飲用水水質處理技術在農村飲水安全工程中的應用研究
摘要：根據地下水鐵錳超標的機理，結合遼寧省農村飲水不安全現狀及農村飲水工程現狀，探討鐵錳超標飲用水的水處理技術，比較傳統的氧化法除鐵錳技術與離子交換法除鐵錳技術的優缺點，通過實際應用，研究適宜于農村飲用水的水質處理技術。
關鍵詞：農村飲水安全；水質；水處理技術
水對人的生命和健康至關重要。科學研究表明，人體的59%~66%是由水組成的。要維持人的健康基本需求，每人每天至少要得到20 L安全飲用水。加上其他日常生活用水，每人每天大約需要50 L水。目前，全球每六人中有一人不能持續獲得安全飲用水。發展中國家80％的發病及死亡與水有關。在中國，通過飲水發生和傳播的疾病就有50多種。要減少疾病，提高健康水平，最行之有效的措施就是使所有人得到安全的飲用水和合格的衛生條件。
1 遼寧省農村飲水現狀
1.1農村飲水不安全現狀
根據飲水安全評價指標體系，截止到2004年底，全省農村飲水不安全人口811.12萬人，飲水不安全人口占農村總人口的34.11%，其中飲水水質不達標人口305.07萬人。
從遼寧省總的趨勢看，分為中部平原區、東部山區、西部山丘區。中部平原區涉及8個市，地表水、地下水資源相對較豐富，但是中部地區是全省工業集中的地區，地表水污染較嚴重，如果地表水作為農村飲用水供水水源，水處理工程要求較高，投資較大，因此地表水不適宜作為農村供水的水源，主要以地下水為主，但是地下水存在氟超標、鐵錳超標、氨氮超標等問題，需要進行水處理；遼東山區降雨量豐富，但是能夠直接用于農村飲水的地表水資源量不足，而淺層地下水中氟、鐵、鈣等成分含量超標，不能作為農村生活飲用水，主要以深層地下水作為農村飲用水水源；遼西山丘區水資源相對不足，降雨量少，蒸發量大，地表水、地下水資源都不足，而部分地區淺層地下水中氟、鐵、鈣等成分含量超標，不能作為農村生活飲用水，需要提取深層地下水、異地取水或進行水質處理。
根據調查統計，全省農村飲用水水質不安全人口305.07萬人中，氟超標人口62.52萬人；苦咸水人口52.70萬人；未經處理的Ⅳ類及超Ⅳ類地表水人口0.10萬人；細菌學指標超標嚴重，未經處理的地表水人口1.43萬人；污染嚴重，未經處理的地下水人口56.19萬人；鐵錳超標等其他飲水水質超標人口132.14萬人。
1.2農村飲水工程現狀
由于遼寧省各地地理條件、水源條件不同，各地經濟發展不平衡，農村供水工程主要以集中供水和分散式供水兩種形式為主，其中利用分散式供水居多。全省集中式供水工程11 631處，供水總規模752 115 m3/d，解決農村飲水人口830.03萬人，占農村總人口的34.91%；利用分散式供水解決農村飲水總人口為1 547.73萬人，占農村總人口的65.09%。
遼寧省11 631處集中式供水工程中，有凈化設施的工程1113處，受益人口128.86萬人，占集中式供水工程總受益人口的15.53%；無凈化設施工程10518處，受益人口701.17萬人，占集中式供水工程總受益人口的84.47%。分散式供水基本沒有凈化設施。
可見，遼寧省農村飲水工程絕大多數沒有凈化設施。解決農村飲水不安全問題，讓農民喝上潔凈衛生的放心水，是迫切需要解決的問題，是社會主義新農村建設的需要。
2 飲用水水質處理技術研究
造成遼寧省農村飲用水不安全的因素很多，其原因也很復雜。針對全省的現狀，有效地研究適合于農村飲水工程的鐵、錳超標水質處理技術，有助于更好地解決遼寧省的農村飲水安全問題。
