飲用水水質(zhì)處理技術(shù)在農(nóng)村飲水安全工程中的應(yīng)用研究
摘要：根據(jù)地下水鐵錳超標(biāo)的機(jī)理，結(jié)合遼寧省農(nóng)村飲水不安全現(xiàn)狀及農(nóng)村飲水工程現(xiàn)狀，探討鐵錳超標(biāo)飲用水的水處理技術(shù)，比較傳統(tǒng)的氧化法除鐵錳技術(shù)與離子交換法除鐵錳技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，研究適宜于農(nóng)村飲用水的水質(zhì)處理技術(shù)。
關(guān)鍵詞：農(nóng)村飲水安全；水質(zhì)；水處理技術(shù)
水對(duì)人的生命和健康至關(guān)重要？茖W(xué)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(xù)獲得安全飲用水。發(fā)展中國(guó)家80％的發(fā)病及死亡與水有關(guān)。在中國(guó)，通過(guò)飲水發(fā)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(wèi)生條件。
1 遼寧省農(nóng)村飲水現(xiàn)狀
1.1農(nóng)村飲水不安全現(xiàn)狀
根據(jù)飲水安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，截止到2004年底，全省農(nóng)村飲水不安全人口811.12萬(wàn)人，飲水不安全人口占農(nóng)村總?cè)丝诘?4.11%，其中飲水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)人口305.07萬(wàn)人。
從遼寧省總的趨勢(shì)看，分為中部平原區(qū)、東部山區(qū)、西部山丘區(qū)。中部平原區(qū)涉及8個(gè)市，地表水、地下水資源相對(duì)較豐富，但是中部地區(qū)是全省工業(yè)集中的地區(qū)，地表水污染較嚴(yán)重，如果地表水作為農(nóng)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(nóng)村供水的水源，主要以地下水為主，但是地下水存在氟超標(biāo)、鐵錳超標(biāo)、氨氮超標(biāo)等問(wèn)題，需要進(jìn)行水處理；遼東山區(qū)降雨量豐富，但是能夠直接用于農(nóng)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(biāo)，不能作為農(nóng)村生活飲用水，主要以深層地下水作為農(nóng)村飲用水水源；遼西山丘區(qū)水資源相對(duì)不足，降雨量少，蒸發(fā)量大，地表水、地下水資源都不足，而部分地區(qū)淺層地下水中氟、鐵、鈣等成分含量超標(biāo)，不能作為農(nóng)村生活飲用水，需要提取深層地下水、異地取水或進(jìn)行水質(zhì)處理。
根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，全省農(nóng)村飲用水水質(zhì)不安全人口305.07萬(wàn)人中，氟超標(biāo)人口62.52萬(wàn)人；苦咸水人口52.70萬(wàn)人；未經(jīng)處理的Ⅳ類及超Ⅳ類地表水人口0.10萬(wàn)人；細(xì)菌學(xué)指標(biāo)超標(biāo)嚴(yán)重，未經(jīng)處理的地表水人口1.43萬(wàn)人；污染嚴(yán)重，未經(jīng)處理的地下水人口56.19萬(wàn)人；鐵錳超標(biāo)等其他飲水水質(zhì)超標(biāo)人口132.14萬(wàn)人。
1.2農(nóng)村飲水工程現(xiàn)狀
由于遼寧省各地地理?xiàng)l件、水源條件不同，各地經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，農(nóng)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(guī)模752 115 m3/d，解決農(nóng)村飲水人口830.03萬(wàn)人，占農(nóng)村總?cè)丝诘?4.91%；利用分散式供水解決農(nóng)村飲水總?cè)丝跒? 547.73萬(wàn)人，占農(nóng)村總?cè)丝诘?5.09%。
遼寧省11 631處集中式供水工程中，有凈化設(shè)施的工程1113處，受益人口128.86萬(wàn)人，占集中式供水工程總受益人口的15.53%；無(wú)凈化設(shè)施工程10518處，受益人口701.17萬(wàn)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(méi)有凈化設(shè)施。
