摘要 实际工程中采取地下水降水措施时，因铁、磷含量超标，水质未达到排放标准。本研究针对上述问题，提出了一种铁、磷同步去除的水处理措施。成都市青白江区某下穿隧道处地下降水中Fe2+、磷平均含量分别为33.48mg/l、15.93 mg/l，均超过市政污水管网允许排放值10mg/l、8mg/l。以上述案例为研究对象，水处理时首先采用跌水曝气法、机械曝气法两阶段法将二价铁氧化为三价铁，然后采用化学沉淀法利用三价铁与磷酸盐生成磷酸铁沉淀除磷，使得铁、磷得到同步去除；同时随着三价铁水解，生成Fe(OH)3胶体与高浊度水中的悬浮颗粒、胶体等杂质相互碰撞形成大颗粒，进而通过絮凝沉淀去除。
关键词：地下水；除铁；除磷；曝气
1 引言
成都市青白江区某下穿隧道修建过程中地下水位较高，需设置降水井进行降水，降水井平均抽水量约为5000吨/日。施工中发现地下降水呈浅绿色，且有异味，经四川省某检测单位对地下水水质进行检测，发现水中Fe2+和磷含量超标。如直接排放至市政污水管网，将影响青白江污水处理二厂的正常运行。因此青白江污水处理二厂对下穿隧道地下降水提出要求，对超标的铁、总磷须进行处理达标后方可排入污水管网系统。青白江污水二厂的规模为50000吨/日，排水标准为《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准。
四川省某检测单位对成都市青白江区某下穿隧道处29个降水井的地下降水进行了检测，检测地下降水的时间是2017年7月14-16日，并在2017年7月20日完成检测报告【2】。具体检测结果如下：
表1 地下水铁、磷含量检测结果
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图2 各降水井无机磷含量检测结果
注：横轴为地下降水井编号，竖轴为无机磷浓度(mg/L)
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图3 各降水井铁含量检测结果
注：横轴为地下降水井编号，竖轴为铁浓度(mg/L)。
根据《污水排入城镇下水道水质标准》(GB/T 31962-2015)的要求，污水管网系统允许浓度：总磷8mg/L，总铁10mg/L。直接排放水体允许浓度：总磷0mg/L，铁0.3mg/L。根据水质检测结果，下穿隧道处部分地下降水井均不能直接排放进入水体。由图1-图3可知，可以直接排入污水管网系统的降水井共计8个，总磷浓度范围0.1-5.87mg/L，铁的浓度范围0.283-5.66mg，井编号为：E2、E3、E5、E7、E8、E10、W7和W8。
其余降水井中，地下降水总磷超标的共计7个，总磷浓度范围8.89-68mg/L，其中无机
磷浓度范围0-35.8mg/L，井编号为：11#、12#、13#、14#、18#、19#、20#。铁超标的降水井共计21个，其中1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#、15#、 16#、17#和W13#，这14个降水井铁的浓度范围3.94~29.4mg；此外，11#、12#、13#、14#、18#、19#和20#这7个降水井铁的浓度范围9.43~236mg/L，属严重超标范围。
2 地下水铁、磷去除方案
2.1需处理地下水量
根据现场测量计算，下穿隧道处地下降水措施，地下降水总水量约5000吨/日，采用24小时连续降水，共29个降水井，平均每个降水井的出水量为172.4吨/日，即7.2吨/时。除去可以直接排入市政管网的8个降水井，剩余21个需处理后排放的降水井总量约为3621吨/日，即151吨/时。
2.2地下水铁、磷含量检测
地下水总磷、总铁含量，采用HTC-C TP及HTC-C TFe全自动在线分析仪检测。根据水质监测结果, 须处理的21个降水井的地下降水总磷浓度范围0.15~68mg/L，平均浓度为15.93 mg/L，其中有机磷浓度范围0.13~16.8mg/L; 总铁浓度范围0.238~236mg/L，平均浓度为33.48 mg/L。
2.3具体处理方案
结合地下降水的水质情况，水体浊度较高，地下水中铁主要以二价Fe2+形式存在；地下水中的磷由无机磷和有机磷构成，其中无机磷含量达到75%以上，主要以磷酸盐的形式存在。地下降水中的亚铁可以考虑采用空气自然氧化法去除，主要是通过将二价亚铁氧化为三价铁，形成的三价铁可以进一步同磷酸盐形成磷酸铁沉淀析出，同时三价铁水解作用形成Fe(0H)3胶体颗粒析出。
2.3.1除铁方案
1.除铁
除铁原理：
采用空气自然氧化法除铁。
4Fe2++O2+2H2O= 4Fe3++4OH- 式1
[O2]=0.14a[Fe2+] 式2
[O2]---除铁所需溶解氧量，mg/L；
[Fe2+]---水中二价铁含量量，mg/L；
a---过剩溶解氧系数，一般取a=3~5，本方案取a=4。
原水铁含量为0.238~236mg/L，污水管网系统允许接纳铁的最大浓度为10mg/L，则去除铁0~226mg/L，平均去除铁浓度为23.48 mg/L。
由式1、式2经计算除铁所需溶解氧：0~39.77kg/h，平均需溶解氧4.13kg/h。
工程具体措施：
