地下水中铁的形态与除铁工艺选择

□孙乃武 孙惠聪

我省地下水中含铁比较普遍，且随着其来源的不同，存在的形态也不同。在农村饮水安全工程中，过去是单井单屯逐渐发展为一井多屯和集中连片供水，故对水质安全保证和建设投资及常年运转管理要求也越来越高。如何正确地掌握地下水中铁质的存在形态及含量，正确选择合理的除铁工艺，显得尤为重要。

一、地下水中铁的存在形态及其来源

铁在地壳的表层含量约为6%，仅次于氧、硅、铝而占第四位。地壳中的铁质多半分散于各种晶质沉积岩中，它们都是难溶的化合物。Fe3+在水中的溶解度极小。当PH=5 时，Fe3+在水中的溶解度不足0.001mg/L，所以天然地下水中实际上不含有溶解性的Fe3+。Fe2+的溶解度略高于Fe3+，是地下水中铁质的主要成份。

地壳岩土中的铁质大量进入地下水中，大致有以下几种途径：

（一）地面上富含铁沉积岩层中的三价铁在大气降水淋滤作用下，进入水体或地下水中，在汇入和渗透时，受到水体中有机物质的影响还原为二价铁。如海林市红甸子河，就是沸石矿中铁使地面Fe3+含量增大，地下水在与河水相互补给时进入地下水，水质中Fe2+呈递减形式从河漫滩至一级阶地分布。

（二）含有二氧化碳的地下水对岩土中二价铁的溶解作用。

对氧化亚铁：

对碳酸亚铁：

（三）在河谷漫滩、阶地和冲洪积平原地下水中，三价铁在还原条件下被还原为二价铁而溶解。在富含有机质的地层中，常由于微生物的强烈作用而处于嫌气的还原条件下，这时溶解氧被消耗殆尽，有机物进行嫌气分解产生大量硫化氢、腐殖酸、沼气、二氧化碳等。

三价铁被硫化氢还原的过程如下：

硫化铁在二氧化碳作用下溶于水中：

我省松花江、呼兰河、海浪河流域地下水为典型代表。

（四）一些有机物和铁生成复杂的有机铁而溶于水中，是地下潜层水受污染后的典型水质。

（五）铁的硫化物氧化而溶于水中。含铁地下水在我省分布甚广。含铁浓度多数在10mg/L 左右；20～30mg/L 者较少；含铁浓度高于30mg/L 者比较罕见。由于地层对地下水的过滤作用，一般地下水中只含有溶解性的铁的化合物，三价铁在PH>5的水中溶角度极小，所以在地下水中含量甚微，一般含铁地下水所含的主要是二价铁的重碳酸盐。由于重碳酸亚铁是强电解质，能在水中充分离解，所以二价铁在地下水中主要是以二价铁离子Fe2+的形式存在，所谓地下水中含有重碳酸亚铁，是指其假想化合形态。

地下水中除含有重碳酸亚铁外，有时还可能含有硫酸亚铁和有机铁。

当Fe2+（毫克当量/升）

我省含铁地下水的PH值介于5～8之间，并且介于6～7.5的占绝大多数，低于6和高于7.5的比较罕见。

当水中有溶解氧存在时，水中的二价铁离子易于氧化为三价铁。氧化生成的三价铁因在水中的溶解度极小，故以Fe(OH)3形式由水中沉淀析出。所以，含铁地下水中不含溶解氧是水中二价铁离子能稳定存在的必要条件。

地下水中的有机物常对二价铁的氧化起阻碍作用，特别是当有机物结合成稳定的化合物时，常使二价铁的氧化异常困难，这种铁质一般称为有机铁。地下水中可能存在有机铁的条件是：水中含有大量有机物；水的色度很高，且为浅层地下水；水中总铁浓度与离子铁浓度的差值很大。除水质受污染外，地下水含有有机铁的情况一般并不多见。

二、地下水除铁原理及基本方法

为了去除地下水中的铁质，一般都采用氧化的方法，即用氧化剂将水中的二价铁氧化成三价铁。由于三价铁在水中的溶解度极小，故能从水中沉淀析出，从而达到地下水除铁的目的。

地下水中铁、锰一般是伴生的，但我省地下水中锰的指标不高，在除铁的同时也能将水中的锰去除，达到饮用水的指标要求。松花江流域的下游区、县地下水锰的含量高一些，如同江市等。

（一）自然氧化法除铁。以空气中的氧气为氧化剂，使含铁地下水与空气接触，空气中的氧气便迅速溶于水中（此过程为曝气）。

氧化生成的三价铁，经水解后，先生成氢氧化铁胶体，然后逐渐絮凝成絮状沉淀物，用普通砂滤池过滤去除。曝气的方法有：

敞开式：将水暴露在空气中，通过水膜或水滴来接触空气来达到曝气的作用，亦称为瀑布式曝气。如接触式曝气塔、莲蓬头淋水、喷水、跌水等曝气方式。

封闭式：将空气以小气泡的形式注入需曝气的水中，靠小气泡在水中的分散、扩散和溶解来达到曝气的目的，亦称为气泡式曝气。如压缩空气、水一气射流导、鼓风机曝气盘等。

水的PH值对自然氧化除铁过程有很大的影响。水的PH值每降低1个单位，水中OH-浓度将减小10倍，从而使水中二价铁的氧化速度降低100倍。实际上，自然氧化除铁过程只有在水的PH值不低于7的条件下才可能顺利进行。

此外，水中二价铁的氧化速度还受水的碱变、有机物和还原物质以及溶解性硅酸等物质的影响。

由于自然氧化除铁过程受多种因素的影响，所以其除铁的可靠程度只有参照已有工程实例来确定。自然氧化除铁所需时间一般不超过1～2 小时，反应时间过长时，处理系统就会显得过于庞大而不经济，这时应采取加速氧化反应的措施。

