改性沸石除氟技术在广饶县农村集中供水工程中的应用

刘怀红

（广饶县水利局，山东 广饶 257300）

广饶县位于黄河三角洲东营市的最南端，地处泰沂山北麓山前冲淤积平原和黄泛平原交迭地带，总面积1138km2，辖8个乡镇、2个街道办事处，553个行政村，总人口49.3万人,其中乡村总人口42.4万人。

1 农村集中供水工程概况

2005年以来，该县以“农村供水城市化、城乡供水一体化”为目标，按照“规模化发展、标准化建设、专业化经营、规范化管理、用水户参与”的原则，因地制宜，科学规划，全面组织实施了农村集中供水工程。工程实施中，结合该县实际，把水质问题作为工程建设的首要环节，在高氟水区建立了集中除氟站，通过除氟系统设备的处理和消毒处理后，使其含氟量达到国家饮用水标准规定的范围；在其他饮水不安全区域，增大机井深度，加大水源井出水量，达到农村饮水安全标准。截止目前，累计投资1.55亿元,建成乡镇管理中心15处，新打配套350～613m的深井97眼，铺设主管道1183km、村级公路7398km，建成除氟改水系统工程6处、蓄水池6座、加压泵站6处，安装变频恒压自动供水设备97台，建设水质检测中心1处、信息化系统工程4处。经过5年奋战，全县农村实现了集中供水全覆盖和24h不间断供水，形成了以县城和乡镇行政区域为单位的集中供水网络。42万农村群众全部喝上了符合国家《生活饮用水卫生标准》的自来水，农民群众的生活质量、卫生条件得到很大改善。

2 地下水质特性

广饶县的水文地质条件和水系分布南北不同,水资源空间分布差异较大。小清河南部井灌区浅层及深层地下水为淡水，水质良好，取水方便，供水稳定。小清河以北地区，浅层地下水为咸水和微咸水，仅深层地下承压淡水可以利用，但资源量有限，水质含氟量超过生活饮水标准。小清河以北地区中深层及深层地下淡水PH值一般在8.3～8.8之间，总硬度在 45～300mg/L，矿化度一般在 0.45～0.85之间，含氟量偏高，一般在 1.2～4.0mg/L之间。陈官乡、丁庄镇尤为突出，陈官乡和丁庄镇分别高达10.8mg/L和4.6mg/L。中深层及深层地下咸水化学类型均为氯化物钠型水。

3 高氟水的危害特征及防治

3.1 高氟水的危害特征

长期饮用氟含量大于1.0mg/L的水能导致氟中毒。氟中毒是一种全身性疾病，主要表现在牙齿和骨骼上。氟对牙齿的损害表现为氟斑牙，俗称“黄牙”。氟对骨骼的损害主要表现为腰腿及全身麻木、疼痛、骨关节变形，出现弯腰驼背，发生功能障碍乃至瘫痪，丧失劳动能力或生活不能自理，医学上称为氟骨症。氟中毒还表现为神经系统、肾脏、内分泌、肌肉等损害。氟中毒病人常见的症状有头痛、头昏、困倦无力、萎靡不振、记忆力减退、食欲不振、四肢关节疼痛、晨起加重、活动后缓解、四肢麻木、蚁走感、失眠等。长期饮用高氟水对儿童的智力和生长发育将产生不良影响。患病者年龄最小的只有七、八岁，最大的72岁，尤其是对妊娠期妇女健康影响更为严重，会引起产后瘫痪，氟中毒不仅给病人带来精神和肉体上的痛苦，而且给家庭和社会带来沉重的经济负担。

3.2 氟危害的防治

长期饮用高氟水导致的氟中毒目前无论国内还是国外都无特效疗法。因此，消除氟中毒的根本还是改变高氟水源和理化除氟，切断人体过高摄入氟的途径，即改水降氟。解决高氟水的措施主要有两种。一是用达标水源替代高氟水源。一般是异地取水远距离调水，通过集中供水工程把水送往千家万户。这种办法，一次性投资大，且要求有可靠的水源。二是设施净化处理。即通过水处理设备对现有水源进行氟吸附处理使其达到饮用水标准。这种方法可利用当地水源，一次性投资小。结合广饶县北三乡镇地下水含氟超标的问题，在认真分析水源水质状况的基础上，先后考察国内除氟改水先进经验，反复比较论证除氟工艺，最终确定了采用国内先进的改性沸石除氟改水的工程技术方案，建设集中除氟站，解决饮水安全问题，让农民喝上卫生水、健康水。

