平原地区农村安全饮水工程除氟工艺

2022-05-14徐凯

河南水利与南水北调 2022年4期

徐凯

（封丘县大功辛庄灌区事务中心，河南封丘 453300）

1 水文、地质条件

睢县位处豫东平原，属暖温带大陆性季风气候区。多年平均降雨量为701 mm，多年平均蒸发量1 073.20 mm。地表水主要是降雨产生的径流和河流过境水，降雨径流多集中在汛期，利用率极低。

睢县境内的河流均属淮河水系的中小支流，属季节性河道。据《商丘市水资源公报》数据表明，受工业废水和生活污水影响，项目区内各河段地表水污染十分严重，丰水期和枯水期污染状况无明显改变，按照《地面水环境质量标准》，水质类别常年大于Ⅴ类，已不能作为生活饮用水水源。

睢县地层主要有新第三系和第四系松散物积淀而成，一般厚600～1 000 m，蕴藏着较为丰富的地下水。浅层水（埋深60 m以内）地层为第四系全新统河湖相沉积，一般厚度20～40 m，含水层厚5～20 m。中深层地下水（埋深分别为60～170 m，170～500 m），主要蕴藏在第四系中、下更新统与第三系沙泥质砂粒石含水层中，含水层厚度分别为5～10 m、5～40 m。

睢县浅层地下水层属第四系全新统冲积潜水含水层，含水层岩性为粉细砂、细砂、砂礓石；主要补给靠大气降水入渗；由于群众饮水受气候、地质、人为因素影响，中、浅层地下水含氟、含盐严重超标，污染严重。350 m以上深层地下水多为微咸水，不适宜饮用。350 m以下深层地下水，具有水质好、水量丰富，可以作为人、牲畜安全饮用水。

2 除氟工艺

2.1 除氟工艺概述

睢县浅层地下水水质经商丘水环境监测中心化验分析，饮用水中氟含量和溶解性总固体含量等指标严重超过国家饮用水卫生标准。部分地区地下水（井水）含氟量超标，氟是人体中必需的微量元素，水中含氟量在1.00～1.50 mg/L之间时，长期饮用对人体有轻微的不良影响；水中含氟量超过1.50 mg/L时，长期饮用易患氟斑牙和氟骨症，因此饮用水中氟的含量不应超过1.00 mg/L。

睢县附近无可直接饮用的好的地表水源，远程自流引水不现实；结合近几年深井抽水化验，中深层水含氟量超标，不符合饮用水卫生标准，应采用除氟工艺进行处理，处理后的水质应达到《生活饮用水卫生标准》的要求。

除氟工艺在整个供水站工艺流程的位置如图1：

图1 除氟设备工艺图

除氟工艺主要有滤料吸附法、混凝沉淀法和电渗析法，之外，还有反渗透法、电凝聚法、骨碳法等。根据我县水质含氟量，结合除氟设计规程，我县除氟工艺采用滤料吸附法比较经济适用。现在市场上使用的滤料吸附法除氟种类很多，不再一一介绍，主要介绍硅、铝、氧晶格四面体滤料吸附法，以及活性氧化铝滤料吸附法。

2.2 工作原理

2.2.1 硅、铝、氧晶格四面体滤料吸附法除氟工作原理

硅、铝、氧晶格四面体滤料，采用非金属晶核材料和优质硅酸材料，通过改性可吸附水中的阳离子、氟、钼酸根等阴离子和三氯甲烷等有机物。由于滤料材质是硅、铝、氧晶格四面体，铝与硅交换，铝三价，硅四价，缺少一个电荷，通常由材料自身的M（钠、钾等一至三价离子）补充。由于M补充电位时结合很弱，所以当水与滤料接触时，水中的R（氨氮、铁、锰、钙、镁等一至三价所有的阳离子）置换了M，从而达到净水目的，而材料的结构不被破坏。

多功能除氟滤料在吸附铝离子后，在表面及孔隙中形成羟基络合离子团，水中的氟离子F-与多功能除氟滤料的OH-发生离子交换，达到除氟的目的。

2.2.2 活性氧化铝滤料吸附法除氟工作原理

活性氧化铝是白色颗粒状多孔吸附剂，有较大的比表面积，是除氟比较经济有效的方法。活性氧化铝是两性物质，等电点约在9.50，当水的pH值小于9.50时可吸附阴离子，pH值大于9.50时去除阳离子。