可見(jiàn)，遼寧省農(nóng)村飲水工程絕大多數(shù)沒(méi)有凈化設(shè)施。解決農(nóng)村飲水不安全問(wèn)題，讓農(nóng)民喝上潔凈衛(wèi)生的放心水，是迫切需要解決的問(wèn)題，是社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)的需要。
2 飲用水水質(zhì)處理技術(shù)研究
造成遼寧省農(nóng)村飲用水不安全的因素很多，其原因也很復(fù)雜。針對(duì)全省的現(xiàn)狀，有效地研究適合于農(nóng)村飲水工程的鐵、錳超標(biāo)水質(zhì)處理技術(shù)，有助于更好地解決遼寧省的農(nóng)村飲水安全問(wèn)題。
2.1地下水中鐵錳的來(lái)源
地下水中的鐵、錳源于地殼物理化學(xué)變化。鐵、錳來(lái)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(jī)質(zhì)及二氧化碳?xì)怏w，由于有機(jī)質(zhì)在地下水中的降解，一方面消耗水中或土層中的氧，使介質(zhì)的氧化還原電位降低。另一方面分解產(chǎn)生游離的二氧化碳，使水體的腐蝕性增強(qiáng)。同時(shí)，由于二氧化碳溶解可使水體呈現(xiàn)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(qū)，地下水中的鐵、錳離子的遷移和富集，除了與含水介質(zhì)成分、徑流等條件有關(guān)外，主要還受氧化環(huán)境控制。這些地區(qū)的巖石中含有豐富的鐵、錳礦物質(zhì)，當(dāng)這些巖石受到強(qiáng)烈的風(fēng)化、分解、溶濾作用時(shí)，巖石中的鐵、錳礦物就會(huì)釋放出大量的鐵、錳離子，如鐵離子的反應(yīng)式為：
2FeS2＋7O2＋2H2O＝2FeSO4＋2H2SO4
FeSO4＝Fe2＋＋SO2－4
在平原地區(qū)，地下水中的鐵、錳離子的遷移和富集，除了與含水介質(zhì)成分、土壤上層性質(zhì)、酸堿條件、地下水中的氯離子含量有關(guān)外，主要受還原環(huán)境控制。對(duì)于富含有機(jī)質(zhì)的土壤上層，地下水位高，土層的大部分處于長(zhǎng)期的浸漬狀態(tài)，使其向下逐漸轉(zhuǎn)為低電位的還原環(huán)境，而土層有機(jī)質(zhì)的分解加速了質(zhì)疑轉(zhuǎn)化過(guò)程，導(dǎo)致地下水中鐵錳含量升高。其反應(yīng)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(chǎn)生大量的二氧化碳，致使高價(jià)鐵繼續(xù)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(zhì)分解、腐化、發(fā)酵而形成的。地下深層，壓力大，溶解度高，鐵的溶解反應(yīng)更容易。這種條件下，地層中的三價(jià)鐵被還原為二價(jià)鐵溶于水中，其三價(jià)鐵的氧化物被硫化氫還原的過(guò)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(biāo)地下水對(duì)健康的影響?yīng)?/p>
鐵、錳都是構(gòu)成生物體的基本元素，但是鐵、錳過(guò)量也會(huì)給人們的生活和生產(chǎn)帶來(lái)很多不便和危害。從生理學(xué)上講，人體攝入過(guò)量的錳，會(huì)造成相關(guān)器官的病變。［2］
據(jù)WHO《衛(wèi)生基準(zhǔn)及補(bǔ)充資料》報(bào)道：“當(dāng)人每日攝入鐵1 000 mg時(shí)可導(dǎo)致鐵中毒（血色素沉著癥）”。一般鐵在體內(nèi)積聚過(guò)多是由于遺傳性運(yùn)輸機(jī)制失靈所致，如血色病就是遺傳性鐵平衡失調(diào)，以致患者在一生中緩慢地積累鐵，結(jié)果損害胰腺（導(dǎo)致糖尿。⒏闻K（肝硬變）、皮膚（皮膚青銅癥）。［1］
錳的生理毒性比鐵更嚴(yán)重，錳及其無(wú)機(jī)鹽類危害甚大，在我國(guó)《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級(jí)》中被列為極度危害物質(zhì)。