2.1地下水中鐵錳的來源
地下水中的鐵、錳源于地殼物理化學變化。鐵、錳來源于巖石和土壤中的鐵、錳礦物（如錳礦、黃鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦等）。地下水中含有有機質及二氧化碳氣體，由于有機質在地下水中的降解，一方面消耗水中或土層中的氧，使介質的氧化還原電位降低。另一方面分解產生游離的二氧化碳，使水體的腐蝕性增強。同時，由于二氧化碳溶解可使水體呈現弱堿性，溶解度增大，從而使鐵、錳不斷從含水層中遷出，使地下水體中鐵、錳的含量增高。［1］
在基巖區，地下水中的鐵、錳離子的遷移和富集，除了與含水介質成分、徑流等條件有關外，主要還受氧化環境控制。這些地區的巖石中含有豐富的鐵、錳礦物質，當這些巖石受到強烈的風化、分解、溶濾作用時，巖石中的鐵、錳礦物就會釋放出大量的鐵、錳離子，如鐵離子的反應式為：
2FeS2＋7O2＋2H2O＝2FeSO4＋2H2SO4
FeSO4＝Fe2＋＋SO2－4
在平原地區，地下水中的鐵、錳離子的遷移和富集，除了與含水介質成分、土壤上層性質、酸堿條件、地下水中的氯離子含量有關外，主要受還原環境控制。對于富含有機質的土壤上層，地下水位高，土層的大部分處于長期的浸漬狀態，使其向下逐漸轉為低電位的還原環境，而土層有機質的分解加速了質疑轉化過程，導致地下水中鐵錳含量升高。其反應式如鐵：
CH2O＋4Fe（OH）3＋7H+＝4Fe2+＋HCO3-＋10H2O
CH2O＋Fe2O3＋2H+＝2Fe2+＋CO2＋2 H2O
由于厭氧分解產生大量的二氧化碳，致使高價鐵繼續還原并形成重碳酸鐵溶于水。水中二氧化碳是各種植物性物質分解、腐化、發酵而形成的。地下深層，壓力大，溶解度高，鐵的溶解反應更容易。這種條件下，地層中的三價鐵被還原為二價鐵溶于水中，其三價鐵的氧化物被硫化氫還原的過程為：
Fe2O3＋3H2S＝2FeS＋3H2O＋S
FeS＋2CO2＋2H2O＝Fe（HCO3）2＋H2S
Fe（HCO3）2＝Fe2+＋2HCO3
2.2鐵錳的危害及鐵錳超標地下水對健康的影響
鐵、錳都是構成生物體的基本元素，但是鐵、錳過量也會給人們的生活和生產帶來很多不便和危害。從生理學上講，人體攝入過量的錳，會造成相關器官的病變。［2］
據WHO《衛生基準及補充資料》報道：“當人每日攝入鐵1 000 mg時可導致鐵中毒（血色素沉著癥）”。一般鐵在體內積聚過多是由于遺傳性運輸機制失靈所致，如血色病就是遺傳性鐵平衡失調，以致患者在一生中緩慢地積累鐵，結果損害胰腺（導致糖尿病）、肝臟（肝硬變）、皮膚（皮膚青銅癥）。［1］
錳的生理毒性比鐵更嚴重，錳及其無機鹽類危害甚大，在我國《職業性接觸毒物危害程度分級》中被列為極度危害物質。
含鐵錳水對供水系統及人們的生活都有影響。生活用水中鐵錳會在衛生設備、器具上留下黃斑。用含鐵錳的水洗的白色織物會發黃，鐵錳也可在衣物上著色，產生銹色斑點，很不美觀而使人厭惡。
2.3含鐵錳地下水在遼寧省的分布
地下水中鐵、錳等含量超標，在遼寧省比較普遍。全省39個縣（市、區）都不同程度地存在飲用水中鐵錳超標的問題，影響人口達132.14萬人，涉及13個地市。尤其是沈陽、大連、鞍山、錦州、盤錦、營口、鐵嶺、阜新等地，農村飲用水中鐵錳含量超標比較普遍。如沈陽市各縣（市、區）地下水普遍存在鐵、錳超標的問題，有的地方超標達十幾倍甚至幾十倍，全市影響人口達55.09萬人；鞍山市的海城市和臺安縣地下水鐵、錳也超標嚴重，共影響人口達13.94萬人。
