含铁废水排入环境水体后的迁移转化规律

赵永哲 黄昌丽（齐齐哈尔市环境监测中心站 黑龙江 齐齐哈尔 161005）

李林娜（齐齐哈尔市水资源管理处 黑龙江 齐齐哈尔 161005）

程 卉（齐齐哈尔市环境监测中心站 黑龙江 齐齐哈尔 161005）

卢 春（青岛理工大学理学院 山东 青岛 266520）

李晓红（齐齐哈尔大学理学院 黑龙江 齐齐哈尔 161005）

刘丽菡（齐齐哈尔市农产品质量安全检验监测中心 黑龙江 齐齐哈尔 161005）

雒彦军（齐齐哈尔市环境监测中心站 黑龙江 齐齐哈尔 161005）

刘 垚（齐齐哈尔市环境评估中心 黑龙江 齐齐哈尔 161005）

含铁废水排入环境水体后的迁移转化规律

赵永哲 黄昌丽（齐齐哈尔市环境监测中心站 黑龙江 齐齐哈尔 161005）

李林娜（齐齐哈尔市水资源管理处 黑龙江 齐齐哈尔 161005）

程 卉（齐齐哈尔市环境监测中心站 黑龙江 齐齐哈尔 161005）

卢 春（青岛理工大学理学院 山东 青岛 266520）

李晓红（齐齐哈尔大学理学院 黑龙江 齐齐哈尔 161005）

刘丽菡（齐齐哈尔市农产品质量安全检验监测中心 黑龙江 齐齐哈尔 161005）

雒彦军（齐齐哈尔市环境监测中心站 黑龙江 齐齐哈尔 161005）

刘 垚（齐齐哈尔市环境评估中心 黑龙江 齐齐哈尔 161005）

北方松嫩平原北部地下水中含铁量较高，当含铁地下水进入环境地表水体后，会改变原有的环境水体中铁元素在地球化学环境中的迁移转化规律，对铁的环境化学循环产生较大的影响，本文研究了含铁废水进入环境水体后铁元素的迁移转化过程，时空分布状态，以及对生态环境产生的影响。对此类污染的生态环境影响进行了探讨。

铁；迁移转化；环境污染

前言

地壳表层铁的含量约为6%，仅次于氧、硅、铝元素在地壳中含量，位于第四位。地壳中的铁质多半分散于各种晶质沉积岩中，都以难溶的化合物形式存在。Fe2+和Fe3+在水溶液中有很强的水解能力，分别会以FeOH+、Fe（OH）2、Fe（OH）3-和FeOH2+、Fe（OH）2+2、Fe（OH）2+03、Fe（OH）-4等形式存在。在水解平衡条件下，经过计算可知，pH<9时，水中铁主要存在形式为Fe2+，其含量大于75%，pH=8时，Fe2+的含量会在97%左右，而高铁在天然水系统中将主要以其水解产物形式存在，Fe3+只在酸性环境中（pH<4）才相对增加。因此Fe2+的溶解度略高于Fe3+，是地下水中铁质的主要成份。

我国含铁量较高的地下水主要位于大型河流中、下游平原地区的第四系含水层中，含铁量多少主要取决于地貌、沉积环境、含水层岩性、地下水径流等。在已开发利用地下水的地区，地下水含铁量较高地区为东北地区的三江平原，松嫩平原上的早期城市用水的地下水取水层均为第四系沙砾石孔隙潜水。通过地质勘察论证，含铁量多在0.3～30毫克/升之间。多以二价离子形态存在。

1 含铁地下水进入地表水途径

近年来，随着经济的发展，我国的用水量也逐年增加，对地下水的开采量也不断提高，这样使大量地下水得以进入地表环境水体，在含铁量较高地区，以松嫩平原上的齐齐哈尔市为例，地下水的含铁量基本在0.3～30mg/L之间，并且基本是二价铁占95%以上，如果不经过处理，此类地下水进入环境水体后会被空气中的氧迅速氧化成三价铁，使水体呈黄色，不但影响景观美化，也使水质发生了改变，消耗水中大量的溶解氧；对接纳此类地下水的环境水体的生态环境产生较大影响。

