高氟地區飲用水除氟工藝研究

蘇昌發 高英 劉冬梅 方曉鳳

摘 要：氟是維持機體正常生命活動所必需的微量元，氟的攝入是通過飲食、呼吸、飲水三個主要途徑進入人體的，此外，也可通過含氟藥物、煙塵、酒和茶等進入體內。一般來說，對飲水中的氟吸收率最高可達90%，其次是食物中的氟吸收率約20%。氟的過量攝入可導致氟中毒，國內外大量調查資料證實，飲水含氟量高是地方性氟中毒的主要原因。因此，如何采用有效的方法解決氟污染問題，是我們面臨的一項重要任務。

中圖分類號：TV文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2012）04（a）-0000-00

1 含氟地下水的現狀

氟廣泛地存在于地下水中。地下水流經富氟巖礦,如磷灰石3Ca3(PO4)2?CaF2、水晶石Na3ALF3、螢石CaF時,經過長年的物理、化學作用，氟由固態遷移入地下水，一般地下水含氟≤1mg/L。由于地理、環境、地質構造等因素的影響，我國部分地區特別是礦區地下水含氟超標，其含量為1.1mg/L到15mg/L不等，其中以≤10mg/L居多。

1.1 氟的危害

氟和其他元素一樣，過量和不足都對人體健康有害，過量的氟會導致氟中毒，表現為以侵犯牙齒和骨骼為主的全身性慢性損害。主要臨床表現為氟斑牙和氟骨癥。氟斑牙既不美觀，又影響咀嚼及消化功能，并可導致牙齒過早脫落。氟骨癥對骨骼及其他軟組織的損害，可表現為腰、腿及全身關節麻木、疼痛、關節變形、出現彎腰駝背、功能障礙乃至癱瘓、喪失勞動力、生活不能自理。

氟化物可通過簡單擴散分布到機體所有組織中，氟離子也能迅速穿透細胞膜，分布到骨骼、心肌、肝、皮膚、紅細胞。

綜上所述，過量氟化物的長期攝入嚴重威脅人體健康。

1.2 高氟地下水的現狀

天津市涉及高氟水的共有11個區縣、110個鄉鎮、1652個村。在涉及高氟水的1652個村中, 含氟量在1~2 mg/L之間的有793個村, 占總數的48%；含氟量在2~5 mg/L之間的有859個村, 占總數的52%。農村共有生活機井3518眼, 其中高氟區生活機井1 375 眼。該市涉及高氟水的11個農業區縣總人口372.45萬, 其中高氟區總人口193.17萬、占農業總人口的51.86%。另外, 有10.95 萬頭大牲畜飲用高氟水。高氟水已嚴重影響廣大農村人民群眾的身體健康。

2 處理含氟地下水的意義

地下水作為水資源的重要組成部分，其開發利用必然會對生態環境產生巨大影響。水資源的價值是其有用性和稀缺性決定的。因此，加強對有限資源的科學、合理地評價和預測，包括對地下水資源科學、合理地評價和預測是十分必要的，已成為水資源可持續利用，人口、資源、環境和經濟社會協調發展的迫切要求。

2.1經濟意義

我國是一個水資源嚴重短缺的國家，不僅表現為資源性缺水，還突出地表現為水質性缺水，而且地下水資源的污染也越來越嚴重，這更加劇了我國水資源短缺的態勢。水資源污染的主要原因之一，是人們長期以來，受到“環境資源無價值”錯誤觀念的影響，把水這種資源當作無價值的資源開發利用，而不計入生產成本。

2.2 社會意義

許多資料表明，除氟改水控制氟中毒的發生已成為現實。同時為了控制腸道傳染病的流行也起到了重要作用。氟中毒病區往往都是貧困地區，群眾長期處于因病致貧，貧病交加的惡性循環之中，嚴重制約農村經濟的發展。國家也采取了治因治本的措施，對含氟地下水的處理與整治，不僅保護了高氟地區人民的健康，促進當地經濟的發展，而且也為我國農村實現世界衛生組織提出的“2000年人人享有衛生保健”的規劃目標提供了可靠的保障。

2.3 生態意義

地下水水質的好壞不僅取決于其本身的物理性質、化學組成及生物特性，而且與其具體用途有關。某些地下水對某種用途可能是不合格的，但對另一種用途可能是優質水。

淺層地下水是重要的水資源。我國北方6流域片平原區地下水平均年可開采量合計為1022.72億m3，約相當兩條黃河的年徑流量。改善高氟地區地下水的水質，適當的開發淺層地下水，進行灌溉，對農業發展具有深遠的意義。

3目前含氟處理工藝

近二、三十年來，國內外對含氟水的處理進行了大量的研究，對除氟工藝及相關的基礎理論的研究也取得了一些進展。目前，含氟水的除氟方法主要有吸附法、電凝聚法、反滲透法、離子交換法、化學沉淀法和混凝沉降法等。這些方法中，離子交換法費用高，且對廢水水質要求嚴格；電凝聚法及反滲透法裝置復雜，耗電量大，因而都極少采用。經常采用的是吸附法、化學沉淀法和混凝沉降法。下面就這幾種方法的研究進展情況進行介紹。