根據衛生部門測定，遼河流域的地下水鐵、錳含量超標呈區域性分布。
2.4含鐵錳地下水水質處理技術
地下水除鐵方法主要有空氣自然氧化、接觸催化氧化、生物氧化等方法；除錳方法主要有接觸氧化、生物氧化等方法；鐵、錳共存的除鐵除錳方法主要有接觸氧化法、自然氧化法等。地下水除鐵除錳都是根據相同的原理，即用氧化法充分曝氣，把水中溶解狀態的二價鐵和錳氧化為不溶解的三價鐵或四價錳化合物，經過15~20 min的氧化和絮凝后，所生成的鐵、錳沉淀物由濾池去除。氧化劑有氧和氯等。
2.4.1除鐵原理曝氣→ 反應→ 過濾，曝氣時，二價鐵氧化成三價鐵的反應過程是酸性碳酸鹽先分解為
Fe（HCO3）2→ Fe（OH）2＋2CO2，
然后氫氧化鐵被氧化成為Fe（OH）3的膠體沉淀，
4 Fe（OH）2＋O2＋2H2O→ 4Fe（OH）3，
最后進入濾池沉淀。
一般情況下，1 m3水每去除1 mg/L的二價鐵需要空氣量為1 L。同時每氧化1 mg/L的二價鐵會產生0.036的氫離子，而水的堿度會相應降低1.8 mg/L，如果水的堿度不足，就可能因氫離子濃度的增加，而使水的pH值下降，導致鐵、錳的氧化速度變慢。所以一般需要控制水的pH值不小于6.5。［3］
2.4.2除錳原理
鐵和錳的化學性質相接近，經常共存于地下水中，但鐵比錳容易被氧化，相同pH值條件下，二價鐵比二價錳的氧化速度快。當水中鐵錳濃度較低時，可同時去除。鐵錳含量均較高時，一般需二價鐵氧化完成后，才開始二價錳的氧化，即先除鐵后除錳。除錳濾池進水的pH值一般控制在7.5以上。
猛的氧化過程很慢，一般采用含有二氧化錳的天然錳砂作為除錳時的濾料，將曝氣后的水通過錳砂濾池，這樣就可在濾料層中完成二價錳的氧化和二氧化錳的去處。二價錳與氧的反應為
2Mn2+＋O2＋2H2O → 2MnO2＋4H+
理論上，每氧化1 mg/L的二價錳需要0.29 mg/L的氧，實際上所需氧量比理論值高的多，需要通過實驗或生產運行才能得出不同工程的需氧量。［3］
除鐵除錳的濾料都需要進行反沖洗以保證濾料的氧化能力。一般情況下，每2~3 d需要進行一次反沖洗，如果用水量大，反沖洗的頻率更高。
2.4.3去除鐵錳的離子交換法
遼寧省水利水電科學研究院與錦州維康凈水材料有限公司合作，探討離子交換法去除水中超標的鐵、錳。離子交換法的濾料是水處理的關鍵，其主要成分是二氧化硅和三氧化鋁，也可以叫做硅鋁酸鹽，它是硅、鋁氧晶格狀四面體，硅離子與鋁離子交換，由于鋁是三價，硅是四價，因此缺少一個電荷，需要有鄰近的一至三價的陽離子補充，當水中的鈣、鎂、鈉、鉀、鐵、錳、銅、鋅等陽離子與濾料接觸時，濾料骨架上的硅、鋁發生大量的交換，交換中缺少的電子即由水中的離子補充，因而水中的離子即被濾料所吸附，固定在骨架上，從而達到凈水的目的。
從理論上講，凡是一到三價的陽離子均能被濾料所交換。地下水中存在的鐵和錳均為溶于水的正二價，因此，完全可以被濾料所交換和吸附，其交換能力為：不間斷供水時濾料除鐵、除錳的能力分別為每千克濾料除鐵3 500 mg、除錳1 500 mg。如果每日供水時間間隔6 h以上，除鐵除錳能力提升1.8倍。這種離子交換法的根本點是濾料。