湖泊是相对封闭的静水环境，容易受到各种外来干扰的影响。人类的各种生产、生活活动会向湖泊排放输送大量的有机负荷和重金属负荷。金属元素在环境中是不可降解成分。湖泊水体的污染往往同各种金属元素的地球化学循环有紧密的关系，湖泊沉积物是各种重金属污染物质的宿体，微生物的作用可以改变微量金属在沉积物中的赋存状态。有机质的降解为这一过程提供了最为重要的驱动力。在沉积物界面环境中一般情况处于厌氧或低氧条件，有机质的好氧降解受阻。铁以其合适的电化学特性及较大的丰度，在陆地水体环境中充当重要的电子受体或供体。铁在沉积物界面环境上的循环一方面推动了早期成岩作用的进行，另一方面也影响或控制了其它微量（重）金属元素的迁移、分布，间接地影响到了上覆水体水质。

现以齐齐哈尔市劳动湖所受排入的高含铁地下水的污染为例，劳动湖水系是黑龙江省齐齐哈尔市嫩江江段的支流，全长7.5km，水域面积达320hm2。从齐齐哈尔市西部城区流过，包括有秀水公园、西泊公园、卜奎公园、龙沙公园和嫩江公园。是齐齐哈尔市市区内的内陆湖泊。劳动湖不仅具有调节市区小气候功能，而且也是市区的重要景观。然而，由于周边建筑的开发，高层建筑工程施工降水作业的需要，大量含铁地下水进入劳动湖，使劳动湖水质污染有所加重。

对排入劳动湖的地下水取样分析，地下水含铁量在6～8mg/L之间，一般一个工程的排水期会在60d左右，排水量因小区的开发规模不同而有所不同，我们以湖库接纳20万t/d含铁地下水为例，对湖中污染水体进行60d连续监测，指标为二价铁，三价铁及其溶解氧，监测分析采样浓度为0.5m，采样点距离排放口10m，监测数据见表1。

表1 湖水中铁及溶解氧的浓度 mg/L

在排水中间阶段，在相同采样位置同时采集不同深度的水样进行分析，采样点水深为5.5m，以下为沉积层。具体数据见表2。

表2 湖水中不同深度铁及溶解氧的浓度 mg/L

2 结果讨论

铁是变价元素，主要以二价和三价的形式在自然界存在。铁的二价态、三价态及含铁有机物之间的相互转化，与微生物活动密切相关。自然体系中，Fe的氧化还原状态的改变常发生在好氧与厌氧边界层，故铁元素广泛地参与了环境中的电子交换反应。因为，铁对于微生物来说，既可以作为电子供体（Fe2+），也可以作为电子受体（Fe3+）。铁作为生物体的一种重要微量元素，是生物体细胞中电子转移反应的理想辅助因子。一些自养微生物（如氧化亚铁硫杆菌）在将二价铁氧化为三价铁过程中，从中获取代谢所需的能量，并同化二氧化碳。厌氧环境中，铁在微生物对有机质分解过程中，可以充当一个重要的电子受体。一些微生物还可以将有机铁化合物进一步分解，铁以无机离子态形式释放出来。

从表1中可以看出，湖水在接纳含铁地下水后，通过空气的氧化做用，将二价铁氧化成三价铁沉淀，三价铁形成的胶体会缓慢的向下做沉淀运动，如果二价铁的氧化速度和三价铁的的沉降速度达到一个平衡后，水体处于一个相对稳定的状态，但也可以看出由于二价铁的氧化会大量消耗了水中溶解氧，致使从水面到水下溶解氧逐步下降，使水底部沉积层上水体中的氧含量降低，不利于水生好氧动植物的生长，但会促进厌氧微生物的生长，而厌氧生物的生长会分解有机物，释放还原一些重金属等元素，使水体恶化加重。

