饮用水水质处理技术在农村饮水安全工程中的应用研究
摘要：根据地下水铁锰超标的机理，结合辽宁省农村饮水不安全现状及农村饮水工程现状，探讨铁锰超标饮用水的水处理技术，比较传统的氧化法除铁锰技术与离子交换法除铁锰技术的优缺点，通过实际应用，研究适宜于农村饮用水的水质处理技术。
关键词：农村饮水安全；水质；水处理技术
水对人的生命和健康至关重要。科学研究表明，人体的59%~66%是由水组成的。要维持人的健康基本需求，每人每天至少要得到20 L安全饮用水。加上其他日常生活用水，每人每天大约需要50 L水。目前，全球每六人中有一人不能持续获得安全饮用水。发展中国家80％的发病及死亡与水有关。在中国，通过饮水发生和传播的疾病就有50多种。要减少疾病，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饮用水和合格的卫生条件。
1 辽宁省农村饮水现状
1.1农村饮水不安全现状
根据饮水安全评价指标体系，截止到2004年底，全省农村饮水不安全人口811.12万人，饮水不安全人口占农村总人口的34.11%，其中饮水水质不达标人口305.07万人。
从辽宁省总的趋势看，分为中部平原区、东部山区、西部山丘区。中部平原区涉及8个市，地表水、地下水资源相对较丰富，但是中部地区是全省工业集中的地区，地表水污染较严重，如果地表水作为农村饮用水供水水源，水处理工程要求较高，投资较大，因此地表水不适宜作为农村供水的水源，主要以地下水为主，但是地下水存在氟超标、铁锰超标、氨氮超标等问题，需要进行水处理；辽东山区降雨量丰富，但是能够直接用于农村饮水的地表水资源量不足，而浅层地下水中氟、铁、钙等成分含量超标，不能作为农村生活饮用水，主要以深层地下水作为农村饮用水水源；辽西山丘区水资源相对不足，降雨量少，蒸发量大，地表水、地下水资源都不足，而部分地区浅层地下水中氟、铁、钙等成分含量超标，不能作为农村生活饮用水，需要提取深层地下水、异地取水或进行水质处理。
根据调查统计，全省农村饮用水水质不安全人口305.07万人中，氟超标人口62.52万人；苦咸水人口52.70万人；未经处理的Ⅳ类及超Ⅳ类地表水人口0.10万人；细菌学指标超标严重，未经处理的地表水人口1.43万人；污染严重，未经处理的地下水人口56.19万人；铁锰超标等其他饮水水质超标人口132.14万人。
1.2农村饮水工程现状
由于辽宁省各地地理条件、水源条件不同，各地经济发展不平衡，农村供水工程主要以集中供水和分散式供水两种形式为主，其中利用分散式供水居多。全省集中式供水工程11 631处，供水总规模752 115 m3/d，解决农村饮水人口830.03万人，占农村总人口的34.91%；利用分散式供水解决农村饮水总人口为1 547.73万人，占农村总人口的65.09%。
辽宁省11 631处集中式供水工程中，有净化设施的工程1113处，受益人口128.86万人，占集中式供水工程总受益人口的15.53%；无净化设施工程10518处，受益人口701.17万人，占集中式供水工程总受益人口的84.47%。分散式供水基本没有净化设施。
可见，辽宁省农村饮水工程绝大多数没有净化设施。解决农村饮水不安全问题，让农民喝上洁净卫生的放心水，是迫切需要解决的问题，是社会主义新农村建设的需要。
2 饮用水水质处理技术研究
