趙永哲 黃昌麗（齊齊哈爾市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站 黑龍江 齊齊哈爾 161005）

李林娜（齊齊哈爾市水資源管理處 黑龍江 齊齊哈爾 161005）

程 卉（齊齊哈爾市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站 黑龍江 齊齊哈爾 161005）

盧 春（青島理工大學(xué)理學(xué)院 山東 青島 266520）

李曉紅（齊齊哈爾大學(xué)理學(xué)院 黑龍江 齊齊哈爾 161005）

劉麗菡（齊齊哈爾市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)中心 黑龍江 齊齊哈爾 161005）

雒彥軍（齊齊哈爾市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站 黑龍江 齊齊哈爾 161005）

劉 垚（齊齊哈爾市環(huán)境評(píng)估中心 黑龍江 齊齊哈爾 161005）

含鐵廢水排入環(huán)境水體后的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律

趙永哲 黃昌麗（齊齊哈爾市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站 黑龍江 齊齊哈爾 161005）

李林娜（齊齊哈爾市水資源管理處 黑龍江 齊齊哈爾 161005）

程 卉（齊齊哈爾市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站 黑龍江 齊齊哈爾 161005）

盧 春（青島理工大學(xué)理學(xué)院 山東 青島 266520）

李曉紅（齊齊哈爾大學(xué)理學(xué)院 黑龍江 齊齊哈爾 161005）

劉麗菡（齊齊哈爾市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)中心 黑龍江 齊齊哈爾 161005）

雒彥軍（齊齊哈爾市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站 黑龍江 齊齊哈爾 161005）

劉 垚（齊齊哈爾市環(huán)境評(píng)估中心 黑龍江 齊齊哈爾 161005）

北方松嫩平原北部地下水中含鐵量較高，當(dāng)含鐵地下水進(jìn)入環(huán)境地表水體后，會(huì)改變?cè)械沫h(huán)境水體中鐵元素在地球化學(xué)環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，對(duì)鐵的環(huán)境化學(xué)循環(huán)產(chǎn)生較大的影響，本文研究了含鐵廢水進(jìn)入環(huán)境水體后鐵元素的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，時(shí)空分布狀態(tài)，以及對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響。對(duì)此類污染的生態(tài)環(huán)境影響進(jìn)行了探討。

鐵；遷移轉(zhuǎn)化；環(huán)境污染

前言

地殼表層鐵的含量約為6%，僅次于氧、硅、鋁元素在地殼中含量，位于第四位。地殼中的鐵質(zhì)多半分散于各種晶質(zhì)沉積巖中，都以難溶的化合物形式存在。Fe2+和Fe3+在水溶液中有很強(qiáng)的水解能力，分別會(huì)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。在水解平衡條件下，經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，pH<9時(shí)，水中鐵主要存在形式為Fe2+，其含量大于75%，pH=8時(shí)，F(xiàn)e2+的含量會(huì)在97%左右，而高鐵在天然水系統(tǒng)中將主要以其水解產(chǎn)物形式存在，F(xiàn)e3+只在酸性環(huán)境中（pH<4）才相對(duì)增加。因此Fe2+的溶解度略高于Fe3+，是地下水中鐵質(zhì)的主要成份。

我國(guó)含鐵量較高的地下水主要位于大型河流中、下游平原地區(qū)的第四系含水層中，含鐵量多少主要取決于地貌、沉積環(huán)境、含水層巖性、地下水徑流等。在已開發(fā)利用地下水的地區(qū)，地下水含鐵量較高地區(qū)為東北地區(qū)的三江平原，松嫩平原上的早期城市用水的地下水取水層均為第四系沙礫石孔隙潛水。通過(guò)地質(zhì)勘察論證，含鐵量多在0.3～30毫克/升之間。多以二價(jià)離子形態(tài)存在。

1 含鐵地下水進(jìn)入地表水途徑

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的用水量也逐年增加，對(duì)地下水的開采量也不斷提高，這樣使大量地下水得以進(jìn)入地表環(huán)境水體，在含鐵量較高地區(qū)，以松嫩平原上的齊齊哈爾市為例，地下水的含鐵量基本在0.3～30mg/L之間，并且基本是二價(jià)鐵占95%以上，如果不經(jīng)過(guò)處理，此類地下水進(jìn)入環(huán)境水體后會(huì)被空氣中的氧迅速氧化成三價(jià)鐵，使水體呈黃色，不但影響景觀美化，也使水質(zhì)發(fā)生了改變，消耗水中大量的溶解氧；對(duì)接納此類地下水的環(huán)境水體的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較大影響。