加强水的曝气过程，尽可能多地散除水中的二氧化碳以提高水的PH值，是提高二价铁氧化速度的重要措施。特别是多数含铁地下水的PH值小于7，加强曝气更是必要的措施。因此，在自然氧化除铁系统中，曝气的目的不仅是为了向水中溶解氧气，同时也是为了散除水中的二氧化碳以提高水的PH值。敞开式的曝气方式更能散出水中硫化氢、溶解性腐殖酸等气体。

（二）锰砂除铁法。天然锰砂除铁是一种接触催化除铁工艺。天然锰砂含有高价锰（大于正二价）的氧化物，能对水中二价铁的氧化反应起催化作用，大大加快其反应速度。一般认为二氧化锰的催化机理是，二价锰首先被水中的溶解氧氧化成高价锰的氧化物，高价锰再将二价铁氧化成三价铁。由于这两个反应进行得都很快，所以就大大加速了二价铁氧化成三价铁的速度。

天然锰砂在除铁过程中，除了依靠它自身含有的高价锰的氧化物的催化作用以外，在其表面还能逐渐形成一种以“滤膜”形式存在的铁质催化物，称为除铁“活性滤膜”。“活性滤膜”是r 型的羟基氧化铁所构成（r－FeOOH），它在含铁地下水的PH 条件下能与二价铁离子进行离子交换，并置换出等当量的氢离子。被交换吸附的二价铁继续进行水解和氧化，产生出羟基氧化铁，使催化物质得到再生。

生成的羟基氧化铁作为“活性滤膜”物质又参予新的催化除铁过程，所以“活性滤膜”除铁过程是一个自动催化过程。

将催化原理用于地下水除铁，是除铁工艺的一个进步。天然锰砂不仅对水中二价铁的氧化反应有很强的接触催化作用，并且同时又能完成对水中铁质的截留分离作用，所以曝气后的含铁地下水只经天然锰砂一次过滤，就能完成全部除铁过程。

（三）人工锈砂除铁法。除铁活性滤膜不仅能在天然锰砂表面形成，并且也能在其它滤料（如河砂、石英砂）表面形成。制作过程是向水中投加硫酸亚铁，使水中二价铁浓度达到100～200mg/L，并调整PH值为6～7，将此含铁水曝气后立即经滤料过滤，滤后水抽回池前循环使用，如此对滤料连续处理60～70 小时，便制成具有接触催化除铁能力的人工锈砂。

人工锈砂的除铁原理与天然锰砂表面的“活性滤膜”的除铁原理相同，可以使用与天然锰砂相同的除铁系统，并且具有与天然锰砂大致相同的适用范围。

（四）氯化除铁法。当以空气中的氧气氧化地下水中的二价铁有困难时，尚可向水中投加氯，氯是比氧更强的氧化剂，当PH>5 时，氯能迅速将二价铁氧化成三价铁。当地下水中锰较高时，采用氯化法同样能够完成除锰过程。

（五）高锰酸钾除铁法。高锰酸钾也可以除铁，其氧化能力较氧和氯更强。高锰酸钾投量很小仍能获得相当好的除铁效果，这可能是反应中生成的二氧化锰具有接触催化作用所致。

（六）水中硫酸亚铁（石灰）去除法。当水中碱度过小，不足以中和二价铁氧化水解时生成的酸度，水的PH值会在除铁中大大降低，影响除铁过程的进行，所以去除水中的硫酸亚铁，需向水中投加碱剂（石灰等）。

（七）陶料（硅碳素）除铁。采用人工陶料（硅碳素为粉煤灰、氧化铝和沸石等多孔物质烧结而成）作为滤料接触除铁（软化水和除氟所用特殊水处理），使用一段时间后，需用碱剂进行再生（还原），把陶料上的阳离子置换出来，代之以新的可交换离子，硅碳素的再生过程亦为水软化反应的逆过程。

（八）人工地层除铁。地层除铁的机理是用含有氧的曝气灌入地下含铁地层，形成具有除铁能力的地下除铁层。一般有单井自灌和群井互灌两种方式。

三、除铁方法的选择

当地下水中铁超标不大，不含硫化氢腐殖酸等有害气体时，且PH值不太低，宜采用封闭式曝气，如采用石英砂滤池或锰砂除铁滤池，也可采用人工地层除铁。

当地下水中铁超标不太大，但含有硫化氢腐殖酸、二氧化碳等气体，且PH值较低时，宜采用敞开式曝气方式，如锰砂除铁滤池和人工锈砂除铁滤池。

当地下水中铁、锰都超标时，有机物含量高，氧曝气困难时，宜采用氯化除铁法和高锰酸钾除铁法。

当地下水中含有硫酸亚铁碱度过小、PH值过低时，宜采用石灰法除铁。当地下水含铁超标，硬度大或含氟时，宜采用陶料（硅碳素）除铁法，可达到特殊处理目的，又可实现除铁处理。

四、总结

地下水除铁工艺选择的根本依据是水源水文地质勘察评价结论，如做不到，也应对探采结合井进行水文地质成果评价，以确保除铁工艺选择准确。

在地下水取水井钻井过程中，应取样编录，以便分析水中各种物质的来源，正确选择曝气形式和除铁工艺。

地下水中含有机物，一般情况是受污染所致，应分析查清其来源，采取措施切断污染源和设立水源卫生防护区，采取相应的处理工艺，以确保水质安全。

地下水除铁工艺选择的原则是：简单、方便、节能、节省工程投资。工艺复杂将增大投资费用和常年管理费用。

对已建成的水处理工程进行总结，可为本地区、相邻地区或相同水质的新建工程提供设计参考相关依据。