浅析北方城镇地下水铁锰超标的成因及影响

梁宸 陈鑫鹏 杨天浩

摘 要：本文对北方地下水铁锰超标的成因进行了总结，对铁锰超标的影响进行了分析，并提出了源头为主末端为辅的防控策略，对地下水铁锰超标问题的研究具有一定参考价值。

关键词：北方城镇;地下水;铁锰超标;成因;影响

一、引言

随着人口的增长和工业农业的发展，城市水资源日益严重不足，因此人们对地下水的开采需求越来越高。我国从20世纪70年代中期开始大规模开发地下水资源，到20世纪初，我国地下水开采量已超过1000亿立方米。然而，过度开采和水质污染造成了地下水一系列严重的生态环境问题。目前，我国地下水的现状十分严峻，根据有关部门的观测数据，城市地下水严重污染的比例约为64%，轻度污染的比例为33%，基本清洁的比例仅为3%。

地下水是中国北部及许多城市维持生态环境的重要水源，同时也是农业灌溉、工矿生产、城市生活的重要水源。在地下水的开采利用过程中，金属离子尤超标，尤其是铁锰超标的问题值得关注。中国《饮用水卫生标准》（GB5749-85）规定，铁和锰的浓度分别不得超过0.3mg/L和0.1mg/L。对于超过标准的原水，须通过相应工艺措施降低铁、锰含量，从而满足国家饮用水的卫生标准。

二、地下水铁锰超标的成因分析

铁和锰是构成地壳的主要金属元素，在不同的环境中存在溶解态和固态，其原子排列分别为26和25，原子量分别为55.85和54.94[1]。铁锰离子的性质非常相似，经常共同参与自然界的物理、化学和生化反应。由于能够与许多离子结合，铁锰元素以不同的价态形式溶解在天然水尤其是地下水中。在天然水体中，铁和锰是同时存在的，并且存在形式几乎完全相同，因此这里仅以铁的超标成因加以分析。

在还原环境中，铁往往以离子的形式存在。产生高于标准值的铁离子的机制如下：一方面，碳酸化的地下水在地下溶解了氧化铁;另一方面，在还原条件下，三价态氧化铁被还原为Fe2+，但Fe2+的活性较强，所以含Fe2+矿物更易溶于水，因此在水中形成铁物质并且超出于标准正常值。研究发现，pH值为6-8时有利于Fe2+的溶解和富集，而地下水pH值介于7.31 - 8.1之间，这是地下水中铁离子富集的主要原因。同时，在还原相对较弱的环境中，有利于高价态铁的溶解还原，从而进一步增加了地下水中Fe2+的含量。抽样测试结果表明，深水区域铁离子的含量略高于浅水区，原因有两个：一是浅层地下水含氧量较高，可以在包气带与铁离子直接接触，通过氧化Fe2+，使其在固体形态下发生沉淀，另外地下水的某些离子的中间价态也会随之下降;同时由于深层含水层内部氧含量相对较低，因此大量的铁以离子的形式存在于深层水中，从而导致深层地下水中的铁离子含量高于浅含水层;二是排入到地下的污水促使地层中某些成分与铁发生置换的原因。根据地下水中铁离子的研究结果，污水对深层地下水的影响要大于浅含水层[2]。

三、地下水铁锰超标的影响

铁和锰普遍存在于地下水中，在我国有相当一部分地区地下水中铁锰含量严重超标，不符合国家饮用水的标准，对人民的身体健康和工业生产带来了巨大影响。对吉林省镇赉县某水厂地下水水樣的分析结果表明，原水水样透明澄清，略有黄色，无味，出水水质透明澄清，无任何颜色及气味。同时，检测结果表明铁锰超标。在煮沸烧开后，两份水样表面均产生一层白色细小絮凝物浮渣。

研究表明，白色浮渣主要成分为复杂有机金属螯合不溶物，形成过程为有机金属相互反应絮结而成，在煮沸条件下，水中溢出气泡将浮渣带到液体表面，并由于气泡的附着而形成松散絮状浮渣。根据经验判断，认为铁、锰、钙、镁、钡、钾与有机螯合物形成的复杂有机金属螯合物是导致水样烧开后出现白色絮状漂浮物的主要原因，并且硬度在其中占主导因素。地下水中含有的铁和锰过量不仅会影响工业正常的生产用水，还会威胁到人类的饮用水健康。铁和锰是人体必需的微量元素，对人的成长和代谢起着重要的作用，但是如果这两种微量元素的摄入量超过标准值时，就会对人体健康产生不良影响。如果摄取过多的铁元素，血液中的铁蛋白浓度就会上升，大大增加心脏病的发生率。若摄入锰元素过量，会引起锰中毒，容易使人狂躁不安，对神经系统有着严重的损伤[3]。

当前，中国许多城市和工矿企业都以地下水为重要的水源，如铁和锰离子含量过高，供水管道会受到侵蚀、浸水以及铁细菌扩散的阻断，将会影响供水设备的正常使用[4-5]。因此在去除铁和锰的工艺设计中，应根据地下水中铁和锰的浓度，采取必要的除铁除锰措施。当水中含有二氧化碳时，首先要净化管道中的空气从而清除水中腐蚀性的二氧化碳，然后再去除铁和锰。

四、总结

随着我国人口的不断增长和国民经济的飞速发展以及受到全球气候变暖等的影响，地下水的重要作用得到更加充分显现，因此对于地下水进行实时的监测和分析有着重要的现实意义。面对这样的情况，国家又开始了一系列的污染防治政策，并由环境保护部发布了《国家地下水污染防治管理规划》。该规划要求，加快完善地下水环境监测网络，实现地下水环境监测信息共享，增加地下水环境监测仪器仪表投入量。综上，对于地下水铁锰超标的治理主要应以源头为主末端为辅，通过对不同地区不同成因的铁锰超标，应选择适宜的监控手段和处理工艺去除地下水中过量铁锰。

参考文献

[1] 席恺. 某市地下水铁锰超标成因研究[J]. 地质灾害与环境保护，2020，31（1）：93-96.

[2] 宋玉梅. 地下水除铁除锰工艺分析[C]. 科技经济导刊，2017，34：118.

[3] 张杰，戴镇生. 地下水除铁除锰现代观[J]. 给水排水，1996，22（10）：13-16.

[4] 姜义. 地下水中铁、锰的存在形式及去除技术探讨[J]. 环境保护科学，2003，29（115）：32-34

[5] 彭治军.地下水中铁锰超标的治理[J] .广东化工，46（401）：130-131.

基金项目：吉林省大学生创新创业训练计划项目（202010191024）

作者简介：梁宸（1999-），男，给排水科学与工程专业，本科在读。