造成辽宁省农村饮用水不安全的因素很多，其原因也很复杂。针对全省的现状，有效地研究适合于农村饮水工程的铁、锰超标水质处理技术，有助于更好地解决辽宁省的农村饮水安全问题。
2.1地下水中铁锰的来源
地下水中的铁、锰源于地壳物理化学变化。铁、锰来源于岩石和土壤中的铁、锰矿物（如锰矿、黄铁矿、赤铁矿、褐铁矿等）。地下水中含有有机质及二氧化碳气体，由于有机质在地下水中的降解，一方面消耗水中或土层中的氧，使介质的氧化还原电位降低。另一方面分解产生游离的二氧化碳，使水体的腐蚀性增强。同时，由于二氧化碳溶解可使水体呈现弱碱性，溶解度增大，从而使铁、锰不断从含水层中迁出，使地下水体中铁、锰的含量增高。［1］
在基岩区，地下水中的铁、锰离子的迁移和富集，除了与含水介质成分、径流等条件有关外，主要还受氧化环境控制。这些地区的岩石中含有丰富的铁、锰矿物质，当这些岩石受到强烈的风化、分解、溶滤作用时，岩石中的铁、锰矿物就会释放出大量的铁、锰离子，如铁离子的反应式为：
2FeS2＋7O2＋2H2O＝2FeSO4＋2H2SO4
FeSO4＝Fe2＋＋SO2－4
在平原地区，地下水中的铁、锰离子的迁移和富集，除了与含水介质成分、土壤上层性质、酸碱条件、地下水中的氯离子含量有关外，主要受还原环境控制。对于富含有机质的土壤上层，地下水位高，土层的大部分处于长期的浸渍状态，使其向下逐渐转为低电位的还原环境，而土层有机质的分解加速了质疑转化过程，导致地下水中铁锰含量升高。其反应式如铁：
CH2O＋4Fe（OH）3＋7H+＝4Fe2+＋HCO3-＋10H2O
CH2O＋Fe2O3＋2H+＝2Fe2+＋CO2＋2 H2O
由于厌氧分解产生大量的二氧化碳，致使高价铁继续还原并形成重碳酸铁溶于水。水中二氧化碳是各种植物性物质分解、腐化、发酵而形成的。地下深层，压力大，溶解度高，铁的溶解反应更容易。这种条件下，地层中的三价铁被还原为二价铁溶于水中，其三价铁的氧化物被硫化氢还原的过程为：
Fe2O3＋3H2S＝2FeS＋3H2O＋S
FeS＋2CO2＋2H2O＝Fe（HCO3）2＋H2S
Fe（HCO3）2＝Fe2+＋2HCO3
2.2铁锰的危害及铁锰超标地下水对健康的影响
铁、锰都是构成生物体的基本元素，但是铁、锰过量也会给人们的生活和生产带来很多不便和危害。从生理学上讲，人体摄入过量的锰，会造成相关器官的病变。［2］
据WHO《卫生基准及补充资料》报道：“当人每日摄入铁1 000 mg时可导致铁中毒（血色素沉着症）”。一般铁在体内积聚过多是由于遗传性运输机制失灵所致，如血色病就是遗传性铁平衡失调，以致患者在一生中缓慢地积累铁，结果损害胰腺（导致糖尿病）、肝脏（肝硬变）、皮肤（皮肤青铜症）。［1］
锰的生理毒性比铁更严重，锰及其无机盐类危害甚大，在我国《职业性接触毒物危害程度分级》中被列为极度危害物质。
含铁锰水对供水系统及人们的生活都有影响。生活用水中铁锰会在卫生设备、器具上留下黄斑。用含铁锰的水洗的白色织物会发黄，铁锰也可在衣物上着色，产生锈色斑点，很不美观而使人厌恶。
2.3含铁锰地下水在辽宁省的分布
地下水中铁、锰等含量超标，在辽宁省比较普遍。全省39个县（市、区）都不同程度地存在饮用水中铁锰超标的问题，影响人口达132.14万人，涉及13个地市。尤其是沈阳、大连、鞍山、锦州、盘锦、营口、铁岭、阜新等地，农村饮用水中铁锰含量超标比较普遍。如沈阳市各县（市、区）地下水普遍存在铁、锰超标的问题，有的地方超标达十几倍甚至几十倍，全市影响人口达55.09万人；鞍山市的海城市和台安县地下水铁、锰也超标严重，共影响人口达13.94万人。