从表2可以看总铁的浓度基本保持不变，但二价铁在水体中从上到下呈上升趋势，也可以进一步说明水体随着深度的增加，水中的溶解氧浓度的下降，对二价氧化能力的速率有所放慢，另外一个原因就是通过微生物的生物作用，还原了三价铁，增加了二价铁的浓度。由此可以看出铁元素在湖水中的循环和氧在湖水中的循环有一定的关联关系，湖底缺氧、沉积物中的铁以二价的形式向上层水释放导致湖面表氧气难以通过含铁层进入库底，库底原有的溶解氧被有机物分解、底栖生物和还原性污染物所消耗，底层溶解氧继续降低、导致库底沉积物中的各种金属元素释放，水体中铁浓度会有所升高。如果湖水溶解氧高，这时整个水体处于氧化状态，在氧化环境条件下，铁处于高价态而形成难溶化合物，迁移能力很低，逐步在库底沉积物与水界面附近沉淀，并储积于沉积物表层，导致沉积物中铁含量的上升，水中铁浓度相应降低。

铁的循环是一个地质学的循环，它包括沉积埋藏作用、变质作用、火山作用、地壳抬升、风化作用以及其它转变和运移机制缓慢的复杂地质过程。虽然铁的沉积作用与生物演化和大气演化有着某种令人困惑的耦合关系，但是在现今地表条件下，铁的难溶性和缺乏挥发性说明铁的循环在很大程度上不与大气圈的循环有关，也不与水圈的循环有关，但它却与氧的循环有关。这样就使其在地球的循环中与氧元素的生物地球化学循环有着千丝万缕的联系。W.Stumm和B.Sulzberger指出高铁（氢）氧化物被可降解有机物（以及硫化物）还原离解以及之后的亚铁被O2氧化，在土壤、沉积物、水体的元素循环中起重要作用，可引起电子和一些元素（如有机碳、氧、微迹元素及磷酸盐）在有氧-无氧界面处比较快速的循环，而且从总的平衡来看，铁的循环是O2氧化有机质的中间媒介。铁的迁移转化可以影响还原带或半缺氧带的一些局部环境，。包括深层水底部、季节性水体、地下水以及水下缺氧或半缺氧的沉积环境。

〔1〕Jia G D，Zhong Z S.Review on Environment geochemistry of iron （In Chinese）.Advances in Environmental Science，1999，7（5）：74～84.

〔2〕曲东，张一平，Schnell S.水稻土中铁氧化物的厌氧还原及其对微生物过程的影响.土壤学报，2003，40（6）：858～863.

〔3〕姜明，吕宪国，杨青，佟守正.湿地铁的生物地球化学循环及其环境效应.土壤学报，2005.3 43（3）：493～499.

〔4〕中国科学院地球化学研究所.铁的地球化学〔M〕.北京：科学出版社，1981.

〔5〕汪福顺，刘丛强，梁小兵.湖泊沉积物-水界面铁的微生物地球化学循环及其与微量金属元素的关系.地质地球化学，2003.31（3）63～68.

〔6〕罗莎莎，万国江，黄荣贵.云南阳宗海沉积物-水界面铁、锰、硫的循环特征.城市环境与城市生态，2003.10 16（5）75～77.

Migration and Transformation Rules of Iron Containing Wastewater Discharged into Water Body

ZhaoYongzhe（Environment Monitoring Center Station of Qiqihaer City Qiqihaer HeiLongjiang 161005）

Iron content is high in groundwater of northern Songnen Plain.When the iron bearing groundwater comes into surface water environment，it will change migration and transformation rules of iron in the original water environment and have a greater impact on chemical recycling of iron in the environment.This paper studied of migration and transformation process，temporal and spatial distribution and impact on ecological environment when iron containing wastewater comes into surface water environment.

Iron Migration and transformation Environmental pollution

X824

A

1674-263X（2016）01-0032-03

2016-02-20

赵永哲（1971-），男，本科，高级工程师，从事环境监测工作。

齐齐哈尔市科学技术计划项目（NO：SFGG-201346）。