高氟水处理方法研究

2010-04-04孙双来胡景鹏

地下水 2010年1期

孙双来,胡景鹏,何平

(1.河北省廊坊水文水资源勘测局,河北廊坊 065000;2.河北省衡水水文水资源勘测局,河北衡水 053000)

0 前言

氟化物是水质的毒理学指标,广泛存在于自然界的水体中,同时也是人体必需的微量元素之一,饮用水中氟的适宜浓度为 0.5～1.0 mg/L,当人群长期饮用高氟水时会至病,因此高氟水地区纷纷研究降氟措施,以改善人民群众的生活质量,确保人民群众饮水安全。

河北廊坊、沧州、衡水等部分地区的地下水含氟量较高,一般在 3～5 mg/L左右。一些地方长期饮用高氟水,引起了以氟斑牙和氟骨症为主要特征的慢性全身性疾病,也即地方性氟中毒。可见降氟改水,减少机体对氟的摄入量,达到有效控制地方性氟病流行尤为重要。

1 高氟区降氟改水物理化学方法

降氟改水措施主要有改换低氟水源或采用物理、化学方法降低含氟量。一般情况下病区附近没有低氟水源可用,大规模引水工程投资很大,一时难以实现。而采用物理、化学方法降氟工艺,目前被各国采用的主要有以下几种方法:1)活性氧化铝吸附过滤;2)骨炭吸附过滤;3)铝盐混凝沉淀;4)电絮凝;5)电渗析和反渗透等。

2 物理化学方法降氟应用分析

实际改水中应用哪种方法,必须考虑水源的水质(含氟量、其它离子含量等)和水量(供水规模)。水量较大的水厂如采用电絮凝、电渗析和反渗透工艺投资相当大,一般自来水厂不可能采用,只能是特殊工艺用水采用。混凝沉淀工艺最简单,不需要设备投资,只要在饮水处理中加大含铝絮凝剂的投加量,但该工艺只适用于水源中氟含量低于 5mg/L情况降氟处理,用该法在降氟同时会造成等其它离子超标。

目前,国内降氟方法比较成熟可靠的是吸附过滤法。其原理是含氟水通过专用除氟料过滤,氟被吸附在吸附剂表面,生成难溶氟化物。当除氟能力降到一定极限值,即除氟能力达不到规定值时,需要再生剂再生,恢复吸附剂除氟能力,以此循环达到除去过量氟的目的。活性氧化铝和骨炭都是根据吸附过滤降低氟含量,吸附剂都可再生重复使用,这是目前水厂主要采用的工艺方案,其中以活性氧化铝工艺应用较普遍。

对于有能力投资的水厂,最好采用活性氧化铝加 ClO2消毒氧化工艺,对于那些暂时没有投资能力的水厂应适当加大铝盐絮凝剂用量,但应根据水质情况确定絮凝剂的合适投加量,达到部分降氟效果。有些地区也可采用饮水与生活用水分质供水方案,投入相对较少的资金,对专用饮水降氟,为周围群众提供饮用降氟水。

膜分离技术被称为“二十一世纪的水处理技术”,自 70年代应用于水处理领域后,得到了广泛的研究和空前的发展,受到世界各国水处理工作者的普遍关注,开展了不同水平。不同层次的理论研究和技术开发、应用。在给水处理领域应用最为广泛的是一系列的低压膜,如纳滤膜、反渗透膜等。其中,纳滤膜法水处理技术以其特殊的优势,获得了世界各国的水处理工作者的普遍关注,在水处理技术的研究和开发领域取得了可喜的成绩。

3 纳滤技术的应用

纳滤技术是从反渗透技术中分离出来的一种膜分离技术,是超低压反渗透技术的延续和发展分支。一般认为,纳滤膜存在着纳米级的细孔,且截留率大于 95%的最小分子约为 1 mm,所以近几年来这种膜分离技术被命名为:Nanofiltration,简称:NF,中文译为:纳滤。在过去的很长一段时间里,纳滤膜被称为超低压反渗透膜(LPRO:Low Pressure Reverse Osmosis),或称选择性反渗透膜或松散反渗透膜(Loose RO:Loose Reverse Osmosis)。日本学者大谷敏郎曾对纳滤膜的分离性能进行了具体的定义:操作压力≤1.50 MPa,截留分子量 200～1000,NaCl的截留率≤90%的膜可以认为是纳滤膜。现在,纳滤技术已经从反渗透技术中分离出来,成为介于超滤和反渗透技术之间的独立的分离技术,己经广泛应用于海水淡化、超纯水制造、食品工业、环境保护等诸多领域,成为膜分离技术中的一个重要的分支。

纳滤过程的关键是纳滤膜。对膜材料的要求是:具有良好的成膜性、热稳定性、化学稳定性、机械强度高、耐酸碱及微生物侵蚀、耐氯和其它氧化性物质、有高水通量及高盐截留率、抗胶体及悬浮物污染,价格便宜、目前采用的纳德膜多为芳香族及聚酸氢类复合纳德膜。复合膜为非对称膜,由两部分结构组成:一部分为起支撑作用的多孔膜,其机理为筛分作用;另一部分为起分离作用的一层较薄的致密膜,其分离机理可用溶解扩散理论进行解释。对于复合膜,可以对起分离作用的表皮层和支撑层分别进行材料和结构的优化,可获得性能优良的复合膜。膜组件的形式有中空纤维、卷式、板框式和管式等。其中,中空纤维和卷式膜组件的填充密度高,造价低,组件内流体力学条件好;但是这两种膜组件的制造技术要求高,密封困难,使用中抗污染能力差,对料液预处理要求高。而板框式和管式膜组件虽然清洗方便、耐污染,但膜的填充密度低、造价高。因此,在纳滤系统中多使用中空纤维式或卷式膜组件。

在我国,对纳滤过程的理论研究比较早,但对纳滤膜的开发尚处于初步阶段。在美国、日本等国家,纳滤膜的开发已经取得了很大的进展,达到了商品化的程度,如美国Filmtec公司的NF系列纳滤膜、日本日东电工的NTR-7400系列纳滤膜及东丽公司的UTC系列纳滤膜等都是在水处理领域中应用比较广泛的商品化复合纳滤膜。

对于一般的反渗透膜,脱盐率是膜分离性能的重要指标,但对于纳滤膜,仅用脱盐率还不能说明其分离性能。有时,纳滤膜对分子量较大的物质的截留率反而低于分子量较小的物质。纳滤膜的过滤机理十分复杂。由于纳德膜技术为新兴技术,因此对纳滤的机理研究还处于探索阶段,有关文献还很少。但鉴于纳滤是反渗透的一个分支,因此很多现象可以用反渗透的机理模型进行解释。关于反渗透的膜透过理论有朗斯代尔、默顿等的溶解扩散理论;里德、布雷顿等的氢键理论;舍伍德的扩散细孔流动理论;洛布和索里拉金提出的选择吸附细孔流动理论和格卢考夫的细孔理论等。

纳滤膜的过滤性能还与膜的荷电性、膜制造的工艺过程等有关。不同的纳滤膜对溶质有不同的选择透过性,如一般的纳滤膜对二价离子的截留率要比一价离子高,在多组分混合体系中,对一价离子的截留率还可能有所降低。纳滤膜的实际分离性能还与纳滤过程的操作压力、溶液浓度、温度等条件有关。如透过通量随操作压力的升高而增大,截留率随溶液浓度的增大而降低等。