高氟水處理方法研究

孫雙來,胡景鵬,何 平

(1.河北省廊坊水文水資源勘測局,河北廊坊 065000;2.河北省衡水水文水資源勘測局,河北 衡水 053000)

0 前言

氟化物是水質的毒理學指標,廣泛存在于自然界的水體中,同時也是人體必需的微量元素之一,飲用水中氟的適宜濃度為 0.5～1.0 mg/L,當人群長期飲用高氟水時會至病,因此高氟水地區(qū)紛紛研究降氟措施,以改善人民群眾的生活質量,確保人民群眾飲水安全。

河北廊坊、滄州、衡水等部分地區(qū)的地下水含氟量較高,一般在 3～5 mg/L左右。一些地方長期飲用高氟水,引起了以氟斑牙和氟骨癥為主要特征的慢性全身性疾病,也即地方性氟中毒?？梢娊捣乃?減少機體對氟的攝入量,達到有效控制地方性氟病流行尤為重要。

1 高氟區(qū)降氟改水物理化學方法

降氟改水措施主要有改換低氟水源或采用物理、化學方法降低含氟量。一般情況下病區(qū)附近沒有低氟水源可用,大規(guī)模引水工程投資很大,一時難以實現(xiàn)。而采用物理、化學方法降氟工藝,目前被各國采用的主要有以下幾種方法:1)活性氧化鋁吸附過濾;2)骨炭吸附過濾;3)鋁鹽混凝沉淀;4)電絮凝;5)電滲析和反滲透等。

2 物理化學方法降氟應用分析

實際改水中應用哪種方法,必須考慮水源的水質(含氟量、其它離子含量等)和水量(供水規(guī)模)。水量較大的水廠如采用電絮凝、電滲析和反滲透工藝投資相當大,一般自來水廠不可能采用,只能是特殊工藝用水采用?；炷恋砉に囎詈唵?不需要設備投資,只要在飲水處理中加大含鋁絮凝劑的投加量,但該工藝只適用于水源中氟含量低于 5mg/L情況降氟處理,用該法在降氟同時會造成等其它離子超標。

目前,國內降氟方法比較成熟可靠的是吸附過濾法。其原理是含氟水通過專用除氟料過濾,氟被吸附在吸附劑表面,生成難溶氟化物。當除氟能力降到一定極限值,即除氟能力達不到規(guī)定值時,需要再生劑再生,恢復吸附劑除氟能力,以此循環(huán)達到除去過量氟的目的?；钚匝趸X和骨炭都是根據(jù)吸附過濾降低氟含量,吸附劑都可再生重復使用,這是目前水廠主要采用的工藝方案,其中以活性氧化鋁工藝應用較普遍。

對于有能力投資的水廠,最好采用活性氧化鋁加 ClO2消毒氧化工藝,對于那些暫時沒有投資能力的水廠應適當加大鋁鹽絮凝劑用量,但應根據(jù)水質情況確定絮凝劑的合適投加量,達到部分降氟效果。有些地區(qū)也可采用飲水與生活用水分質供水方案,投入相對較少的資金,對專用飲水降氟,為周圍群眾提供飲用降氟水。

膜分離技術被稱為“二十一世紀的水處理技術”,自 70年代應用于水處理領域后,得到了廣泛的研究和空前的發(fā)展,受到世界各國水處理工作者的普遍關注,開展了不同水平。不同層次的理論研究和技術開發(fā)、應用。在給水處理領域應用最為廣泛的是一系列的低壓膜,如納濾膜、反滲透膜等。其中,納濾膜法水處理技術以其特殊的優(yōu)勢,獲得了世界各國的水處理工作者的普遍關注,在水處理技術的研究和開發(fā)領域取得了可喜的成績。

