高含氟地区地下水及土壤生态治理技术分析

梁翠萍，刘 蕾，于书萍，夏 珺

（1.河南黄河勘测设计研究院北京分院，北京100073；2.天津江河弘元环境技术研究有限公司，天津 300204）

高含氟地区地下水及土壤生态治理技术分析

梁翠萍1，刘 蕾2，于书萍1，夏 珺2

（1.河南黄河勘测设计研究院北京分院，北京100073；2.天津江河弘元环境技术研究有限公司，天津 300204）

通过了解、分析国内高含氟地区氟元素对地下水和土壤的影响，研究现有技术，分析比较各种方案的优劣，探讨了吸氟植物的应用，通过生态修复的方法改善地区的氟污染现状，提出更加经济、合理、环保的方案。

氟；地下水；土壤生态；处理技术；环境修复

1 氟及其影响

1.1 氟与环境

氟是自然界中较为常见的一种元素，分布于岩石、生物、水及大气等各个圈层中，是分布最广泛的元素之一。人对氟的摄取主要是通过饮食而获得，因此水体与土壤中的氟含量与我们人类的生活息息相关，并直接或间接地影响着人们的生存与健康。

我国制定的饮用水标准中氟的含量与国际标准以及其他国家的标准有较大差异，我国规定氟的最优浓度为1mg/L。许多研究成果认为，氟属于对植物有不利影响的元素之一，蓄积过量将会导致植物的生理障碍。如果动物长期摄取高含氟植物，就有可能导致自身氟中毒，危害生命安全，并会通过食物链危及到人体健康。

1.2 氟与健康

氟是人体必需的微量元素，存在于人体的肌肉、骨骼、血液和脏器中，与人们的健康息息相关。人体对氟的摄取主要是通过饮食获得，并在人体内参与正常的新陈代谢的全过程，一般成年人体内含氟量大约有96%集中在骨骼和牙齿中。由于氟的安全阈值过于狭窄，因此增加或减少都会对人体健康产生明显影响。适量的氟可以对人体的生长发育起到促进作用，维持正常的生理功能，如氟磷灰石是组成牙釉的主要成分，可使人的牙齿光滑坚硬，抑制酸化［2］。当人体内缺氟时，会引发龋齿等病症，而如果摄入过多的氟则会引起氟中毒，过量的氟聚积在牙齿及骨骼上，就会导致氟斑牙及氟骨症的发生，由此可见氟对人的影响是很大的。

1.3 地下水中的氟

天然水体中氟有多种存在形式，有可溶的形态的游离阴离子F-、未离解的HF及与铝、铁和硼形成络合物［3］。许多水处理厂常常使用添加氟和明矾凝结的工艺，使氟变成生理活性比较低的氟铝酸盐。

在我国西北、东北及华北等地集中分布有大面积的高氟地下水。以天津市为例，天津市深层地下热水中F-普遍偏高，而F-的含量与温度呈正相关关系，主要原因是由于温度的增高，可以增强颗粒的振动，减少结晶格架的离子结合，加剧化学反应速度，使硅酸盐更易溶解于水。当碱金属硅酸盐分解时，便增强了水的碱性，而水的碱性又反过来强化硅酸盐的溶解度，从而提高了氟在水中的迁移和聚集。

1.4 土壤中的氟

不同土壤的氟含量受岩石、生物、地形、气候等因素的影响差异很大。在我国，各类土壤中的氟离子总体分布趋势是东部以黄棕壤为主，在温带由东向西逐渐减少，向南向北递减［2］。自然土壤中的氟含量由表层向心土层逐渐集中的趋势。据多年研究发现，土壤中的氟分为可溶性、吸附态和固定态3种类型，而其中活性最强的存在形态是可溶性氟。

2 含氟水处理技术

2.1 混凝沉淀法

混凝沉淀法的原理是通过放入混凝剂，使混凝剂溶于水中迅速水解，利用其水解后形成的正电胶粒吸附水中的氟离子，使胶粒相互碰撞凝结成较大的絮状物沉淀，从而达到除氟的效果［5］。目前，较为常用的有明矾、氯化铝、硫酸铝等铝盐。

