高氟地区饮用水除氟工艺研究

摘 要：氟是维持机体正常生命活动所必需的微量元，氟的摄入是通过饮食、呼吸、饮水三个主要途径进入人体的，此外，也可通过含氟药物、烟尘、酒和茶等进入体内。一般来说，对饮水中的氟吸收率最高可达90%，其次是食物中的氟吸收率约20%。氟的过量摄入可导致氟中毒，国内外大量调查资料证实，饮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决氟污染问题，是我们面临的一项重要任务。

中图分类号：TV文献标识码：A文章编号：1672-3791（2012）04（a）-0000-00

1 含氟地下水的现状

氟广泛地存在于地下水中。地下水流经富氟岩矿,如磷灰石3Ca3(PO4)2·CaF2、水晶石Na3ALF3、萤石CaF时,经过长年的物理、化学作用，氟由固态迁移入地下水，一般地下水含氟≤1mg/L。由于地理、环境、地质构造等因素的影响，我国部分地区特别是矿区地下水含氟超标，其含量为1.1mg/L到15mg/L不等，其中以≤10mg/L居多。

1.1 氟的危害

氟和其他元素一样，过量和不足都对人体健康有害，过量的氟会导致氟中毒，表现为以侵犯牙齿和骨骼为主的全身性慢性损害。主要临床表现为氟斑牙和氟骨症。氟斑牙既不美观，又影响咀嚼及消化功能，并可导致牙齿过早脱落。氟骨症对骨骼及其他软组织的损害，可表现为腰、腿及全身关节麻木、疼痛、关节变形、出现弯腰驼背、功能障碍乃至瘫痪、丧失劳动力、生活不能自理。

氟化物可通过简单扩散分布到机体所有组织中，氟离子也能迅速穿透细胞膜，分布到骨骼、心肌、肝、皮肤、红细胞。

综上所述，过量氟化物的长期摄入严重威胁人体健康。

1.2 高氟地下水的现状

天津市涉及高氟水的共有11个区县、110个乡镇、1652个村。在涉及高氟水的1652个村中, 含氟量在1~2 mg/L之间的有793个村, 占总数的48%；含氟量在2~5 mg/L之间的有859个村, 占总数的52%。农村共有生活机井3518眼, 其中高氟区生活机井1 375 眼。该市涉及高氟水的11个农业区县总人口372.45万, 其中高氟区总人口193.17万、占农业总人口的51.86%。另外, 有10.95 万头大牲畜饮用高氟水。高氟水已严重影响广大农村人民群众的身体健康。

2 处理含氟地下水的意义

地下水作为水资源的重要组成部分，其开发利用必然会对生态环境产生巨大影响。水资源的价值是其有用性和稀缺性决定的。因此，加强对有限资源的科学、合理地评价和预测，包括对地下水资源科学、合理地评价和预测是十分必要的，已成为水资源可持续利用，人口、资源、环境和经济社会协调发展的迫切要求。

2.1经济意义

我国是一个水资源严重短缺的国家，不仅表现为资源性缺水，还突出地表现为水质性缺水，而且地下水资源的污染也越来越严重，这更加剧了我国水资源短缺的态势。水资源污染的主要原因之一，是人们长期以来，受到“环境资源无价值”错误观念的影响，把水这种资源当作无价值的资源开发利用，而不计入生产成本。

2.2 社会意义

许多资料表明，除氟改水控制氟中毒的发生已成为现实。同时为了控制肠道传染病的流行也起到了重要作用。氟中毒病区往往都是贫困地区，群众长期处于因病致贫，贫病交加的恶性循环之中，严重制约农村经济的发展。国家也采取了治因治本的措施，对含氟地下水的处理与整治，不仅保护了高氟地区人民的健康，促进当地经济的发展，而且也为我国农村实现世界卫生组织提出的“2000年人人享有卫生保健”的规划目标提供了可靠的保障。

2.3 生态意义

地下水水质的好坏不仅取决于其本身的物理性质、化学组成及生物特性，而且与其具体用途有关。某些地下水对某种用途可能是不合格的，但对另一种用途可能是优质水。

浅层地下水是重要的水资源。我国北方6流域片平原区地下水平均年可开采量合计为1022.72亿m3，约相当两条黄河的年径流量。改善高氟地区地下水的水质，适当的开发浅层地下水，进行灌溉，对农业发展具有深远的意义。

3目前含氟处理工艺

近二、三十年来，国内外对含氟水的处理进行了大量的研究，对除氟工艺及相关的基础理论的研究也取得了一些进展。目前，含氟水的除氟方法主要有吸附法、电凝聚法、反渗透法、离子交换法、化学沉淀法和混凝沉降法等。这些方法中，离子交换法费用高，且对废水水质要求严格；电凝聚法及反渗透法装置复杂，耗电量大，因而都极少采用。经常采用的是吸附法、化学沉淀法和混凝沉降法。下面就这几种方法的研究进展情况进行介绍。

