農(nóng)村含氟飲用水鈣鹽沉淀法處理的試驗(yàn)分析

翟 欽

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

1 問(wèn)題的提出

根據(jù)《新疆維吾爾自治區(qū)飲水型氟超標(biāo)地方病防治工作實(shí)施方案》，沙雅縣存在飲水型氟超標(biāo)人口為1648戶8049人，主要集中于哈德墩鎮(zhèn)所轄的5個(gè)行政村，哈德墩鎮(zhèn)居民一直以來(lái)都是依靠自己打井開(kāi)采淺層地下水來(lái)解決人飲問(wèn)題，該區(qū)域水質(zhì)較差，礦化度可達(dá)2.0g/L以上，往年水質(zhì)化驗(yàn)氟化物14.43mg/L，硫酸鹽336mg/L屬于典型的氟超標(biāo)飲水區(qū)域。氟在自然界廣泛分布于地殼、巖石、礦物、土壤、水體內(nèi)，飲用水中含量不超過(guò)一定限度的氟離子是人類(lèi)所需的微量元素之一，但氟離子含量超出一定限度后便會(huì)造成人體生理功能和代謝性障礙，引發(fā)氟骨癥、斑齒等中毒癥狀，對(duì)人體健康造成不利影響。中國(guó)衛(wèi)生部最新規(guī)定的飲用水中氟離子含量的最合理范圍應(yīng)為0.5-1.0mg/L[1]，為此，積極探索農(nóng)村含氟飲用水凈化處理的有效方式，使其水質(zhì)能滿足飲水安全要求是農(nóng)村安全飲水工程建設(shè)應(yīng)首要考慮的問(wèn)題。常用的含氟飲用水處理技術(shù)包括吸附法、沉淀法、電滲析法、電凝聚法及反滲透膜等，對(duì)于低濃度含氟飲用水而言，沉淀法處理成本最低、效果也最佳，而其余方法主要適用于中高濃度含氟廢水的處理。本試驗(yàn)主要采用鈣鹽沉淀法進(jìn)行15mg/L濃度農(nóng)村含氟飲用水水質(zhì)凈化處理的分析探討，以期對(duì)農(nóng)村低濃度含氟飲用水凈化處理提供借鑒參考。

2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)主要采用Phs-3酸度計(jì)和電磁攪拌器等實(shí)驗(yàn)儀器，試驗(yàn)用純CaCl2，0.1mol/L鹽酸及氫氧化鈉，自制離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)緩沖劑溶液等試驗(yàn)材料。哈德墩鎮(zhèn)水質(zhì)較差，礦化度在2.0g/L以上，pH值6.8，經(jīng)往年水質(zhì)化驗(yàn)氟化物10.43mg/L，硫酸鹽336mg/L，以CaCO3計(jì)算的硬度為265mg/L，本次試驗(yàn)取用原水質(zhì)，其中氟離子濃度達(dá)15mg/L，試驗(yàn)在烏魯木齊水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行。

試驗(yàn)開(kāi)始后按設(shè)計(jì)用量將CaCl2投入原水，之后原水中的F-和Ca2+發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：NaF+CaCl2→CaF2↓+2NaCl，生成CaF2沉淀，將該沉淀物去除后便可達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。在試驗(yàn)過(guò)程中，考慮到原水水質(zhì)中氟離子濃度，即[F-]=0.476×10-3mol/L，故為生成沉淀物所需要的氟離子含量應(yīng)為[Ca2+]=0.238×10-3mol/L。CaCl2投加量不同的情況下，試驗(yàn)過(guò)程所需的靜置時(shí)間、pH值等均存在一定差異，為取得最佳的原水水質(zhì)改善效果，必須對(duì)不同投加量進(jìn)行對(duì)比分析。原水水質(zhì)投加CaCl2沉淀的試驗(yàn)方案，見(jiàn)表1。

表1 原水水質(zhì)投加CaCl2沉淀的試驗(yàn)方案

針對(duì)上述每組試驗(yàn)方案，應(yīng)分別向200mL試驗(yàn)水體中按設(shè)計(jì)比投加CaCl2，通過(guò)摻加相應(yīng)比例的HCl和NaOH使試驗(yàn)水體的pH值從4.0依次變換到5.5、7.0、8.5、10.0，并以200r/min轉(zhuǎn)速進(jìn)行30-35min的快速攪拌，使其充分反應(yīng)后按照0min、25 min、50 min、70 min、100 min的時(shí)間靜置，達(dá)到時(shí)間后分別進(jìn)行濾液中殘留氟離子濃度的檢測(cè)。所得到的檢測(cè)結(jié)果通過(guò)正交設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 CaCl2投入比50%的情況