湖泊是相對(duì)封閉的靜水環(huán)境，容易受到各種外來(lái)干擾的影響。人類的各種生產(chǎn)、生活活動(dòng)會(huì)向湖泊排放輸送大量的有機(jī)負(fù)荷和重金屬負(fù)荷。金屬元素在環(huán)境中是不可降解成分。湖泊水體的污染往往同各種金屬元素的地球化學(xué)循環(huán)有緊密的關(guān)系，湖泊沉積物是各種重金屬污染物質(zhì)的宿體，微生物的作用可以改變微量金屬在沉積物中的賦存狀態(tài)。有機(jī)質(zhì)的降解為這一過(guò)程提供了最為重要的驅(qū)動(dòng)力。在沉積物界面環(huán)境中一般情況處于厭氧或低氧條件，有機(jī)質(zhì)的好氧降解受阻。鐵以其合適的電化學(xué)特性及較大的豐度，在陸地水體環(huán)境中充當(dāng)重要的電子受體或供體。鐵在沉積物界面環(huán)境上的循環(huán)一方面推動(dòng)了早期成巖作用的進(jìn)行，另一方面也影響或控制了其它微量（重）金屬元素的遷移、分布，間接地影響到了上覆水體水質(zhì)。

現(xiàn)以齊齊哈爾市勞動(dòng)湖所受排入的高含鐵地下水的污染為例，勞動(dòng)湖水系是黑龍江省齊齊哈爾市嫩江江段的支流，全長(zhǎng)7.5km，水域面積達(dá)320hm2。從齊齊哈爾市西部城區(qū)流過(guò)，包括有秀水公園、西泊公園、卜奎公園、龍沙公園和嫩江公園。是齊齊哈爾市市區(qū)內(nèi)的內(nèi)陸湖泊。勞動(dòng)湖不僅具有調(diào)節(jié)市區(qū)小氣候功能，而且也是市區(qū)的重要景觀。然而，由于周邊建筑的開發(fā)，高層建筑工程施工降水作業(yè)的需要，大量含鐵地下水進(jìn)入勞動(dòng)湖，使勞動(dòng)湖水質(zhì)污染有所加重。

對(duì)排入勞動(dòng)湖的地下水取樣分析，地下水含鐵量在6～8mg/L之間，一般一個(gè)工程的排水期會(huì)在60d左右，排水量因小區(qū)的開發(fā)規(guī)模不同而有所不同，我們以湖庫(kù)接納20萬(wàn)t/d含鐵地下水為例，對(duì)湖中污染水體進(jìn)行60d連續(xù)監(jiān)測(cè)，指標(biāo)為二價(jià)鐵，三價(jià)鐵及其溶解氧，監(jiān)測(cè)分析采樣濃度為0.5m，采樣點(diǎn)距離排放口10m，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

表1 湖水中鐵及溶解氧的濃度 mg/L

在排水中間階段，在相同采樣位置同時(shí)采集不同深度的水樣進(jìn)行分析，采樣點(diǎn)水深為5.5m，以下為沉積層。具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 湖水中不同深度鐵及溶解氧的濃度 mg/L

2 結(jié)果討論

鐵是變價(jià)元素，主要以二價(jià)和三價(jià)的形式在自然界存在。鐵的二價(jià)態(tài)、三價(jià)態(tài)及含鐵有機(jī)物之間的相互轉(zhuǎn)化，與微生物活動(dòng)密切相關(guān)。自然體系中，F(xiàn)e的氧化還原狀態(tài)的改變常發(fā)生在好氧與厭氧邊界層，故鐵元素廣泛地參與了環(huán)境中的電子交換反應(yīng)。因?yàn)?，鐵對(duì)于微生物來(lái)說(shuō)，既可以作為電子供體（Fe2+），也可以作為電子受體（Fe3+）。鐵作為生物體的一種重要微量元素，是生物體細(xì)胞中電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的理想輔助因子。一些自養(yǎng)微生物（如氧化亞鐵硫桿菌）在將二價(jià)鐵氧化為三價(jià)鐵過(guò)程中，從中獲取代謝所需的能量，并同化二氧化碳。厭氧環(huán)境中，鐵在微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程中，可以充當(dāng)一個(gè)重要的電子受體。一些微生物還可以將有機(jī)鐵化合物進(jìn)一步分解，鐵以無(wú)機(jī)離子態(tài)形式釋放出來(lái)。