因此，在酸性溶液中活性氧化铝为阴离子交换剂，对氟有极大的选择性。

活性氧化铝使用前可用硫酸铝溶液活化，使转化成为硫酸盐型，反应为式（1）：

除氟时的反应为是（2）：

每克活性氧化铝所能吸附氟的重量，一般为1.20～4.50 mg，取决于：原水的氟浓度、PH值、活性氧化铝的颗粒大小等。

2.3 除氟工艺选择

硅、铝、氧晶格四面体滤料吸附法与活性氧化铝滤料吸附法对比见表1。

表1 两种滤料吸附法对比表

两种方法各有优劣，且初次投资相差不大。通过对比，推荐使用硅、铝、氧晶格四面体滤料吸附法除氟。由于活性氧化铝滤料吸附法，初次投资低，过去一直使用此方法，有一定的应用基础，供水站管理人员在多年运用过程中积累了一定经验。根据各乡镇供水厂实际情况，可以选择使用活性氧化铝滤料除氟法。

2.4 滤料的洗脱与再生

2.4.1 硅、铝、氧晶格四面体滤料吸附法滤料的洗脱与再生

当多功能除氟滤料吸附达到饱和时，开始再生。再生时将一定浓度的再生液，通过再生系统打入交换柱，循环100 min，弃掉再生液，无需其他清洗设备即恢复原有功能。

需要连续运行的场合，应选用多罐并联循环再生方式，流速控制在5 m/h流速，水接触多功能除氟滤料应大于15 min，滤料填充高度应大于1.50 m，必须逆流运行。

2.4.2 活型氧化铝滤料吸附法滤料的洗脱与再生

活性氧化铝失去除氟能力后，可用1%～2%的硫酸铝溶液再生，再生反应式为式（3）：

2.5 除氟设备选择

选择除氟设备为碳钢内衬防腐，内填硅、铝、氧晶格四面体滤料。根据各个供水厂（站）最高日平均时供水量，并考虑后期管网延伸等因素，选择合适的除氟设备。

2.6 除氟设备的后期管理

除氟处理系统涉及到物理、化学的处理机制，因此每个管理人员，除具备一定的文化知识外，应在物理、化学等方面有一定的专业知识。为了能够正确操作除氟设备，保证整个系统正常运行，需对除氟设备管理人员进行培训。

处理人员应熟悉所处理原水的水质情况、整个处理工艺流程、原理、每个处理步骤的作用、各步骤处理单元在处理系统中的地位及作用，即应做到懂原理、懂作用、懂技术，熟悉操作的具体步骤，综合分析运行数据，进行工艺调整。

维修工作要求设备维修人员应懂得设备原理，能看懂处理设备的图纸资料，会合理使用工具；应充分掌握处理设备的作用、型号及机械性能；应能正确拆装设备，科学检修，能检查设备中的不正常现象；应熟悉本专业的有关安全知识，能正确处理、应对紧急事故。

2.7 除氟设备的运行费用

根据对除氟设备的使用情况调查，饮用水除氟需增加成本约0.50元/m3。

2.8 废水处理

根据《污水综合排放标准》，含氟废水排放的二级标准为含氟化物量不得超过10 mg/L。在多功能除氟滤料再生处理过程中，大部分含氟浓度较低的流出液可以直接外排，但氟浓度超过排放标准的淋洗液必须处理达标后才能外排。对于高浓度含氟废水，一般采用钙盐沉淀法，即向废水中投加石灰，使氟离子与钙离子生成CaF2沉淀而除去。该工艺具有方法简单、处理方便、费用低等优点。

石灰来源广泛，价格便宜。作为主要的絮凝剂，在除氟过程中主要起沉淀和调节PH值的作用。含氟废水主要含有氟化氢和氟化钙盐。氟化氢（HF）是一种腐蚀性很强的酸。传统的处理方法是用消石灰［Ca（OH）2］进行中和，生成难溶的氟化钙（CaF2），以固液分离手段从废水中去除。

反应式为式（4）：

25℃时，CaF2在水中的饱和溶解度为16.50 mg/L，其中F-离子占8.03 mg/L。这也就是说简单地用Ca（OH）2去中和含氟废水，结果无法达到现行国家废水排放标准。

可以看出，无法达到国家排放标准的根本问题是CaF2在一般温度下饱和溶解度过高。以改变温度的方法改变CaF2的饱和溶解度，能量消耗太高，在工程中几乎无法实现，更换中和剂，价格昂贵，来源困难，也不可行。所以，比较实际的方法是，仍以Ca（OH）2作为中和剂，加大中和剂投加量，应用同离子效应理论，控制处理后出水中CaF2的饱和溶解度，使出水水质符合国家有关排放标准。