本工程采用跌水自然曝气-机械曝气两级曝气法，利用空气自然氧化法除铁。两级曝气在增加水中氧气浓度的同时，还可以起到吹脱散除水中CO2气体，提高水体PH值的作用。PH值的增大有利于新生成的Fe3的水解Fe(OH)3胶体，加快氧化亚铁的氧化反应。目前市场上曝气装置有多种形式，常用的有曝气塔、跌水曝气、喷淋曝气、压缩空气曝气等。结合本项目实际情况，拟采用跌水曝气和曝气塔相结合的曝气形式，详见图4两级曝气流程图。二阶段具体曝气方案如下所述。
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图4 两级曝气流程图
第一阶段设置跌水曝气（见图5）。根据场地情况设置1座矩形水坑，在集水坑起端设置跌水曝气台阶，共设置4级台阶跌水，每级跌水高度0.5米，最大单宽流量50吨/(时*米)，曝气跌水台阶长度为8.5米。集水坑有效水深2米，超高0.5米，则集水坑深2.5米，宽度15米，长度30米。集水坑边坡放坡系数取1.0，在挖好集水坑后铺设一层防水土工膜，然后浇筑10cm的C20素混凝土，集水坑底取0.005的坡度坡向集水坑。集水坑储存2小时水量，则集水坑的有效容积为850m3，考虑溢流堰出水，经排水管道接入现状污水管，最后排入第二污水厂。出水排放采用泵提升后排入现状污水管。
经在线检测曝气后溶液中溶解氧浓度增加达到约5mg/L。则第一阶段跌水曝气可增加溶解氧量为2.1 kg/h，尚达不到上述计算的平均需氧量4.13kg/h，还需设置机械曝气进一步增加氧气浓度。
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图5 现场跌水曝气
第二阶段采用机械曝气（见图6），设置曝气增氧机。现场共设置5台曝气泵，每台曝气泵功率为1.5KW，氧气充气量达到9kg /h，曝气深度约2米。一般情况开启1台曝气增氧机即可满足平均需氧量4.13kg/h的要求，由于水质及水量波动，在最不利情况下需开启5台曝气增氧机。本工程水质浊度高，悬浮颗粒等杂质浓度大，密度高。结合实际水质情况，考虑为避免悬浮絮凝物沉降板结，要求5台曝气增氧机同时开启，在增加氧气浓度的同时，也起到搅拌混合的作用。
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图6 机械曝气
2.除磷
除磷原理：
Fe3++PO43-→FePO4↓ pH=5～5.5 式1
水中原有铁消耗磷的量：
已知原水中总磷浓度范围0.13~68mg/L，平均浓度为15.93mg/L，其中有机磷浓度范围0.13~16.8mg/L，平均浓度为4.41 mg/L，本方案中暂不考虑Fe3+ 同有机磷反应。经计算，1.8mg Fe消耗 1.0 mg P ，原水中含铁量为0.238~236mg/L，则消耗磷浓度为0.13~131mg/L，平均消耗磷18.6 mg/L。污水管网系统磷的允许最大浓度为8mg/L，则需去除磷0~58mg/L，
平均去除磷浓度为7.93 mg/L。同时部分有机磷可可以被形成的Fe(OH)3絮体吸附去除。
根据以上结果可知，原水中原有的铁浓度可满足去除磷的要求。在工程中为避免出现不满足要求的情况，使铁、磷反应浓度尽量达到反应平衡，实际采用：①在抽取含磷超标的13#、14#、18#、19#、20#地下水时（表2），同步抽取含铁超标的11#、 12#地下水（表3）。②含磷超标的13#、14#、18#、19#、20#这5个井只能同时抽取1个井。③含铁超标的11#、 12#这2个井只能同时抽取一个井。
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表3 含铁最大2个降水井检测结果
3 运行结果
由图7、图8可知，在为期约一年的运行检测中，曝气池出水铁、总磷含量均有波动，出水铁浓度平均值为5.26mg/l，去除率达到84.3%；出水总磷浓度平均值为3.03mg/l，去除率达到81.0%；均满足污水管网系统允许浓度：总磷8mg/L，总铁10mg/L。根据水质检测报告，11#和12#的PH值在5.76~5.99之间，pH偏低，在实际运行过程中，采用熟石灰粉（氢氧化钙，含量≥90%， 200目）来调节pH值，每小时采用2kg石灰粉兑水加入集水坑进水一侧，用于调节pH值，有利于Fe(OH)3的沉淀。
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图8 曝气池出水总磷含量检测结果
注：横轴为一年内每半月检测次数，竖轴为磷浓度(mg/L)
参考文献
【1】GB50013-2018，《室外给水设计标准》。
【2】川华检字2017第1977号，《监测报告》。
【3】戚盛豪、汪洪秀、王家华，第三册《城镇给水》，第二版，中国建筑工业出版社，2004年4月。
【4】GB50014-2006，2016年版，《室外排水设计规范》。
【5】GB50141-2008，《给水排水构筑物工程施工及验收规范》。
【6】GB50268-2008，《给水排水管道工程施工及验收规范》。
【7】GB/T 31962-2015，《污水排入城镇下水道水质标准》。
【8】GB14848-2017，《地下水质量标准》。