改性沸石除氟技術在廣饒縣農村集中供水工程中的應用

劉懷紅

（廣饒縣水利局，山東 廣饒 257300）

廣饒縣位于黃河三角洲東營市的最南端，地處泰沂山北麓山前沖淤積平原和黃泛平原交迭地帶，總面積1138km2，轄8個鄉鎮、2個街道辦事處，553個行政村，總人口49.3萬人,其中鄉村總人口42.4萬人。

1 農村集中供水工程概況

2005年以來，該縣以“農村供水城市化、城鄉供水一體化”為目標，按照“規模化發展、標準化建設、專業化經營、規范化管理、用水戶參與”的原則，因地制宜，科學規劃，全面組織實施了農村集中供水工程。工程實施中，結合該縣實際，把水質問題作為工程建設的首要環節，在高氟水區建立了集中除氟站，通過除氟系統設備的處理和消毒處理后，使其含氟量達到國家飲用水標準規定的范圍；在其他飲水不安全區域，增大機井深度，加大水源井出水量，達到農村飲水安全標準。截止目前，累計投資1.55億元,建成鄉鎮管理中心15處，新打配套350～613m的深井97眼，鋪設主管道1183km、村級公路7398km，建成除氟改水系統工程6處、蓄水池6座、加壓泵站6處，安裝變頻恒壓自動供水設備97臺，建設水質檢測中心1處、信息化系統工程4處。經過5年奮戰，全縣農村實現了集中供水全覆蓋和24h不間斷供水，形成了以縣城和鄉鎮行政區域為單位的集中供水網絡。42萬農村群眾全部喝上了符合國家《生活飲用水衛生標準》的自來水，農民群眾的生活質量、衛生條件得到很大改善。

2 地下水質特性

廣饒縣的水文地質條件和水系分布南北不同,水資源空間分布差異較大。小清河南部井灌區淺層及深層地下水為淡水，水質良好，取水方便，供水穩定。小清河以北地區，淺層地下水為咸水和微咸水，僅深層地下承壓淡水可以利用，但資源量有限，水質含氟量超過生活飲水標準。小清河以北地區中深層及深層地下淡水PH值一般在8.3～8.8之間，總硬度在 45～300mg/L，礦化度一般在 0.45～0.85之間，含氟量偏高，一般在 1.2～4.0mg/L之間。陳官鄉、丁莊鎮尤為突出，陳官鄉和丁莊鎮分別高達10.8mg/L和4.6mg/L。中深層及深層地下咸水化學類型均為氯化物鈉型水。

3 高氟水的危害特征及防治

3.1 高氟水的危害特征

長期飲用氟含量大于1.0mg/L的水能導致氟中毒。氟中毒是一種全身性疾病，主要表現在牙齒和骨骼上。氟對牙齒的損害表現為氟斑牙，俗稱“黃牙”。氟對骨骼的損害主要表現為腰腿及全身麻木、疼痛、骨關節變形，出現彎腰駝背，發生功能障礙乃至癱瘓，喪失勞動能力或生活不能自理，醫學上稱為氟骨癥。氟中毒還表現為神經系統、腎臟、內分泌、肌肉等損害。氟中毒病人常見的癥狀有頭痛、頭昏、困倦無力、萎靡不振、記憶力減退、食欲不振、四肢關節疼痛、晨起加重、活動后緩解、四肢麻木、蟻走感、失眠等。長期飲用高氟水對兒童的智力和生長發育將產生不良影響。患病者年齡最小的只有七、八歲，最大的72歲，尤其是對妊娠期婦女健康影響更為嚴重，會引起產后癱瘓，氟中毒不僅給病人帶來精神和肉體上的痛苦，而且給家庭和社會帶來沉重的經濟負擔。

3.2 氟危害的防治

長期飲用高氟水導致的氟中毒目前無論國內還是國外都無特效療法。因此，消除氟中毒的根本還是改變高氟水源和理化除氟，切斷人體過高攝入氟的途徑，即改水降氟。解決高氟水的措施主要有兩種。一是用達標水源替代高氟水源。一般是異地取水遠距離調水，通過集中供水工程把水送往千家萬戶。這種辦法，一次性投資大，且要求有可靠的水源。二是設施凈化處理。即通過水處理設備對現有水源進行氟吸附處理使其達到飲用水標準。這種方法可利用當地水源，一次性投資小。結合廣饒縣北三鄉鎮地下水含氟超標的問題，在認真分析水源水質狀況的基礎上，先后考察國內除氟改水先進經驗，反復比較論證除氟工藝，最終確定了采用國內先進的改性沸石除氟改水的工程技術方案，建設集中除氟站，解決飲水安全問題，讓農民喝上衛生水、健康水。

