農(nóng)村降氟改水的研究
摘要：對幾種不同絮凝劑的降氟改水效果進行了比較研究。實驗研究發(fā)現(xiàn)，利用Al2(SO4)318H2O，PAC，Al(Cl)36H2O，WS-F與MR等絮凝劑，可將水中氟化物含量降低至我國生活飲用水衛(wèi)生標準以下。尤其是WS-F與MR在投加量和溫度影響等方面都明顯優(yōu)于其他3種絮凝劑，可較好地解決高氟地區(qū)的飲水問題。
關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)工程；降氟改水；研究；絮凝劑；農(nóng)村。
0引言
氟作為機體生命活動必需的微量元素，具有多方面的生理作用，但是如果攝氟量過高，將對機體產(chǎn)生一系列毒副作用，嚴重危害人的健康。地方性氟中毒（簡稱地氟。┦鞘謴V泛的一種生物地球化學性疾病，飲水型地氟病是我國病區(qū)分布最廣、患病人數(shù)最多的一種類型。我國有近1億的人居住在高氟地區(qū),病區(qū)分布29個省區(qū)。
改水即停止飲用致病水和改為飲用符合“生活飲用水衛(wèi)生標準（TJ20-76）”的水，是防治水致疾病的有效手段。目前，氟中毒沒有特效藥治療，對于飲水型氟中毒最好的防治措施就是改水。世界衛(wèi)生組織建議飲用水中氟化物限值為1.5mg/L。我國生活飲用水衛(wèi)生標準（GB5749/85）規(guī)定，氟化物含量不得高于1mg/L。
1989年，農(nóng)村改水的降氟技術(shù)和設備調(diào)查協(xié)作組調(diào)查研究認為，化學沉淀法降氟成本高且水質(zhì)差不宜推廣。
1降氟改水的研究現(xiàn)狀及要解決的問題
目前，我國飲水型高氟區(qū)降氟改水主要采用家用除氟器、集中式改水降氟設施和打深井等方法。但是，由于我國的高氟區(qū)絕大多數(shù)是在農(nóng)村，屬于貧困地區(qū)，飲用高氟水的居民比較分散，加上經(jīng)濟文化、習慣等多方面原因，在這些地區(qū)推廣合適的降氟改水方法需要具備以下特點：一是降氟改水設備投資少，價格低；二是效果要可靠、穩(wěn)定，設備易于操作；三是沒有安全隱患，不涉及或不常涉及有損人體健康的化學藥劑；四是設備使用壽命長；
五是運行費用低；六是能夠保證設備一年四季正常運行。
2實驗研究方法及實施
2.1降氟方法及工藝路線設計
本研究采用的降氟方法是絮凝沉淀法，即在高氟水中加入絮凝劑，采用機械或人工攪拌，使原水充分混合，靜止沉淀；然后對上清液進行過濾，對濾后的水進行降氟效果檢測。常用的絮凝劑有硫酸鋁、氯化鋁和聚合氯化鋁（簡稱PAC）等鋁鹽。本研究其具體工藝路線如圖1所示。
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2.2含氟水的來源和水質(zhì)
本實驗采樣自配含氟水（4mg/mL）和天然含氟地下水。天然含氟地下水取自江蘇徐州地區(qū)含氟超標壓地井水，作為含氟原水用。
3試驗研究
3.1試驗方法設計
首先，取一定量的上述原水置于玻璃燒杯中，加入一定量的絮凝劑，人工攪拌或電磁攪拌后進行靜止沉淀；然后，檢測上清水中氟含量或者對上清水進行過濾（用定性濾紙）；再測定濾后水中氟含量，同一種絮凝劑不同投加量的降氟效果，pH值變化、攪拌時間、沉淀時間、攪拌速度以及原水水溫對絮凝劑的降氟效果的影響；最后，分析絮凝劑對原水水質(zhì)的影響。
3.2幾種絮凝劑的降氟效果
3.2.1氯化鋁、硫酸鋁及聚合鋁的降氟效果
硫酸鋁（Al2(SO4)318H2O）、結(jié)晶氯化鋁（Al(Cl)36H2O）和聚合鋁（[Al2(OH)nCl6-nXH2O]m，m≤10,n=1~5）的降氟效果分別見圖2、圖3和圖4所示。其中，高氟水均采用人工配制。
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3.2.2 WS-F降氟劑和MR高分子絮凝劑的降氟效果
WS-F降氟劑是針對凈化含氟地下水設計制造的。MR高分子絮凝劑是國家發(fā)明專利產(chǎn)品，它是以食用菌作主要原料加工制作的產(chǎn)品，在降氟改水試驗中作為助凝劑。以上兩種藥劑經(jīng)江蘇省疾病預防控制中心毒性檢驗，結(jié)論為無毒級。