4 改性沸石除氟技术的应用

4.1 技术特点

该技术处理流程简单合理，易于操作维护；一次性投资小，设备运行成本低；自动化程度高，便于控制管理；运行可靠、处理效果稳定；再生操作简单，再生周期长；再生液可以直接排入排水管网，不会产生二次污染，不会对人体产生危害。

4.2 工作原理

除氟装置内设滤料，当原水流经滤层时，水中过量的氟离子被滤料吸附，从而去除水中多余的氟离子，使其氟含量达到国家饮用水标准规定的范围。除氟装置运行一段时间后，用明矾溶液进行冲洗。

4.3 运行参数

ZSKF 粒径：0.5～1.8mm 均匀系数： 1.2～1.6

滤层厚度：〉1600mm 去除容量：1‰

滤 速：5～8m/h 冲洗强度：10～12L/(m2·s)

冲洗时间：5～10min 再生药剂：浓度5%的明矾

再生方式：24h浸泡或循环10h

再生周期：随滤料的装填量而变化

滤料接触反应时间：10～15min一般设计7d

4.4 1ZSKF除氟机理

ZSKF高效除氟滤料的结构一般由三维硅 （铝）氧格架组成，其基本单元是以硅为中心和周围4个氧离子排列而成的硅氧四面体[SiO4]。如果硅氧四面体中的硅被铝离子所置换，则形成铝氧四面体。铝是+3价的，这样铝氧四面体的4个顶角中的氧离子有1个得不到中和，因而出现了负电荷。

在ZSKF经特殊的物理及化学改性及活化后,在ZSKF（化学组成简写MxPy-R）中靠正电荷维系的（MxDy）+被K+交换的同时具有较强极性的铝的羟基络合物 Al（OH）2+因富含正电荷，将K+在交换过程中进行电荷传递的功能作为一种特殊的水合阳离子，在ZSKF表面发生吸附作用，而SO42-则与铝的羟基络合物配位，以维系电价平衡。反应过程表示为：

当ZSKF与含氟原水接触时，电负性极强的F-将取代SO42-，同时含氟水中的MxDy进入ZSKF的孔道中，与ZSKF孔道中的K+发生一定程度的交换。反应表示为：

4.5 再生机理

吸附饱和的ZSKF用硫酸铝钾溶液再生。当ZSKF被浸入到硫酸铝钾溶液中时，化学平衡被破坏，氟被高浓度正电荷的铝的羟基络合物吸引，随着硫酸铝钾溶液被排出，而硫酸铝钾中的K+重新与（MxDy）+发生交换并进入ZSKF孔道中。过剩的铝和羟基络合物重新借助K+在交换过程中进行电荷传递作用，在ZSKF表面吸附聚集，反应表示为：

4.6 除氟工艺

该工艺是采用一种天然矿石，经粉碎使其控制在一定的粒度范围内，再用一定浓度的盐酸浸泡、清洗、干化后即可得到所需要的除氟滤料。将滤料用一定浓度的铝盐溶液浸泡使其活化，用清水冲洗后就可以过滤高含氟水，控制一定的滤速和勾兑水量就可以制得含氟量稳定且符合饮用水标准的净化水，运行失效后，通过再生恢复其除氟效能。利用本技术生产的净化水中铝离子的含量符合饮用水卫生标准（即小于0.2mg/L）。

4.7 工艺流程及主要设备说明

通过对深井提升泵配置变频器，可以根据用户的用水量变化动态改变深井泵的提升量，从而改变系统的处理量。提升上来的地下水，直接进入ZSKF高效除氟设备中进行除氟处理，水中的氟在ZSKF高效除氟设备中有效的被去除（如图1）。

控制系统可以根据用户要求做成手动和全自动运行两种类型，并设置旁通应急供水管路。在总供水管道上安装流量传感器与深井提升泵变频器连接，当用水量发生变化后，流量传感器指示变频器发生相应的变化，从而指示深井提升泵改变提升量；同时，当设备故障或者后端用户用水量骤增而超出设备处理能力时，可以通过旁通应急供水管路临时补水。

图1 工艺流程图

5 结论

除氟设备工程自2007年投入运行以来，运行状况良好。源水通过除氟系统设备的处理后，经县防疫部门对处理后的出厂水和管网末梢水进行水质检测，含氟量均≤1.0mg/L，其它指标也正常。经过处理的水达到国家生活饮用水标准。经成本核算，每方水处理费用约0.4元。结果表明该技术具有价格低廉,活化、再生容易，除氟效果好等优点。