該項技術處理效果顯著，處理后水質符合國家《生活飲用水衛生標準》（GB5749）的要求。這種技術運行費用低，濾料吸附鐵錳飽和時，可用大粒鹽或氫氧化鈉溶液洗脫，每噸濾料洗脫一次需用溶液約500 L，消耗大粒鹽40 kg或氫氧化鈉15 kg。一般情況下，運行6個月需要進行洗脫一次，每次濾料洗脫更新費用約500~1 000元。
3 含鐵錳水處理技術在農村飲水安全工程中的應用效果
這種離子交換法與傳統曝氣加錳砂截流方法相比，有以下幾項優點。
（1）凈化指標相比。離子交換法可處理鐵、錳超標100倍以內的任何水質，不論鐵錳多少，一律去除干凈；傳統方法不適合錳含量超過3 mg/L的水，此時很難處理徹底，主要原因是錳極難在曝氣時被氧化，錳砂形成的氧化膜也不容易將水中的錳催化成高價錳。
（2）出水水質相比。傳統方法僅能處理水中濃度較低的鐵、錳，而不能去除其他物質；離子交換法在處理鐵錳的同時可同時去除高硬度、高堿、高氨氮、高重金屬離子等，一般情況下，可一次性達標，出水水質清澈透明。
（3）使用壽命相比。錳砂的平均使用壽命是3 a，廣西產的錳砂使用壽命可達3~5 a，東北產的錳砂1~2 a即破碎，必須更換；尤其反沖洗強度不夠，沖洗頻率不夠時，大量的鐵泥堆積其中，錳砂極易破損失效。離子交換法中濾料的使用壽命理論計算值為120 a，保守估算值為30 a，不會因操作不當致使材料失效，即使一年未清洗，只要認真清洗一次，即可恢復原有功能，對處理效果毫無影響。
（4）運行成本相比。當鐵錳分別超標5~10倍時，使用離子交換法的運行成本為0.05~0.09元/m3，包括再生材料消耗、再生電力消耗、勞動力消耗、排污消耗、再生用水消耗、取暖消耗、濾料自然損耗、設備折舊等八項費用。傳統曝氣法計算這八項費用不會低于0.2~0.5元/m3。
4 水處理技術的應用
離子交換法去除鐵、錳的方法需要場地小，把水處理設備、配電、消毒間集成于一體，占地面積小，運行操作簡單，適用于各種條件的農村飲水工程處理鐵錳超標水。
2006年在黑山縣歷家鎮晏家水廠采用了這種處理技術。晏家水廠位于錦州市黑山縣歷家鎮雙崗子屯東部，水廠供水范圍為兩個行政村的7個自然屯，解決2 830人和1 419頭大牲畜的飲用水問題。水廠的設計運行年限為15 a，供水規模為344.40 m3/d。
晏家水廠泵房面積為59.63 m2，直接供水。該水廠主要是處理鐵錳超標，完全采用離子交換法。既節省投資，又降低運行費，同時水處理設施占地少，易于控制，水處理設備操作易于掌握，完全被當地接受，起到了鐵錳超標地區水廠建設的示范作用。
5 結語
（1）解決農民群眾飲水安全問題，是貫徹“以人為本”，全面建設社會主義新農村的需要。
引進科技創新，探討適合農村條件的水處理技術，可以更有效地解決農村飲水安全問題。
（2）離子交換法去除水中的鐵錳，比起常規的氧化法除鐵錳，效果好，投資少，運行費用低，容易掌握，易于控制是一種適合于農村飲用水的水質處理技術，宜于在地下水鐵、錳含量超標的地區推廣。
參考文獻：
[1]張麗平，習晉.特殊水質處理技術[M].北京：化學工業出版社，2006.
[2]張杰，李冬，楊宏，等.生物固錳除錳機理與工程技術[M].北京：中國建筑工業出版社，2005.
[3]魯剛.新編農村供水工程規劃設計手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2006.
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