简论电渗析与反渗透技术在沧州农村分质供水中

　摘要：河北东部平原靠近渤海的沧州地区，由于浅层地下水苦成，深层地下水高氟，农村饮用水质严重不达标。为了改善饮水状况，近年来该市采用电渗析与反渗透技术进行除盐、降氟，实施农村分质供水，大大提高了人们的生活饮用水质量。通过两种除盐、降氟技术的应用实例，分析比较了两种技术设备的水质处理效果，为进一步推广应用提供技术参考。
　　关键词：高氟水；苦咸水；电渗析；反渗透；农村饮水；处理效果
　　　　
　　1、研究背景
　　
　　我国东部环渤海一带，包括天津南部、河北东部、山东北部的部分地区，浅层地下水苦成，深层地下水高氟，有些地方还会高氟、苦咸伴生出现，特别是河北的沧州地区，是重中之重。沧州市的青县、吴桥、东光、沧县、南皮、黄骅等县(市)是全省乃至全国较为严重的苦咸和高氟水地区。据2005年沧州市农村饮水调查和化验结果显示，全市560.4万农村人口中有267.96万人饮水不安全，其中水质不达标饮用高氟水的有199.89万人，饮用苦咸水的有37.71万人。
　　沿海地区的苦咸水主要是海水入侵造成的，长期饮用苦咸水导致肠胃功能紊乱、免疫力下降，诱发和加重心脑血管疾病。氟是人体必需的微量元素之一，饮用水适宜的氟浓度为0.5－0.1 mg/l。当饮用水缺氟，人易患龋齿病，摄取过量也会损害人体健康。如长期饮用氟含量浓度高于1.0 mg/l的水，则会引起氟斑牙病，长期饮用氟含量浓度为1.5 mg/l以上的高氟水，会引起氟骨病。沧州市的氟病是由于大量饮用深层地下水造成的，人群普遍出现弯腰驼背、脊椎变形、牙黄黑、手脚关节增生肿等现象，青少年牙齿普遍出现了“氟斑牙”，氟斑牙患病率达90％，已引起了该市对这种特殊水质的高度重视。2001年以来，沧州市利用电渗析技术实施苦咸水淡化和降氟改水工程，后来发展利用反渗透技术，现在又探索使用活化沸石分子筛等吸附降氟技术，截止到2009年，全市已安装水处理设备475台，其中电渗析436台，反渗透39台，安装苦咸水淡化设备37台，使525个村、48.6万人饮用上了合格的卫生水。利用电渗析、反渗透两种方法实施苦咸水淡化或降氟，是采用除盐的办法，通过去除普遍的阴离子而去除氟离子。
　　
　　2、除氟改水技术在沧州的应用和发展
　　
　　除氟改水技术在沧州应用和实施始于20世纪80年代。80年代中期，在沧州地区推广了家庭式除氟罐。该设备利用离子交换原理，用粒状除氟剂进行除氟，其效果尚可，但由于除氟剂使用期短，处理后水的口感不好等原因，逐渐被人们放弃。80年代中后期，农村改水降氟主要采用以胶泥作为吸附剂的方式，在防渗坑塘边修建渗透井，渗透井与坑塘间用一定厚度的胶泥做间隔，坑塘中的高氟水通过胶泥层流入渗透井中以达降氟的目的。但这种方式供水量小，同时胶泥存有吸附饱和问题，加之卫生、管理等因素的影响，原修建的坑塘现已踪影全无。沧州市为了解决农村饮用高氟水和苦咸水问题，近几年，又利用电渗析、反渗透技术实施苦咸水淡化和改水降氟工程，实行农村分质供水，大大提高了人们的生活饮用水质量。下面通过对两种除盐、降氟技术的应用实例，分析比较了两种技术设备的除氟、脱盐效果，为进一步推广应用提供技术参考。
　　2.1　电渗析、反渗透设备淡化处理苦咸水的案例分析
　　电渗析(ed)法是利用离子交换膜，在直流电场的作用下，溶液中可溶性离子迁移，离子可以有选择地透过，即阴离子膜仅允许阴离子通过，而阳离子膜则仅允许阳离子通过。通过离子交换膜得到分离，以达到除盐和降氟的目的；反渗透(r0)法是在浓溶液一边加上比自然渗透压更高的压力，改变自然渗透方向，把溶液中的离子压到半透膜的另一边，借助于半渗透膜的选择截留作用，将溶液中的溶质与溶剂分开的分离方法，将原水中的无机离子、细菌、病毒、有机物及胶体等杂质去除，以达到除盐和降氟的目的。
　　本文结合农村分质供水示范课题，在黄骅市旧城镇小六间房村，建成苦咸水淡化分质供水示范点一处，先后对同一水源采用两种技术设备进行过咸水淡化处理。具体情况为，该村有村民980人、270户，村中饮用水水源为浅层地下水，原水中含盐量大于2.0 g/l，浅层地下水抽出后经自来水管道直接输送至各家各户，每天中午定时供应1 h，另处安装苦咸水淡化设备一套，供村民生活饮用水。在2009年12月28日前建有供水量1.0 m³h的电渗析设备1台，之后拆除立即更新为供水量0.5 m³/h的反渗透设备，村民自备桶到净化站接水，淡化的桶装水0.5元/25 l，村民只有饮用时才使用经处理后的桶装水，做饭、洗衣、清洁用水大都使用自来水。经河北省水环境中心石家庄分中心的水质检测分析，两种设备淡化效果如表1。
　　从表1看出，电渗析水处理设备对硫酸盐、高锰酸盐指数、钠、氟化物、硝酸盐氮、溶解性总固体、总硬度、氯化物的去除率从低到高在45.7％－86.5％之间，硫酸盐去除率最低45.7％，氯化物去除率最高86.5％，氟化物去除率为75.2％；反渗透水处理设备从低到高在80.3％－100％之间，氟化物去除率达到了100％。两种水处理设备出水水质均达到了我国生活饮用水卫生标准。总体比较，反渗透设备处理水质优于电渗析设备处理水质。
　　2.2　反渗透、电渗析设备净化处理高氟水的案例分析