3 納濾技術的應用

納濾技術是從反滲透技術中分離出來的一種膜分離技術,是超低壓反滲透技術的延續(xù)和發(fā)展分支。一般認為,納濾膜存在著納米級的細孔,且截留率大于 95%的最小分子約為 1 mm,所以近幾年來這種膜分離技術被命名為:Nanofiltration,簡稱:NF,中文譯為:納濾。在過去的很長一段時間里,納濾膜被稱為超低壓反滲透膜(LPRO:Low Pressure Reverse Osmosis),或稱選擇性反滲透膜或松散反滲透膜(Loose RO:Loose Reverse Osmosis)。日本學者大谷敏郎曾對納濾膜的分離性能進行了具體的定義:操作壓力≤1.50 MPa,截留分子量 200～1000,NaCl的截留率≤90%的膜可以認為是納濾膜?，F(xiàn)在,納濾技術已經(jīng)從反滲透技術中分離出來,成為介于超濾和反滲透技術之間的獨立的分離技術,己經(jīng)廣泛應用于海水淡化、超純水制造、食品工業(yè)、環(huán)境保護等諸多領域,成為膜分離技術中的一個重要的分支。

納濾過程的關鍵是納濾膜。對膜材料的要求是:具有良好的成膜性、熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性、機械強度高、耐酸堿及微生物侵蝕、耐氯和其它氧化性物質、有高水通量及高鹽截留率、抗膠體及懸浮物污染,價格便宜、目前采用的納德膜多為芳香族及聚酸氫類復合納德膜。復合膜為非對稱膜,由兩部分結構組成:一部分為起支撐作用的多孔膜,其機理為篩分作用;另一部分為起分離作用的一層較薄的致密膜,其分離機理可用溶解擴散理論進行解釋。對于復合膜,可以對起分離作用的表皮層和支撐層分別進行材料和結構的優(yōu)化,可獲得性能優(yōu)良的復合膜。膜組件的形式有中空纖維、卷式、板框式和管式等。其中,中空纖維和卷式膜組件的填充密度高,造價低,組件內流體力學條件好;但是這兩種膜組件的制造技術要求高,密封困難,使用中抗污染能力差,對料液預處理要求高。而板框式和管式膜組件雖然清洗方便、耐污染,但膜的填充密度低、造價高。因此,在納濾系統(tǒng)中多使用中空纖維式或卷式膜組件。

在我國,對納濾過程的理論研究比較早,但對納濾膜的開發(fā)尚處于初步階段。在美國、日本等國家,納濾膜的開發(fā)已經(jīng)取得了很大的進展,達到了商品化的程度,如美國Filmtec公司的NF系列納濾膜、日本日東電工的NTR-7400系列納濾膜及東麗公司的UTC系列納濾膜等都是在水處理領域中應用比較廣泛的商品化復合納濾膜。

對于一般的反滲透膜,脫鹽率是膜分離性能的重要指標,但對于納濾膜,僅用脫鹽率還不能說明其分離性能。有時,納濾膜對分子量較大的物質的截留率反而低于分子量較小的物質。納濾膜的過濾機理十分復雜。由于納德膜技術為新興技術,因此對納濾的機理研究還處于探索階段,有關文獻還很少。但鑒于納濾是反滲透的一個分支,因此很多現(xiàn)象可以用反滲透的機理模型進行解釋。關于反滲透的膜透過理論有朗斯代爾、默頓等的溶解擴散理論;里德、布雷頓等的氫鍵理論;舍伍德的擴散細孔流動理論;洛布和索里拉金提出的選擇吸附細孔流動理論和格盧考夫的細孔理論等。

納濾膜的過濾性能還與膜的荷電性、膜制造的工藝過程等有關。不同的納濾膜對溶質有不同的選擇透過性,如一般的納濾膜對二價離子的截留率要比一價離子高,在多組分混合體系中,對一價離子的截留率還可能有所降低。納濾膜的實際分離性能還與納濾過程的操作壓力、溶液濃度、溫度等條件有關。如透過通量隨操作壓力的升高而增大,截留率隨溶液濃度的增大而降低等。

4 結語

無論采用哪種方法降氟,均可采用飲水與生活用水分質供水方案,投入相對較少的資金,對專用飲水進行降氟處理,為協(xié)作區(qū)居民提供安全可靠的飲用水。