1)人工配制高氟水WS-F降氟劑和MR高分子絮凝劑降氟實驗。WS-F投加量與出水F-濃度的關(guān)系見圖5所示。
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2)MR高分子絮凝劑在降氟改水試驗中作用。
MR高分子絮凝劑作助凝劑，如單用MR高分子絮凝劑并沒有除氟效果，但其與WS-F聯(lián)合使用時，可使WS-F產(chǎn)生的絮凝體顆粒明顯增大，澄清速度加快。通常需要4～6h才能絮狀物沉淀到底的WF-F投加MR高分子絮凝劑,其沉淀時間可減少到30min以內(nèi)，上清水清轍透明，過濾速度加快。收取上清水和濾后水進行檢測，對同一種含氟原水試驗經(jīng)處理后水中氟含量都很接近。對不同濃度的天然含氟水，在投加相同量WS-F和MR情況下的降氟效果見圖6所示。
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3.3幾種絮凝劑試驗結(jié)果的分析和對比
以上各絮凝劑的試驗結(jié)果都是在較佳條件下進行的。試驗表明，以下因素對絮凝沉淀和最終處理都有一定影響。
3.3.1水樣pH的影響
pH值對絮凝沉淀的效果有直接影響。把同一種水樣調(diào)成不同pH值，投加WS-F0.65g/L,MR 1mg/L，其除氟效果見圖7所示。
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飲用水適宜的pH值范圍為6.5～8.5，而降氟效果最佳pH值范圍為7.5～8.5。pH值對硫酸鋁、氯化鋁和聚合氯化鋁等鋁鹽絮凝劑在降氟改水時同樣也有顯著的影響。當pH＞8.5時，Al(OH)3膠體離解而成為帶負電的鋁酸鹽；當pH值＜5時，因吸附原水中的SO42-而帶負電。因此，鋁鹽作絮凝劑時要獲得良好的絮凝效果，要求pH值控制在5.5～8.5。
3.3.2攪拌時間的影響
絮凝劑加到水中時，為了加速與水中F-的接觸，需進行攪拌。由于絮凝劑在投加前已經(jīng)配制成溶液水，所以攪拌時間不需過長即可達到絮凝反應的目的。通常攪拌5min即可，如攪拌時間再延長，對降氟效果亦不會有提高。但如果以高分子絮凝劑作助凝劑配合使用，在投加高分子絮凝劑以后，攪拌力度適當加大，攪拌時間較長些，有利于絮凝體的增大和密實，一般需再攪拌3min以上。
3.3.3絮凝劑沉淀時間的影響
1)采用硫酸鋁進行絮凝沉淀試驗時，所產(chǎn)生的絮凝體很細且疏松，沉淀效果很差，上清液出現(xiàn)很慢，需靜止沉淀4h以上，上層清水分層才明顯。但即使如此，上清水仍有較細小顆粒，而且稍有晃動下沉的絮花又會上浮。因此，這種水測處理后的氟都需要經(jīng)濾紙過濾。
2)采用氯化鋁進行絮凝沉淀，所產(chǎn)生的絮凝體比采用硫酸鋁要好些，上清水的分層比較快，但形成的絮凝體仍然較輕，清水層的細小顆粒仍較多，測量上清水氟含量需過濾。
3)聚合氯化鋁進行絮凝沉淀產(chǎn)生的絮凝體比氯化鋁還要好些，形成的絮狀物比較大，沉降時間亦較快，但仍然有較多的細小顆粒在上清水中。試驗杯中，絮凝體沉降后稍有晃動絮花容易翻起，但比沉降速度比硫酸鋁和氯化鋁都快。
4)用WS-F除氟劑進行絮凝沉淀試驗，形成的絮凝體密實，沉淀速度快，特別是與MR高分子絮凝劑配合使用。在攪拌停止后，可看到成片狀的絮狀物隨著沒有停止的水流轉(zhuǎn)動，同時快速地下沉。在水體停止轉(zhuǎn)動約3～5min內(nèi)，絮狀物基本都已沉到底部，而且沉淀物體積小，上清水中細小顆粒少，水質(zhì)清澈透明，沉淀物少，有晃動時也不翻起，如用玻璃棒強行再攪拌，二次沉淀速度仍然較快。
3.3.4攪拌速度的影響
投加硫酸鋁和氯化鋁后，攪拌速度不宜過快。這是因為硫酸鋁和聚合鋁產(chǎn)生的絮花本來就細松，攪拌過快會打碎絮花，沉淀效果會差。采用人工攪拌時，控制攪拌速度為30～60r/min。攪拌開始時需稍快些，攪拌停止前要慢些。投加聚合氯化鋁和WS-F與MR藥劑的攪拌速度比前述兩種藥劑要快些。其原因是這些藥劑分子量大，為了均勻分散于水中與F-接觸，開始需快速攪拌。人工攪拌可控制在60～80r/min，攪拌停止前可適當慢些。