2.2 钙盐沉淀法

钙盐沉淀法除氟是通过投入钙盐，使其与水中的氟离子相遇形成沉淀而达到目的，常用钙盐有氧化钙、氯化钙、氢氧化钙等。其中，氧化钙主要用于处理含氟较高的工业用水。而氧化钙不适用于处理日常饮用水的原因，是因为在使用氧化钙处理饮用水时会因为氟化钙溶解度的问题，使处理后的饮用水中氟离子浓度达不到饮用标准。钙盐沉淀法具有的优点有方法简便、处理便捷、费用较低等，但也存在着处理后水质不易达标、产生的泥渣处理困难等问题。

2.3 吸附法

吸附法是我国目前应用最广泛的饮用水除氟方法。活性氧化铝、活性氧化镁、沸石、骨炭等是吸附法常用的除氟吸附剂。近年来还报道了应用羟基磷石灰及氧化锆树脂等氟吸附容量较高的材料除氟的论文。环境矿物材料由于其来源广泛、成本低廉和无二次污染等特点，已经被众多的环境工作科技人员关注和重视，被研究应用的环境矿物材料有硅藻土、膨润土、铁矿石、稀土等。

2.4 电凝聚法

电凝聚法主要是利用电解原理对水进行电化学处理，在电解铝过程中产生羟基铝络合物和Al（OH）3凝胶的络合凝聚作用而实现除氟的方法［6］。使用该方法除氟时，不会产生污染，而且除氟效率高，设备简单，管理方便，处理水体中的氟含量能够达到饮用水标准。但电凝聚法除氟存在着两极容易钝化，铝材消耗量较高等问题，除氟能力会随着电极钝化而降低，需要在节能方面再做突破。

2.5 离子交换法

离子交换法是通过离子交换树脂的交换能力将水中的Fˉ交换来到达除氟目的的一种方法［6］。其不足之处是在去除掉水中的矿物质时引入了胺类有机物。离子交换树脂去除水中氟离子的方法操作简便，除氟效果稳定，但离子交换法对废水水质要求严格，且成本费用较高。

2.6 膜滤法

该方法是利用特殊的反渗透膜在压力作用下除氟，使水分子在压力作用下通过半透膜，而氟离子及绝大多数盐类物质则不能通过，从而达到除氟的目的［6］。此项技术不需添加任何药剂，除氟效率高且稳定，但由于是在压力条件下运行设备，会对半透膜的质量、操作熟练度，技术管理的要求较高，耗电量较大，且装置比较复杂，设备相对昂贵，相应处理成本也较高，目前应用较少。

3 含氟土壤治理方法

3.1 土壤修复法

土壤水溶态氟含量与土壤有机质、成土母质、土壤质地、土壤pH值及气候条件等密切相关［1］。土壤中氟的重要吸附剂有土壤腐殖质、有机质、水和氧化物等，利用有机物材料修复土壤污染，可以使土壤中水溶性氟含量降低。

为了降低土壤中氟化物活性，减轻污染程度，可以使用磷酸盐、活性氧化铝、生石灰、活性氧化镁等化学改良剂，但具体实施时可能对地下水环境产生影响，造成污染。研究表明，石灰与磷酸二氢钾的混合试剂能较好地改善土壤水溶态氟环境质量［1］，能降低土壤氟含量，也可以在一定程度上增强土壤肥力，具有一定的适用性，但这种方法的操作周期比较长。同时，也可以利用土壤中的竞争吸附作用来减低土壤中的氟含量。例如，低分子量有机酸就对土壤中的氟有一定影响。在低分子量有机酸存在的土壤中，有机酸浓度低时，土壤中的氟含量随之升高而增加；浓度高时，氟含量随之升高而降低，两者之间存在着极其显著的正相关或负相关的直线关系。