4 改性沸石除氟技術的應用

4.1 技術特點

該技術處理流程簡單合理，易于操作維護；一次性投資小，設備運行成本低；自動化程度高，便于控制管理；運行可靠、處理效果穩定；再生操作簡單，再生周期長；再生液可以直接排入排水管網，不會產生二次污染，不會對人體產生危害。

4.2 工作原理

除氟裝置內設濾料，當原水流經濾層時，水中過量的氟離子被濾料吸附，從而去除水中多余的氟離子，使其氟含量達到國家飲用水標準規定的范圍。除氟裝置運行一段時間后，用明礬溶液進行沖洗。

4.3 運行參數

ZSKF 粒徑：0.5～1.8mm 均勻系數： 1.2～1.6

濾層厚度：〉1600mm 去除容量：1‰

濾 速：5～8m/h 沖洗強度：10～12L/(m2·s)

沖洗時間：5～10min 再生藥劑：濃度5%的明礬

再生方式：24h浸泡或循環10h

再生周期：隨濾料的裝填量而變化

濾料接觸反應時間：10～15min一般設計7d

4.4 1ZSKF除氟機理

ZSKF高效除氟濾料的結構一般由三維硅 （鋁）氧格架組成，其基本單元是以硅為中心和周圍4個氧離子排列而成的硅氧四面體[SiO4]。如果硅氧四面體中的硅被鋁離子所置換，則形成鋁氧四面體。鋁是+3價的，這樣鋁氧四面體的4個頂角中的氧離子有1個得不到中和，因而出現了負電荷。

在ZSKF經特殊的物理及化學改性及活化后,在ZSKF（化學組成簡寫MxPy-R）中靠正電荷維系的（MxDy）+被K+交換的同時具有較強極性的鋁的羥基絡合物 Al（OH）2+因富含正電荷，將K+在交換過程中進行電荷傳遞的功能作為一種特殊的水合陽離子，在ZSKF表面發生吸附作用，而SO42-則與鋁的羥基絡合物配位，以維系電價平衡。反應過程表示為：

當ZSKF與含氟原水接觸時，電負性極強的F-將取代SO42-，同時含氟水中的MxDy進入ZSKF的孔道中，與ZSKF孔道中的K+發生一定程度的交換。反應表示為：

4.5 再生機理

吸附飽和的ZSKF用硫酸鋁鉀溶液再生。當ZSKF被浸入到硫酸鋁鉀溶液中時，化學平衡被破壞，氟被高濃度正電荷的鋁的羥基絡合物吸引，隨著硫酸鋁鉀溶液被排出，而硫酸鋁鉀中的K+重新與（MxDy）+發生交換并進入ZSKF孔道中。過剩的鋁和羥基絡合物重新借助K+在交換過程中進行電荷傳遞作用，在ZSKF表面吸附聚集，反應表示為：

4.6 除氟工藝

該工藝是采用一種天然礦石，經粉碎使其控制在一定的粒度范圍內，再用一定濃度的鹽酸浸泡、清洗、干化后即可得到所需要的除氟濾料。將濾料用一定濃度的鋁鹽溶液浸泡使其活化，用清水沖洗后就可以過濾高含氟水，控制一定的濾速和勾兌水量就可以制得含氟量穩定且符合飲用水標準的凈化水，運行失效后，通過再生恢復其除氟效能。利用本技術生產的凈化水中鋁離子的含量符合飲用水衛生標準（即小于0.2mg/L）。

4.7 工藝流程及主要設備說明

通過對深井提升泵配置變頻器，可以根據用戶的用水量變化動態改變深井泵的提升量，從而改變系統的處理量。提升上來的地下水，直接進入ZSKF高效除氟設備中進行除氟處理，水中的氟在ZSKF高效除氟設備中有效的被去除（如圖1）。

控制系統可以根據用戶要求做成手動和全自動運行兩種類型，并設置旁通應急供水管路。在總供水管道上安裝流量傳感器與深井提升泵變頻器連接，當用水量發生變化后，流量傳感器指示變頻器發生相應的變化，從而指示深井提升泵改變提升量；同時，當設備故障或者后端用戶用水量驟增而超出設備處理能力時，可以通過旁通應急供水管路臨時補水。

圖1 工藝流程圖

5 結論

除氟設備工程自2007年投入運行以來，運行狀況良好。源水通過除氟系統設備的處理后，經縣防疫部門對處理后的出廠水和管網末梢水進行水質檢測，含氟量均≤1.0mg/L，其它指標也正常。經過處理的水達到國家生活飲用水標準。經成本核算，每方水處理費用約0.4元。結果表明該技術具有價格低廉,活化、再生容易，除氟效果好等優點。