從表1中可以看出，湖水在接納含鐵地下水后，通過(guò)空氣的氧化做用，將二價(jià)鐵氧化成三價(jià)鐵沉淀，三價(jià)鐵形成的膠體會(huì)緩慢的向下做沉淀運(yùn)動(dòng)，如果二價(jià)鐵的氧化速度和三價(jià)鐵的的沉降速度達(dá)到一個(gè)平衡后，水體處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，但也可以看出由于二價(jià)鐵的氧化會(huì)大量消耗了水中溶解氧，致使從水面到水下溶解氧逐步下降，使水底部沉積層上水體中的氧含量降低，不利于水生好氧動(dòng)植物的生長(zhǎng)，但會(huì)促進(jìn)厭氧微生物的生長(zhǎng)，而厭氧生物的生長(zhǎng)會(huì)分解有機(jī)物，釋放還原一些重金屬等元素，使水體惡化加重。

從表2可以看總鐵的濃度基本保持不變，但二價(jià)鐵在水體中從上到下呈上升趨勢(shì)，也可以進(jìn)一步說(shuō)明水體隨著深度的增加，水中的溶解氧濃度的下降，對(duì)二價(jià)氧化能力的速率有所放慢，另外一個(gè)原因就是通過(guò)微生物的生物作用，還原了三價(jià)鐵，增加了二價(jià)鐵的濃度。由此可以看出鐵元素在湖水中的循環(huán)和氧在湖水中的循環(huán)有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，湖底缺氧、沉積物中的鐵以二價(jià)的形式向上層水釋放導(dǎo)致湖面表氧氣難以通過(guò)含鐵層進(jìn)入庫(kù)底，庫(kù)底原有的溶解氧被有機(jī)物分解、底棲生物和還原性污染物所消耗，底層溶解氧繼續(xù)降低、導(dǎo)致庫(kù)底沉積物中的各種金屬元素釋放，水體中鐵濃度會(huì)有所升高。如果湖水溶解氧高，這時(shí)整個(gè)水體處于氧化狀態(tài)，在氧化環(huán)境條件下，鐵處于高價(jià)態(tài)而形成難溶化合物，遷移能力很低，逐步在庫(kù)底沉積物與水界面附近沉淀，并儲(chǔ)積于沉積物表層，導(dǎo)致沉積物中鐵含量的上升，水中鐵濃度相應(yīng)降低。

鐵的循環(huán)是一個(gè)地質(zhì)學(xué)的循環(huán)，它包括沉積埋藏作用、變質(zhì)作用、火山作用、地殼抬升、風(fēng)化作用以及其它轉(zhuǎn)變和運(yùn)移機(jī)制緩慢的復(fù)雜地質(zhì)過(guò)程。雖然鐵的沉積作用與生物演化和大氣演化有著某種令人困惑的耦合關(guān)系，但是在現(xiàn)今地表?xiàng)l件下，鐵的難溶性和缺乏揮發(fā)性說(shuō)明鐵的循環(huán)在很大程度上不與大氣圈的循環(huán)有關(guān)，也不與水圈的循環(huán)有關(guān)，但它卻與氧的循環(huán)有關(guān)。這樣就使其在地球的循環(huán)中與氧元素的生物地球化學(xué)循環(huán)有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。W.Stumm和B.Sulzberger指出高鐵（氫）氧化物被可降解有機(jī)物（以及硫化物）還原離解以及之后的亞鐵被O2氧化，在土壤、沉積物、水體的元素循環(huán)中起重要作用，可引起電子和一些元素（如有機(jī)碳、氧、微跡元素及磷酸鹽）在有氧-無(wú)氧界面處比較快速的循環(huán)，而且從總的平衡來(lái)看，鐵的循環(huán)是O2氧化有機(jī)質(zhì)的中間媒介。鐵的遷移轉(zhuǎn)化可以影響還原帶或半缺氧帶的一些局部環(huán)境，。包括深層水底部、季節(jié)性水體、地下水以及水下缺氧或半缺氧的沉積環(huán)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〕曲東，張一平，Schnell S.水稻土中鐵氧化物的厭氧還原及其對(duì)微生物過(guò)程的影響.土壤學(xué)報(bào)，2003，40（6）：858～863.

〔3〕姜明，呂憲國(guó)，楊青，佟守正.濕地鐵的生物地球化學(xué)循環(huán)及其環(huán)境效應(yīng).土壤學(xué)報(bào)，2005.3 43（3）：493～499.

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〔5〕汪福順，劉叢強(qiáng)，梁小兵.湖泊沉積物-水界面鐵的微生物地球化學(xué)循環(huán)及其與微量金屬元素的關(guān)系.地質(zhì)地球化學(xué)，2003.31（3）63～68.

〔6〕羅莎莎，萬(wàn)國(guó)江，黃榮貴.云南陽(yáng)宗海沉積物-水界面鐵、錳、硫的循環(huán)特征.城市環(huán)境與城市生態(tài)，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

趙永哲（1971-），男，本科，高級(jí)工程師，從事環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。

齊齊哈爾市科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目（NO：SFGG-201346）。