開始大規模開發地下水資源，到20世紀初，我國地下水開采量已超過1000億立方米。然而，過度開采和水質污染造成了地下水一系列嚴重的生態環境問題。目前，我國地下水的現狀十分嚴峻，根據有關部門的觀測數據，城市地下水嚴重污染的比例約為64%，輕度污染的比例為33%，基本清潔的比例僅為3%。

地下水是中國北部及許多城市維持生態環境的重要水源，同時也是農業灌溉、工礦生產、城市生活的重要水源。在地下水的開采利用過程中，金屬離子尤超標，尤其是鐵錳超標的問題值得關注。中國《飲用水衛生標準》（GB5749-85）規定，鐵和錳的濃度分別不得超過0.3mg/L和0.1mg/L。對于超過標準的原水，須通過相應工藝措施降低鐵、錳含量，從而滿足國家飲用水的衛生標準。

二、地下水鐵錳超標的成因分析

鐵和錳是構成地殼的主要金屬元素，在不同的環境中存在溶解態和固態，其原子排列分別為26和25，原子量分別為55.85和54.94[1]。鐵錳離子的性質非常相似，經常共同參與自然界的物理、化學和生化反應。由于能夠與許多離子結合，鐵錳元素以不同的價態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成因加以分析。

在還原環境中，鐵往往以離子的形式存在。產生高于標準值的鐵離子的機制如下：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，三價態氧化鐵被還原為Fe2+，但Fe2+的活性較強，所以含Fe2+礦物更易溶于水，因此在水中形成鐵物質并且超出于標準正常值。研究發現，pH值為6-8時有利于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，在還原相對較弱的環境中，有利于高價態鐵的溶解還原，從而進一步增加了地下水中Fe2+的含量。抽樣測試結果表明，深水區域鐵離子的含量略高于淺水區，原因有兩個：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，通過氧化Fe2+，使其在固體形態下發生沉淀，另外地下水的某些離子的中間價態也會隨之下降;同時由于深層含水層內部氧含量相對較低，因此大量的鐵以離子的形式存在于深層水中，從而導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生置換的原因。根據地下水中鐵離子的研究結果，污水對深層地下水的影響要大于淺含水層[2]。

三、地下水鐵錳超標的影響

鐵和錳普遍存在于地下水中，在我國有相當一部分地區地下水中鐵錳含量嚴重超標，不符合國家飲用水的標準，對人民的身體健康和工業生產帶來了巨大影響。對吉林省鎮賚縣某水廠地下水水樣的分析結果表明，原水水樣透明澄清，略有黃色，無味，出水水質透明澄清，無任何顏色及氣味。同時，檢測結果表明鐵錳超標。在煮沸燒開后，兩份水樣表面均產生一層白色細小絮凝物浮渣。

研究表明，白色浮渣主要成分為復雜有機金屬螯合不溶物，形成過程為有機金屬相互反應絮結而成，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。根據經驗判斷，認為鐵、錳、鈣、鎂、鋇、鉀與有機螯合物形成的復雜有機金屬螯合物是導致水樣燒開后出現白色絮狀漂浮物的主要原因，并且硬度在其中占主導因素。地下水中含有的鐵和錳過量不僅會影響工業正常的生產用水，還會威脅到人類的飲用水健康。鐵和錳是人體必需的微量元素，對人的成長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標準值時，就會對人體健康產生不良影響。如果攝取過多的鐵元素，血液中的鐵蛋白濃度就會上升，大大增加心臟病的發生率。若攝入錳元素過量，會引起錳中毒，容易使人狂躁不安，對神經系統有著嚴重的損傷[3]。

當前，中國許多城市和工礦企業都以地下水為重要的水源，如鐵和錳離子含量過高，供水管道會受到侵蝕、浸水以及鐵細菌擴散的阻斷，將會影響供水設備的正常使用[4-5]。因此在去除鐵和錳的工藝設計中，應根據地下水中鐵和錳的濃度，采取必要的除鐵除錳措施。當水中含有二氧化碳時，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

隨著我國人口的不斷增長和國民經濟的飛速發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，因此對于地下水進行實時的監測和分析有著重要的現實意義。面對這樣的情況，國家又開始了一系列的污染防治政策，并由環境保護部發布了《國家地下水污染防治管理規劃》。該規劃要求，加快完善地下水環境監測網絡，實現地下水環境監測信息共享，增加地下水環境監測儀器儀表投入量。綜上，對于地下水鐵錳超標的治理主要應以源頭為主末端為輔，通過對不同地區不同成因的鐵錳超標，應選擇適宜的監控手段和處理工藝去除地下水中過量鐵錳。

參考文獻

[1]?席愷. 某市地下水鐵錳超標成因研究[J]. 地質災害與環境保護，2020，31（1）：93-96.

[2]?宋玉梅. 地下水除鐵除錳工藝分析[C]. 科技經濟導刊，2017，34：118.

[3]?張杰，戴鎮生. 地下水除鐵除錳現代觀[J]. 給水排水，1996，22（10）：13-16.

[4]?姜義. 地下水中鐵、錳的存在形式及去除技術探討[J]. 環境保護科學，2003，29（115）：32-34

[5]?彭治軍.地下水中鐵錳超標的治理[J] .廣東化工，46（401）：130-131.

基金項目：吉林省大學生創新創業訓練計劃項目（202010191024）

作者簡介：梁宸（1999-），男，給排水科學與工程專業，本科在讀。