按照設(shè)計(jì)試驗(yàn)流程將50%的CaCl2即0.238×10-3mol/L投入試驗(yàn)水體中，按照設(shè)計(jì)程序調(diào)整pH值并快速攪拌，并按規(guī)定時(shí)間靜置，CaCl2投入比50%的試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)圖1。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)pH值在5.5及8.5時(shí)，隨靜置時(shí)間的延長(zhǎng)氟離子濃度并無(wú)明顯變化；而當(dāng)pH值在4.0、7.0和10.0水平時(shí)，靜置時(shí)間75min時(shí)殘留氟離子濃度存在拐點(diǎn)，即在該靜置時(shí)間內(nèi)，隨時(shí)間的延長(zhǎng)殘留氟離子濃度呈降低趨勢(shì)，超出該時(shí)間后氟離子濃度隨靜置時(shí)間延長(zhǎng)而無(wú)明顯變化。靜置時(shí)間在25-100min時(shí)，隨pH值的升高殘留氟離子濃度起初增大，當(dāng)pH值升至5.5-7.0時(shí)達(dá)到最大值，而后隨pH值的升高其濃度反而降低。綜合上述試驗(yàn)結(jié)果可以得出，當(dāng)CaCl2投入比為50%的情況下，應(yīng)將pH值控制在4.0，靜置時(shí)間確定在75min，試驗(yàn)水體中殘留氟離子濃度可以降低至15mg/L。

3.2 CaCl2投入比60%的情況

按照60%投入比的CaCl2(即0.357×10-3mol/L)投入試驗(yàn)水體內(nèi)，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)調(diào)整pH值并快速攪拌、靜置，CaCl2投入比60%的試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)圖2。由圖2可知，在pH值≤5.5時(shí)，試驗(yàn)水體中殘留氟離子濃度在靜置100min后降低速率最大；在pH值=7.0時(shí)，延長(zhǎng)殘留氟離子濃度在靜置時(shí)間25min內(nèi)出現(xiàn)了小幅度增加，此后便緩慢降低，在靜置時(shí)間達(dá)到75min及以后再無(wú)明顯變化；在pH值為8.5時(shí)，當(dāng)靜置時(shí)間不超出75min試驗(yàn)水體內(nèi)殘留氟離子濃度持續(xù)降低，而靜置時(shí)間超出75min后殘留濃度卻出現(xiàn)上升趨勢(shì)；在pH值取10.0時(shí)，靜置時(shí)間在25min內(nèi)殘留濃度快速下降，但超出25min后反而出現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，靜置時(shí)間在75min以后殘留氟離子濃度又以最初的速率快速降低。從pH值的角度考察，在pH值取8.5時(shí)，無(wú)論靜置時(shí)間如何確定，試驗(yàn)水體中殘留氟負(fù)離子濃度均為最低；當(dāng)pH值在8.5以下時(shí)，隨著pH值的增大，殘留氟離子濃度呈現(xiàn)出先增后降趨勢(shì)，而當(dāng)pH值在8.5以上時(shí)，氟離子殘留濃度隨pH值的增加而急劇增大。為此，在該試驗(yàn)條件下，應(yīng)選擇靜置時(shí)間75min、pH值8.5的處理措施，從而將試驗(yàn)水體中殘留氟離子濃度控制在11mg/L。

圖1 CaCl2投入比50%的試驗(yàn)結(jié)果

圖2 CaCl2投入比60%的試驗(yàn)結(jié)果

3.3 CaCl2投入比70%的情況

按照設(shè)計(jì)試驗(yàn)流程將70%的CaCl2即0.475×10-3mol/L投入試驗(yàn)水體中，按照設(shè)計(jì)程序調(diào)整pH值并快速攪拌，并按規(guī)定時(shí)間靜置，CaCl2投入比70%的試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)圖3。由圖3可知，當(dāng)pH取值在4.0-8.5之間時(shí)，隨試驗(yàn)水體靜置時(shí)間的延長(zhǎng)殘留氟離子濃度均持續(xù)降低；而當(dāng)pH值取10.0時(shí)，靜置時(shí)間短于50min殘留氟離子濃度持續(xù)下降，但靜置時(shí)間超出50min后殘留氟離子濃度又呈升高趨勢(shì)。當(dāng)試驗(yàn)水體pH值從4.0上升至5.5，殘留氟離子濃度增加幅度較小，此后隨pH值的升高殘留氟離子濃度持續(xù)降低；而當(dāng)pH值取8.5時(shí)，殘留氟離子濃度最低。綜合上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在CaCl2投入比70%的情況下，pH值取8.5且靜置時(shí)間100min時(shí)，試驗(yàn)水體殘留氟離子濃度最低可降至9mg/L。