根据卫生部门测定，辽河流域的地下水铁、锰含量超标呈区域性分布。
2.4含铁锰地下水水质处理技术
地下水除铁方法主要有空气自然氧化、接触催化氧化、生物氧化等方法；除锰方法主要有接触氧化、生物氧化等方法；铁、锰共存的除铁除锰方法主要有接触氧化法、自然氧化法等。地下水除铁除锰都是根据相同的原理，即用氧化法充分曝气，把水中溶解状态的二价铁和锰氧化为不溶解的三价铁或四价锰化合物，经过15~20 min的氧化和絮凝后，所生成的铁、锰沉淀物由滤池去除。氧化剂有氧和氯等。
2.4.1除铁原理曝气→ 反应→ 过滤，曝气时，二价铁氧化成三价铁的反应过程是酸性碳酸盐先分解为
Fe（HCO3）2→ Fe（OH）2＋2CO2，
然后氢氧化铁被氧化成为Fe（OH）3的胶体沉淀，
4 Fe（OH）2＋O2＋2H2O→ 4Fe（OH）3，
最后进入滤池沉淀。
一般情况下，1 m3水每去除1 mg/L的二价铁需要空气量为1 L。同时每氧化1 mg/L的二价铁会产生0.036的氢离子，而水的碱度会相应降低1.8 mg/L，如果水的碱度不足，就可能因氢离子浓度的增加，而使水的pH值下降，导致铁、锰的氧化速度变慢。所以一般需要控制水的pH值不小于6.5。［3］
2.4.2除锰原理
铁和锰的化学性质相接近，经常共存于地下水中，但铁比锰容易被氧化，相同pH值条件下，二价铁比二价锰的氧化速度快。当水中铁锰浓度较低时，可同时去除。铁锰含量均较高时，一般需二价铁氧化完成后，才开始二价锰的氧化，即先除铁后除锰。除锰滤池进水的pH值一般控制在7.5以上。
猛的氧化过程很慢，一般采用含有二氧化锰的天然锰砂作为除锰时的滤料，将曝气后的水通过锰砂滤池，这样就可在滤料层中完成二价锰的氧化和二氧化锰的去处。二价锰与氧的反应为
2Mn2+＋O2＋2H2O → 2MnO2＋4H+
理论上，每氧化1 mg/L的二价锰需要0.29 mg/L的氧，实际上所需氧量比理论值高的多，需要通过实验或生产运行才能得出不同工程的需氧量。［3］
除铁除锰的滤料都需要进行反冲洗以保证滤料的氧化能力。一般情况下，每2~3 d需要进行一次反冲洗，如果用水量大，反冲洗的频率更高。
2.4.3去除铁锰的离子交换法
辽宁省水利水电科学研究院与锦州维康净水材料有限公司合作，探讨离子交换法去除水中超标的铁、锰。离子交换法的滤料是水处理的关键，其主要成分是二氧化硅和三氧化铝，也可以叫做硅铝酸盐，它是硅、铝氧晶格状四面体，硅离子与铝离子交换，由于铝是三价，硅是四价，因此缺少一个电荷，需要有邻近的一至三价的阳离子补充，当水中的钙、镁、钠、钾、铁、锰、铜、锌等阳离子与滤料接触时，滤料骨架上的硅、铝发生大量的交换，交换中缺少的电子即由水中的离子补充，因而水中的离子即被滤料所吸附，固定在骨架上，从而达到净水的目的。
从理论上讲，凡是一到三价的阳离子均能被滤料所交换。地下水中存在的铁和锰均为溶于水的正二价，因此，完全可以被滤料所交换和吸附，其交换能力为：不间断供水时滤料除铁、除锰的能力分别为每千克滤料除铁3 500 mg、除锰1 500 mg。如果每日供水时间间隔6 h以上，除铁除锰能力提升1.8倍。这种离子交换法的根本点是滤料。