含鐵錳水對(duì)供水系統(tǒng)及人們的生活都有影響。生活用水中鐵錳會(huì)在衛(wèi)生設(shè)備、器具上留下黃斑。用含鐵錳的水洗的白色織物會(huì)發(fā)黃，鐵錳也可在衣物上著色，產(chǎn)生銹色斑點(diǎn)，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(biāo)，在遼寧省比較普遍。全省39個(gè)縣（市、區(qū)）都不同程度地存在飲用水中鐵錳超標(biāo)的問(wèn)題，影響人口達(dá)132.14萬(wàn)人，涉及13個(gè)地市。尤其是沈陽(yáng)、大連、鞍山、錦州、盤錦、營(yíng)口、鐵嶺、阜新等地，農(nóng)村飲用水中鐵錳含量超標(biāo)比較普遍。如沈陽(yáng)市各縣（市、區(qū)）地下水普遍存在鐵、錳超標(biāo)的問(wèn)題，有的地方超標(biāo)達(dá)十幾倍甚至幾十倍，全市影響人口達(dá)55.09萬(wàn)人；鞍山市的海城市和臺(tái)安縣地下水鐵、錳也超標(biāo)嚴(yán)重，共影響人口達(dá)13.94萬(wàn)人。
根據(jù)衛(wèi)生部門測(cè)定，遼河流域的地下水鐵、錳含量超標(biāo)呈區(qū)域性分布。
2.4含鐵錳地下水水質(zhì)處理技術(shù)
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(jù)相同的原理，即用氧化法充分曝氣，把水中溶解狀態(tài)的二價(jià)鐵和錳氧化為不溶解的三價(jià)鐵或四價(jià)錳化合物，經(jīng)過(guò)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(yīng)→ 過(guò)濾，曝氣時(shí)，二價(jià)鐵氧化成三價(jià)鐵的反應(yīng)過(guò)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(jìn)入濾池沉淀。
一般情況下，1 m3水每去除1 mg/L的二價(jià)鐵需要空氣量為1 L。同時(shí)每氧化1 mg/L的二價(jià)鐵會(huì)產(chǎn)生0.036的氫離子，而水的堿度會(huì)相應(yīng)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(dǎo)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(xué)性質(zhì)相接近，經(jīng)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(jià)鐵比二價(jià)錳的氧化速度快。當(dāng)水中鐵錳濃度較低時(shí)，可同時(shí)去除。鐵錳含量均較高時(shí)，一般需二價(jià)鐵氧化完成后，才開(kāi)始二價(jià)錳的氧化，即先除鐵后除錳。除錳濾池進(jìn)水的pH值一般控制在7.5以上。
猛的氧化過(guò)程很慢，一般采用含有二氧化錳的天然錳砂作為除錳時(shí)的濾料，將曝氣后的水通過(guò)錳砂濾池，這樣就可在濾料層中完成二價(jià)錳的氧化和二氧化錳的去處。二價(jià)錳與氧的反應(yīng)為
2Mn2+＋O2＋2H2O → 2MnO2＋4H+
理論上，每氧化1 mg/L的二價(jià)錳需要0.29 mg/L的氧，實(shí)際上所需氧量比理論值高的多，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)或生產(chǎn)運(yùn)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(jìn)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(jìn)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(xué)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(biāo)的鐵、錳。離子交換法的濾料是水處理的關(guān)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(jià)，硅是四價(jià)，因此缺少一個(gè)電荷，需要有鄰近的一至三價(jià)的陽(yáng)離子補(bǔ)充，當(dāng)水中的鈣、鎂、鈉、鉀、鐵、錳、銅、鋅等陽(yáng)離子與濾料接觸時(shí)，濾料骨架上的硅、鋁發(fā)生大量的交換，交換中缺少的電子即由水中的離子補(bǔ)充，因而水中的離子即被濾料所吸附，固定在骨架上，從而達(dá)到凈水的目的。
從理論上講，凡是一到三價(jià)的陽(yáng)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(jià)，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(shí)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(shí)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(diǎn)是濾料。