3.1 吸附法

用于除氟的常用吸附剂主要有活性氧化铝、斜发沸石、活性氧化镁等，近年来还报导了氟吸附容量较高的羟基磷灰石、氧化锆等。利用这些吸附剂可将氟质量浓度在10mg/L以下的天然水处理至1.0mg/L以下，达到饮用水标准。这些吸附剂的基本情况总结于表1。由于吸附剂的吸附容量随原水中氟含量和运行条件的不同会有所变化，表1列出的为原水氟质量浓度为10mg/L左右和最佳运行条件下的吸附容量变化范围。

用浓度为1.0mol/L的HCl溶液浸泡，然后用水冲洗 至中性

吸附法一般将吸附剂装入填充柱，采用动态吸附方式进行，操作简便，除氟效果稳定，但存在如下缺点：

(1)吸附剂吸附容量低。由表1可见，常用的吸附剂如斜发沸石和活性氧化铝的氟吸附量都不大，在0.06～2.0mg/g之间。用质量分数2%的H2SO4溶液对斜发沸石进行浸泡活化处理，可提高其氟吸附容量和再生性能。新近报导的羟基磷酸钙的氟吸附量可达3.5mg/g，活性氧化镁的氟吸附量可达6～14mg/g，但使用过程中易流失；以稀土氧化锆为主制成的氟吸附剂的吸附容量可高达30mg/g。这些新型的吸附剂虽价格较贵，但再生处理后，吸附容量下降比较缓慢，可反复使用。粉煤灰中含有活性氧化铝，也可处理含氟水，可直接往废水里投加，以废治废，成本低廉，缺点是氟吸附量小，投加量大，通常每升废水需投加40～100g才能使出水氟质量浓度达到排放标准，就近有粉煤灰时才适用。

(2)处理水量小。当水中氟质量浓度为5mg/L时，每千克吸附剂一般只能处理10～1000L水，吸附时间一般都在半小时以上。吸附法只适用于处理水量较小场合，如饮用水的除氟处理，一般不用于含氟量较高的工业废水的处理[11]。

3.2 化学沉淀法

对于高浓度含氟工业废水，一般采用钙盐沉淀法处理，即向废水中投加石灰和可溶性钙盐(硫酸钙和氯化钙等)使F-和Ca2+生成CaF2沉淀而除去。

用水溶性较好的CaCl2除氟，其用量一般也需维持在理论用量的2～5倍。这主要是因为：Ca2+和F-生成CaF2的反应速度较慢，达到平衡需较长的时间。为使反应加快，需加入过量的Ca2+，使投加的钙盐与水中F-的摩尔比达2倍以上，CaCl2的投加量常高达500～1200mg/L。

3.3 混凝沉降法

铁盐和铝盐是最常用的两类无机混凝剂。据我们的实际工作经验，对氟质量浓度为20～50mg/L的废水，铁盐混凝剂的除氟率较低，在10%～30%之间，而铝盐混凝剂可达50%～80%。铁盐要达到较高的除氟率，需配合Ca(OH)2使用，最后用酸将pH调至中性才能排放，工艺复杂。而铝盐则可在接近中性的条件下除氟。铝盐投加到水中后，利用Al3+与F-的络合以及铝盐水解中间产物和最后生成的Al(OH)3(am)矾花对F-的配位体交换、物理吸附、卷扫等作用去除水中的氟离子。与钙盐沉淀法相比，铝盐混凝沉降法具有药剂投加量少、处理水量大、成本低、一次处理后出水即可达到国家排放标准的优点，适用于工业废水处理。

4 结论

（1）高氟水对人体的牙齿和骨骼等方面都造成损害,严重影响广大农村人民群众的身体健康。

（2）目前存在的针对高氟水的处理方法主要有吸附法、化学沉淀法、混凝沉降法。其中吸附法中的活性氧化铝法具有吸附容量较高，强度好，耐磨，使用寿命长，性能稳定，除氟后的水质符合国家规定的卫生标准。

（3）活性氧化铝的吸附交换容量EW为1.2～2.0 mg/g (Ev为960～1 600 g/m3)。粒径级配以0.5～2.5 mm为宜，滤料不均匀系数K≤2。滤料层厚度宜采用H=700～1 000 mm。接触时间一般以不小于20 min为宜，过滤速度v=2～3 m/h。除氟装置的工作周期T，一般为2～4 h。

（4）针对1万人的用水进行了工艺方案，日设计产水量为96 m3/d，高峰时的小时供水量为16 m3/h，除氟池面积为1.6 m2，滤料层厚度宜采用H=1000 mm，除氟器的吸附交换工作时间160h。同时从经济投资上分析人均投资为20.6元即可建设该处理站。

第一作者简介：

作者：苏昌发，男，生于1976年3月，于1996年7月毕业于天津市水利学校，现技术职务工程师，行政职务副科长，从事水利工作。联系地址：蓟县杨庄水库管理处（蓟县罗庄子镇杨庄村北），邮编：301913 联系电话：13820116756单位电话：29728028

参考文献

[1] 杨克敌．环境卫生学．北京：人民卫生出版社， 2004

[2] 刘昌汉．地方性氟中毒防治指南[M]．人民卫生出版社．北京．1998．

[3] 王五一，李永华.氟与健康的环境流行病学研究．土壤与环境，2002

[4] 杨晓松，刘峰彪，罗泰伟．生活用水净化技术的现状和发展趋势．矿冶，2001