该项技术处理效果显著，处理后水质符合国家《生活饮用水卫生标准》（GB5749）的要求。这种技术运行费用低，滤料吸附铁锰饱和时，可用大粒盐或氢氧化钠溶液洗脱，每吨滤料洗脱一次需用溶液约500 L，消耗大粒盐40 kg或氢氧化钠15 kg。一般情况下，运行6个月需要进行洗脱一次，每次滤料洗脱更新费用约500~1 000元。
3 含铁锰水处理技术在农村饮水安全工程中的应用效果
这种离子交换法与传统曝气加锰砂截流方法相比，有以下几项优点。
（1）净化指标相比。离子交换法可处理铁、锰超标100倍以内的任何水质，不论铁锰多少，一律去除干净；传统方法不适合锰含量超过3 mg/L的水，此时很难处理彻底，主要原因是锰极难在曝气时被氧化，锰砂形成的氧化膜也不容易将水中的锰催化成高价锰。
（2）出水水质相比。传统方法仅能处理水中浓度较低的铁、锰，而不能去除其他物质；离子交换法在处理铁锰的同时可同时去除高硬度、高碱、高氨氮、高重金属离子等，一般情况下，可一次性达标，出水水质清澈透明。
（3）使用寿命相比。锰砂的平均使用寿命是3 a，广西产的锰砂使用寿命可达3~5 a，东北产的锰砂1~2 a即破碎，必须更换；尤其反冲洗强度不够，冲洗频率不够时，大量的铁泥堆积其中，锰砂极易破损失效。离子交换法中滤料的使用寿命理论计算值为120 a，保守估算值为30 a，不会因操作不当致使材料失效，即使一年未清洗，只要认真清洗一次，即可恢复原有功能，对处理效果毫无影响。
（4）运行成本相比。当铁锰分别超标5~10倍时，使用离子交换法的运行成本为0.05~0.09元/m3，包括再生材料消耗、再生电力消耗、劳动力消耗、排污消耗、再生用水消耗、取暖消耗、滤料自然损耗、设备折旧等八项费用。传统曝气法计算这八项费用不会低于0.2~0.5元/m3。
4 水处理技术的应用
离子交换法去除铁、锰的方法需要场地小，把水处理设备、配电、消毒间集成于一体，占地面积小，运行操作简单，适用于各种条件的农村饮水工程处理铁锰超标水。
2006年在黑山县历家镇晏家水厂采用了这种处理技术。晏家水厂位于锦州市黑山县历家镇双岗子屯东部，水厂供水范围为两个行政村的7个自然屯，解决2 830人和1 419头大牲畜的饮用水问题。水厂的设计运行年限为15 a，供水规模为344.40 m3/d。
晏家水厂泵房面积为59.63 m2，直接供水。该水厂主要是处理铁锰超标，完全采用离子交换法。既节省投资，又降低运行费，同时水处理设施占地少，易于控制，水处理设备操作易于掌握，完全被当地接受，起到了铁锰超标地区水厂建设的示范作用。
5 结语
（1）解决农民群众饮水安全问题，是贯彻“以人为本”，全面建设社会主义新农村的需要。
引进科技创新，探讨适合农村条件的水处理技术，可以更有效地解决农村饮水安全问题。
（2）离子交换法去除水中的铁锰，比起常规的氧化法除铁锰，效果好，投资少，运行费用低，容易掌握，易于控制是一种适合于农村饮用水的水质处理技术，宜于在地下水铁、锰含量超标的地区推广。
参考文献：
[1]张丽平，习晋.特殊水质处理技术[M].北京：化学工业出版社，2006.
[2]张杰，李冬，杨宏，等.生物固锰除锰机理与工程技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.
[3]鲁刚.新编农村供水工程规划设计手册[M].北京：中国水利水电出版社，2006.
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