3.1 吸附法

用于除氟的常用吸附劑主要有活性氧化鋁、斜發沸石、活性氧化鎂等，近年來還報導了氟吸附容量較高的羥基磷灰石、氧化鋯等。利用這些吸附劑可將氟質量濃度在10mg/L以下的天然水處理至1.0mg/L以下，達到飲用水標準。這些吸附劑的基本情況總結于表1。由于吸附劑的吸附容量隨原水中氟含量和運行條件的不同會有所變化，表1列出的為原水氟質量濃度為10mg/L左右和最佳運行條件下的吸附容量變化范圍。

用濃度為1.0mol/L的HCl溶液浸泡，然后用水沖洗 至中性

吸附法一般將吸附劑裝入填充柱，采用動態吸附方式進行，操作簡便，除氟效果穩定，但存在如下缺點：

(1)吸附劑吸附容量低。由表1可見，常用的吸附劑如斜發沸石和活性氧化鋁的氟吸附量都不大，在0.06～2.0mg/g之間。用質量分數2%的H2SO4溶液對斜發沸石進行浸泡活化處理，可提高其氟吸附容量和再生性能。新近報導的羥基磷酸鈣的氟吸附量可達3.5mg/g，活性氧化鎂的氟吸附量可達6～14mg/g，但使用過程中易流失；以稀土氧化鋯為主制成的氟吸附劑的吸附容量可高達30mg/g。這些新型的吸附劑雖價格較貴，但再生處理后，吸附容量下降比較緩慢，可反復使用。粉煤灰中含有活性氧化鋁，也可處理含氟水，可直接往廢水里投加，以廢治廢，成本低廉，缺點是氟吸附量小，投加量大，通常每升廢水需投加40～100g才能使出水氟質量濃度達到排放標準，就近有粉煤灰時才適用。

(2)處理水量小。當水中氟質量濃度為5mg/L時，每千克吸附劑一般只能處理10～1000L水，吸附時間一般都在半小時以上。吸附法只適用于處理水量較小場合，如飲用水的除氟處理，一般不用于含氟量較高的工業廢水的處理[11]。

3.2 化學沉淀法

對于高濃度含氟工業廢水，一般采用鈣鹽沉淀法處理，即向廢水中投加石灰和可溶性鈣鹽(硫酸鈣和氯化鈣等)使F-和Ca2+生成CaF2沉淀而除去。

用水溶性較好的CaCl2除氟，其用量一般也需維持在理論用量的2～5倍。這主要是因為：Ca2+和F-生成CaF2的反應速度較慢，達到平衡需較長的時間。為使反應加快，需加入過量的Ca2+，使投加的鈣鹽與水中F-的摩爾比達2倍以上，CaCl2的投加量常高達500～1200mg/L。

3.3 混凝沉降法

鐵鹽和鋁鹽是最常用的兩類無機混凝劑。據我們的實際工作經驗，對氟質量濃度為20～50mg/L的廢水，鐵鹽混凝劑的除氟率較低，在10%～30%之間，而鋁鹽混凝劑可達50%～80%。鐵鹽要達到較高的除氟率，需配合Ca(OH)2使用，最后用酸將pH調至中性才能排放，工藝復雜。而鋁鹽則可在接近中性的條件下除氟。鋁鹽投加到水中后，利用Al3+與F-的絡合以及鋁鹽水解中間產物和最后生成的Al(OH)3(am)礬花對F-的配位體交換、物理吸附、卷掃等作用去除水中的氟離子。與鈣鹽沉淀法相比，鋁鹽混凝沉降法具有藥劑投加量少、處理水量大、成本低、一次處理后出水即可達到國家排放標準的優點，適用于工業廢水處理。

4 結論

（1）高氟水對人體的牙齒和骨骼等方面都造成損害,嚴重影響廣大農村人民群眾的身體健康。

（2）目前存在的針對高氟水的處理方法主要有吸附法、化學沉淀法、混凝沉降法。其中吸附法中的活性氧化鋁法具有吸附容量較高，強度好，耐磨，使用壽命長，性能穩定，除氟后的水質符合國家規定的衛生標準。

（3）活性氧化鋁的吸附交換容量EW為1.2～2.0 mg/g (Ev為960～1 600 g/m3)。粒徑級配以0.5～2.5 mm為宜，濾料不均勻系數K≤2。濾料層厚度宜采用H=700～1 000 mm。接觸時間一般以不小于20 min為宜，過濾速度v=2～3 m/h。除氟裝置的工作周期T，一般為2～4 h。

（4）針對1萬人的用水進行了工藝方案，日設計產水量為96 m3/d，高峰時的小時供水量為16 m3/h，除氟池面積為1.6 m2，濾料層厚度宜采用H=1000 mm，除氟器的吸附交換工作時間160h。同時從經濟投資上分析人均投資為20.6元即可建設該處理站。

第一作者簡介：

作者：蘇昌發，男，生于1976年3月，于1996年7月畢業于天津市水利學校，現技術職務工程師，行政職務副科長，從事水利工作。聯系地址：薊縣楊莊水庫管理處（薊縣羅莊子鎮楊莊村北），郵編：301913 聯系電話：13820116756單位電話：29728028

參考文獻

[1] 楊克敵．環境衛生學．北京：人民衛生出版社， 2004

[2] 劉昌漢．地方性氟中毒防治指南[M]．人民衛生出版社．北京．1998．

[3] 王五一，李永華.氟與健康的環境流行病學研究．土壤與環境，2002

[4] 楊曉松，劉峰彪，羅泰偉．生活用水凈化技術的現狀和發展趨勢．礦冶，2001