含铁地下水成因及水质特征

含铁地下水成因及水质特征
松辽平原系松花江水系冲积平原,含铁地下水分布甚广,吉林、哈尔滨、齐齐哈尔等沿江城市均有大片含铁地下水分布。

吉林市含铁地下水分布范围达47平方公里,占吉林市江段冲积平原面积的24.5%。

因此,研究含铁地下水成因及水质特征,具有重要的现实意义。

一、成因
铁是地壳的主要元素之一,其含量大约6.1%左右,仅次于氧、硅、铝占第四位。

地壳中的铁多分散于各种结晶岩石和沉积岩石之中,以硅酸盐、碳酸盐、氢氧化物、氧化物、硫化物的矿物出现。

在这些含铁矿物中,除了硫化铁矿物以外,均甚为稳定,都是难溶的化合物。

因此,在地表水和一般地下水中含铁并不高。

只有在特殊的地质环境中,在适宜的水文化学条件下,才能使铁大量进入地下水中。

调查表明,吉林市含铁地下水分布于Ⅱ级阶地晚更新世地层。

该层上部为亚粘土、亚砂土,下部为砾石层。

据700余个工程地质钻孔资料证实,该层层间(中、下部)夹有一层或数层淤泥、草炭。

从区域第四系地层对比,该层应该属于晚更新世沉积,相当于顾乡屯组地层,可能是末次冰期后的沉积物。

该层因堆层阶地后缘,故地下水流速缓慢。

同时,地层上部亚粘地、亚砂土颗粒较细,阻隔了地下水与大气的通气。

因此,地下水不但流动滞缓,而且处于较为密闭的环境之中。

处于密闭条件下的淤泥、草炭,其有机质由于氧化作用而使水中的溶解氧消耗殆尽。

在厌氧条件下,有机质分解,将产生大量的二氧化碳、沼气和硫化氢,从而成了嫌气还原环境。

在嫌气还原条件下,会使含铁矿物产生分解,铁质即以低价离子态进入地下水中。

这一过程中,二氧倾和硫化氢是起决定性作用的。

当地下水含有大量二氧化碳时,可使低价含铁化合物溶于水中。

高价铁化合物,必须先还原成低价铁后,再在二氧化碳作用下才能溶于水中。

硫化氢是较强的还原剂,它可使高价铁产生还原。

如:Fe2O3+3H2S=2FeS+3H2O+S
所生成的FeS, 再二氧化碳作用下以低价铁离子进入水中。

因此,含铁地下水形成的化学环境,是地下水中富含二氧化碳、硫化氢,并具还原特性。

形成这种化学环境的水文地质条件必须是具有有机质沉积层(淤泥、草炭),地下水流动滞缓并处于较为密闭环境。

生活污水沟边的淤泥,含大量有机物,其中含氮有机物经嫌气分解后将产生大量硫化氢和二氧化碳。

硫化氢可以使褐铁矿(Fe(OH)3)的高价铁还原为低价铁,然
后在二氧化碳作用下溶于水中。

对照组(A组)却不然,由于处于氧化条件之下,故只能以少部分高价铁溶于水中。

这一试验,也可以说明地下水含铁的成因。

二、水质特征
1、铁的存在形态。

检测资料表明,在含铁地下水还原保持不变情况下,铁质是以二价离子(Fe2+)状态存在于水中的。

但是,二价铁离子氧化速度很快,当曝气时即很快被氧化成三价铁(Fe3+),并以絮状氢氧化铁(Fe(OH)3)沉淀出来。

氢氧化铁溶解度极小,而且受PH值控制,即随值增高而急剧下将。

当PH=4时,水中三价铁的溶解度为0.05毫克/升;当PH>4时,水中三价铁的溶解度就更小了。

故在地下水中实际不含有溶解的三价铁。

所以,用三价铁或总铁(Fe2++Fe3+)来衡量地下水的含铁情况是不客观的。

然而,实践表明,凡井内积水或水中夹杂有井管铁锈(主要是Fe(OH3))的情况下,若对水样未经过滤就进行酸化处理,其化验结果却可检出三价铁。

检测地下水含铁量的合理方法必须采取新抽的地下水,并立即酸化处理。

2、还原条件对水质系的影响。

为了查明地下水氧化还原条件,对吉林市地下水中含的溶解氧(DO)普遍地进行了测定,其结果是:新抽出的含铁地下水,DO1毫克/升;PH>6.9时,Fe2+含量7.5时,Fe2+含量〔Ca2++Mg2+〕,而出现负硬度。

郊区轻污染的含铁地下水水质类型为重碳酸钙型到重碳酸氯化物、钙、钠型水,水中钠、氯离子含量显著增高,矿化度也增高到200～450毫克/升。

市区重污染区的含铁地下水水质类型为重碳酸氯化物钙、钠型水到氯化物重碳酸钠、钙型水,矿化度却猛增到1000毫克/升以上。

三、改造利用
1、地下水除铁方法,国内研究较多,主要有锰砂过滤除铁,碱化曝气除铁和离子交换法除铁三种。

这里需要指出,因含铁地下水中往往同时含有较高的锰,所以,除铁的同时应考虑除锰。

由于锰的氧化速度缓慢,除锰比除铁更为困难。

2、含铁地下水形成与淤泥、草炭层有关,凡含铁地下水分布范围,地层间必有淤泥、草炭层。

淤泥、草炭可以制造腐殖酸肥料,是一种资源。

3、含铁地下水层间,一般含有沼气。

因此,对这种天然沼气的应用价值应进行评价,开采方法也应进行研究。

若能应用,尚可解决部分农村能源问题。

4、这种地下水,虽含大量铁质而影响应用,但不含硝酸盐,经除铁处理后,水质较好。