3.2 生态植物治理方法

植物体内氟的背景浓度一般都较小，聚积过量的氟就有可能导致中毒，并危及动物和人类的健康。但在有高含氟土壤的地区，有些植物能正常生长并吸收土壤中大量的氟，植物叶片中的氟含量甚至能高达1100mg/kg［2］。

在大多数地区，植物积累氟的重要途径是通过根系从土壤中吸收氟。同一植物的不同组织对氟的吸收和积累存在着很明显的差异。一般而言，氟大量的聚集在新陈代谢旺盛的器官中，而营养贮存器官的氟积蓄量就相对较小，即其含量变化普遍呈现出由根向茎与叶及果实的递减趋势（如表1）。氟元素在水稻中的含量最符合上述规律，并且在叶菜的主要食用部分富集程度较高，对人体危害程度极大。

为了降低人体摄入氟过量的风险，应将含氟水及含氟土壤对农作物的影响尽可能降到最低程度，因此尽量在受氟影响较大的地区种植以籽粒和茎干为主要食用部位的氟富集能力较弱的作物品种。同时，在这些地区也可以选用种植吸氟量较大而对自身危害较小且具有抗氟性的植物。对氟具有良好的吸收作用并且对自身生长发育影响较小的植物，有国槐、刺槐、合欢等，并且可以运用生态地质学的理论适当配置一些耐氟污染的树木，如大叶黄杨、女贞、梧桐等，使树木的积累、净化作用发挥最大的作用，降低氟污染，预防氟危害。

表1 某村大米及蔬菜氟含量［4］ 单位：mg/kg

4 结语

目前用于水体氟污染修复研究的水生植物大部分是沉水植物和漂浮植物，与陆生植物一致的是不同水生植物及同一水生植物的不同组织对水体氟的吸收、蓄积能力也都有明显的差异，水体氟对植物的生长、形态及光合作用都有不同程度的影响，因此随着水生环境的变化，吸氟植物的筛选也要因地制宜地发生改变，尽可能采用当地植物而不引用外来物种进行治理。这一方法的研究目前还处于初级阶段，植物修复理论技术尚在研究阶段，因此大规模的推广应用必须十分谨慎，要避免产生二次污染而影响生态环境质量或通过食物链转移到人体中。

［1］杨英，赵彦琦，田采霞.铝厂附近农田土壤氟污染现状及防治措施研究［J］.环境科学与管理，2013，38（5）：75-78.

［2］利锋.土壤氟与植物.广东微量元素科学［J］.2004，11（5）：6-10.

［3］陈丽慧，熊治廷.水体氟污染的植物修复与毒性［J］.环境科学与技术，2011， 34（4）：60-63.

［4］周兰玲，兰德.温泉型氟中毒地区环境本地高氟对农作物及人体健康的影响 ［J］.南昌大学学报工科版，2008，30（3），215-219.

［5］吴倩，李晓凯，申亮.高氟地下水处理技术现状［J］.辽宁化工，2011，40（4）：355-356.

［6］陈维杰.高氟地下水的致病风险与处理技术［J］.饮水安全，2013（13）：49-51.

Technical analysis of groundwater and soil ecological management in high fluoride areas

LIANG Cui-ping1，LIU Lei2，YU Shu-ping1，XIA Jun2
（1.Beijing Branch of Henan Yellow River Reconnaissance Desing and Research Institute， Beijing 100073，China；2.Tianjin Jianghehongyuan Environmental Technology Research co.,LTD， Tianjin 300204，China）

In this paper， the influence of high fluoride on groundwater and soil is analyzed， the comparison of pros and cons of different methods is made with the existing technology，and the application of plants that absorbs fluoride is discussed.With the method of bioremediation to improve the current situation of fluorine pollution， a more economical，reasonable and environmental protection scheme is put forward.

fluorine； groundwater； soil ecology； processing technology； environmental remediation

X523

B

1672-9900（2015）02-0059-03

2015-01-14

梁翠萍（1984-），女（汉族），河北张家口人，硕士，主要从事水资源研究与设计工作，（Tel）13641266281。