圖3 CaCl2投入比70%的試驗(yàn)結(jié)果

3.4 CaCl2投入比75%的情況

按照設(shè)計(jì)試驗(yàn)流程將75%的CaCl2即0.593×10-3mol/L投入試驗(yàn)水體中，按照設(shè)計(jì)程序調(diào)整pH值并快速攪拌，CaCl2投入比75%的試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)圖4。由圖4可知，當(dāng)pH值取4.0、5.5和10.0時(shí)，即使靜置時(shí)間延長(zhǎng)，試驗(yàn)水體內(nèi)殘留氟離子濃度僅小幅度下降；當(dāng)pH值為7.0時(shí)，靜置時(shí)間≤50min情況下殘留氟離子濃度急劇下降，但當(dāng)靜置時(shí)間超出50min后便再無(wú)明顯變化；若pH值取8.5，則隨著靜置時(shí)間的延長(zhǎng)，殘留氟離子濃度以十分緩慢的速度降低。綜合上述分析可知，當(dāng)CaCl2投入比75%時(shí)，pH值取8.5且靜置時(shí)間100min，能使試驗(yàn)水體殘留氟離子濃度低至6mg/L。

圖4 CaCl2投入比75%的試驗(yàn)結(jié)果

3.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)上述對(duì)CaCl2不同摻加比試驗(yàn)結(jié)果的分析可以看出，不同藥劑投入量、pH值及靜置時(shí)間下，含氟試驗(yàn)水體經(jīng)處理后殘留氟離子濃度呈現(xiàn)出不同的變化，也說(shuō)明鈣鹽沉淀法去除農(nóng)村含氟飲用水的效果不盡相同。經(jīng)過(guò)以上測(cè)定結(jié)果可得出最佳的CaCl2投加量應(yīng)為75%(0.593×10-3mol/L)，pH值應(yīng)當(dāng)控制在約8.5，靜置反應(yīng)時(shí)間應(yīng)≥50min，在此試驗(yàn)條件下，可將試驗(yàn)水體內(nèi)殘留氟離子濃度降至6mg/L。文章試驗(yàn)所提出的鈣鹽沉淀法處理農(nóng)村含氟飲用水處理原理簡(jiǎn)單，投加藥劑費(fèi)用低廉，操作簡(jiǎn)便，適用于在中國(guó)農(nóng)村飲用水氟超標(biāo)地區(qū)水質(zhì)處理領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

4 結(jié) 論

文章從新疆沙雅縣哈德墩鎮(zhèn)農(nóng)村飲水水質(zhì)問(wèn)題出發(fā)，通過(guò)試驗(yàn)方式對(duì)鈣鹽沉淀法處理中國(guó)農(nóng)村飲用水氟離子超標(biāo)問(wèn)題進(jìn)行分析探討。試驗(yàn)結(jié)果顯示，按照試驗(yàn)水體質(zhì)量的75%投加藥劑，即在200mL試驗(yàn)水體中投加0.593×10-3mol/L的CaCl2并將pH值控制在約8.5，靜置反應(yīng)時(shí)間至少50min的情況下，可以達(dá)到最佳的含氟飲用水處理凈化效果，其水體中殘留氟離子含量將降至6mg/L。如果農(nóng)村含氟飲用水中所包含的其余干擾離子過(guò)量，則除氟效果可能會(huì)表現(xiàn)出偏差。按照我國(guó)衛(wèi)生部所規(guī)定的飲用水中氟離子含量應(yīng)≤1.0mg/L，通過(guò)本試驗(yàn)所給出的方法也僅能將氟離子含量降至6mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到安全飲水的要求，但是對(duì)于中國(guó)農(nóng)村偏遠(yuǎn)高氟水地區(qū)，能將其飲用水中氟離子濃度降低也能為適當(dāng)減輕地方性氟中毒起到一些積極作用。