3.3.5原水水溫的影響
試驗表明，各種絮凝劑在冬天試驗時絮凝效果差，絮凝速度慢。其原因是由于上述鋁鹽絮凝劑在水解時是吸熱反應，水溫低時，水解困難；其次，水溫低粘度大的情況下，水中的其它物質(zhì)如（F-）運動減慢，彼此接觸的機會減少，不利于相互凝聚；水的粘度大時，絮凝體的成長受到阻礙，因此水溫低的絮凝效果差，只有水溫升高，分子間的擴散速度加大，才有利于絮凝反應的進行。但WS-F和MR絮凝劑在冬天處理天然含氟水時，仍能夠取得較好的效果。
3.3.6絮凝劑對原水水質(zhì)的影響
1)投加硫酸鋁，使水中增加了SO42-和Al3+。飲用水中標準規(guī)定：硫酸鹽濃度不得大于250mg/L。如果原水中SO42-本來就較高，在使用硫酸鋁作為降氟劑時需控制用量，以達到飲用水中鋁的含量需求。鋁元素在生物體中是一種含量極微的不活潑元素，目前尚未證實鋁是人體必須的元素。許多國家對飲用水中鋁元素作為感官質(zhì)量指標制定下限值，如WHO為0.2mg/L，中國為0.2mg/L。投加硫酸鋁作為絮凝劑除氟時，應控制被處理水的pH值，并對處理的水進行過濾，可以使出水的Al3+含量在0.2mg/L以下。
2)投加氯化鋁和聚合氯化鋁作絮凝劑降氟改水時，需注意原水中Cl-的變化。因飲用水國家標準規(guī)定飲水中氯化物含量不得超過250mg/L。如原水中Cl-過高應控制藥劑用量，對Al3+的控制同上。
3)在用WS-F和MR進行降氟改水時，對經(jīng)過絮凝沉淀、過濾以后的出水進行檢測處理結(jié)果，表明水中硫酸鹽和氯化物都小于50mg/L，Al3+的檢測也小于0.2mg/L。
3.3.7幾種絮凝劑降氟效果的比較
4種絮凝劑降氟改水的優(yōu)缺點如表1所示。結(jié)果表明，聚合氯化鋁的處理效果尚可，尤其新型絮凝劑WS-F，MR絮凝劑在絮花密實、沉淀時間、投加量和受溫度影響小等方面具有明顯的優(yōu)勢。
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4生產(chǎn)性試驗實例
為進一步了解WS-F，降氟劑和MR高分子絮凝劑在高氟區(qū)生產(chǎn)性能設備的反應、絮凝、沉淀和固液分離的性能，在徐州高氟區(qū)某鎮(zhèn)的水廠進行了生產(chǎn)性試驗。試驗采用間歇處理工藝，即原深井水用泵提升至反應沉淀池，加入定量的除氟劑和助凝劑，開動攪拌機進行混凝、反應與吸附；然后停止攪拌，靜止沉淀與分層，放出上清水，經(jīng)過濾池打入壓力罐，然后送到用戶。
現(xiàn)場試驗時間是在冬季，平均室外溫度為7℃，試驗在兩座反應沉淀池交替進行。試驗程序：首先在反應沉淀池放滿水；然后開始攪拌，隨后投加定量的WS-F；隨著藥劑溶解、混合、反應、絮凝、沉淀，反應池內(nèi)出現(xiàn)明顯的絮凝體；此時，再投加定量的高分子絮凝劑繼續(xù)攪拌，可看到池內(nèi)絮凝體越來越大，顆粒起來越密實；停止沉淀，觀察沉淀效果，并取上清水進行檢測；隨著沉淀時間延長，上清水高度增加，絮凝體不斷下沉，通過閥門即可分層放上清水進過濾池過濾，濾后水即進入清水池。現(xiàn)場試驗的系列數(shù)據(jù)表明：WS-F降氟劑和MR高分子絮凝劑降氟效果與室內(nèi)小試結(jié)果是一致的。用它進行降氟改水可以有效地控制出水的含氟量。
5結(jié)論
1)實用性。絮凝沉淀法處理高氟水相比活性氧化鋁法、電滲析法和電解絮凝法的工藝設備簡單，操作工藝簡單，設備運行穩(wěn)定，維修率低，容易實現(xiàn)自動化。
2)經(jīng)濟可行性。絮凝沉淀法降氟的改水主要費用是藥劑費用和設備運行費用（電費、設備維修及折舊等）。采用WS-F降氟劑和MR高分子絮凝劑進行降氟改水，其水處理費用低于0.1元/m3。
3)可操作性。絮凝沉淀法的每個工序都有成熟的工藝，技術(shù)難度較小。如用WS-F和MR操作起來更方便，且目前這種處理工藝完全可以用自控來代替人工操作。
參考文獻：
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