該項(xiàng)技術(shù)處理效果顯著，處理后水質(zhì)符合國(guó)家《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749）的要求。這種技術(shù)運(yùn)行費(fèi)用低，濾料吸附鐵錳飽和時(shí)，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(yùn)行6個(gè)月需要進(jìn)行洗脫一次，每次濾料洗脫更新費(fèi)用約500~1 000元。
3 含鐵錳水處理技術(shù)在農(nóng)村飲水安全工程中的應(yīng)用效果
這種離子交換法與傳統(tǒng)曝氣加錳砂截流方法相比，有以下幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。
（1）凈化指標(biāo)相比。離子交換法可處理鐵、錳超標(biāo)100倍以內(nèi)的任何水質(zhì)，不論鐵錳多少，一律去除干凈；傳統(tǒng)方法不適合錳含量超過(guò)3 mg/L的水，此時(shí)很難處理徹底，主要原因是錳極難在曝氣時(shí)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(jià)錳。
（2）出水水質(zhì)相比。傳統(tǒng)方法僅能處理水中濃度較低的鐵、錳，而不能去除其他物質(zhì)；離子交換法在處理鐵錳的同時(shí)可同時(shí)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(dá)標(biāo)，出水水質(zhì)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(chǎn)的錳砂使用壽命可達(dá)3~5 a，東北產(chǎn)的錳砂1~2 a即破碎，必須更換；尤其反沖洗強(qiáng)度不夠，沖洗頻率不夠時(shí)，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(jì)算值為120 a，保守估算值為30 a，不會(huì)因操作不當(dāng)致使材料失效，即使一年未清洗，只要認(rèn)真清洗一次，即可恢復(fù)原有功能，對(duì)處理效果毫無(wú)影響。
（4）運(yùn)行成本相比。當(dāng)鐵錳分別超標(biāo)5~10倍時(shí)，使用離子交換法的運(yùn)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(dòng)力消耗、排污消耗、再生用水消耗、取暖消耗、濾料自然損耗、設(shè)備折舊等八項(xiàng)費(fèi)用。傳統(tǒng)曝氣法計(jì)算這八項(xiàng)費(fèi)用不會(huì)低于0.2~0.5元/m3。
4 水處理技術(shù)的應(yīng)用
離子交換法去除鐵、錳的方法需要場(chǎng)地小，把水處理設(shè)備、配電、消毒間集成于一體，占地面積小，運(yùn)行操作簡(jiǎn)單，適用于各種條件的農(nóng)村飲水工程處理鐵錳超標(biāo)水。
2006年在黑山縣歷家鎮(zhèn)晏家水廠采用了這種處理技術(shù)。晏家水廠位于錦州市黑山縣歷家鎮(zhèn)雙崗子屯東部，水廠供水范圍為兩個(gè)行政村的7個(gè)自然屯，解決2 830人和1 419頭大牲畜的飲用水問(wèn)題。水廠的設(shè)計(jì)運(yùn)行年限為15 a，供水規(guī)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(biāo)，完全采用離子交換法。既節(jié)省投資，又降低運(yùn)行費(fèi)，同時(shí)水處理設(shè)施占地少，易于控制，水處理設(shè)備操作易于掌握，完全被當(dāng)?shù)亟邮，起到了鐵錳超標(biāo)地區(qū)水廠建設(shè)的示范作用。
5 結(jié)語(yǔ)
（1）解決農(nóng)民群眾飲水安全問(wèn)題，是貫徹“以人為本”，全面建設(shè)社會(huì)主義新農(nóng)村的需要。
引進(jìn)科技創(chuàng)新，探討適合農(nóng)村條件的水處理技術(shù)，可以更有效地解決農(nóng)村飲水安全問(wèn)題。
（2）離子交換法去除水中的鐵錳，比起常規(guī)的氧化法除鐵錳，效果好，投資少，運(yùn)行費(fèi)用低，容易掌握，易于控制是一種適合于農(nóng)村飲用水的水質(zhì)處理技術(shù)，宜于在地下水鐵、錳含量超標(biāo)的地區(qū)推廣。
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