　2.2.1　反渗透设备降氟案例分析
　　黄骅市南排河镇赵家堡村，有村民3 300人、1 100户，过去靠一眼深井维持全村吃水，由于井位浅，地下水位下降，出水量降低，且水质高氟，不能满足饮水安全需求。为改善该村饮水状况，结合《农村分质供水技术集成与示范》课题和农村饮水安全工程，2007年该村新打650 m深机井l眼，出水量50 m³/h，埋设了地下管道向村民每天定时供应自来水，供村民做饭、洗衣、清洁等用水使用。同时安装了上海itt水处理公司的5.5 m³/h反渗透设备，建成改水降氟分质供水示范工程一处，向村民供应桶装净化水，解决了村民吃水难和喝高氟水的问题。经河北省水环境中心石家庄分中心2009年u月5日水质检测分析，水质净化效果如表2。2009年4月9日黄骅市疾病预防控制中心也对该村饮用水质进行了检测，水质净化效果如表3。
　　从表2看出，高锰酸盐指数指标去除率均最低，为23.9％，其他指标去除率均在70％以上，其中溶解性总固体、氟化物、硫酸盐、氯化物和溶解性铁指标去除率均在75％以上，从表3看出，5项指标去除率在76.2％以上，氟化物、氯化物、总硬度去除率在93.2％以上。两检测结果均达到了我国生活饮用水卫生标准。
　　2.2.2　电渗析设备降氟案例分析
　　结合《农村分质供水技术集成与示范》课题，在东光县大

单镇砥桥村建电渗析降氟分质供水示范工程一处：该村人口1000人、280户，有400m深井1眼，出水量50m³/h，每天向村民供应洗衣、做饭、清洁等生活用自来水1 h，另安装1.0m³/h的电渗析降氟水处理设备，处理水制成每桶18.9 l的桶装水，向村民供应标准桶装生活饮用水，每桶定价0.5元，由每家换桶自取。经河北省水环境中心石家庄分中心2009年11月5日水质检测分析，水质净化效果如表4。
　　从表4看出，高锰酸盐指标去除率均最低为2.3％，氯化物指标去除率最高为85.1％，氟化物和溶解性铁指标去除率较低，分别为51.5％和50％。其他指标去除率在70.9％－77.1％之间，氟化物指标略超，超标倍数0.11，但也不超过农村小型集中式和分散式供水指标限值1.2 mg/l范围。
　　电渗析、反渗透设备降氟净化效果比较：从表2至表4总体对比分析，反渗透设备指标去除率和降氟效果优于电渗析设备。
　　
　　3、电渗析、反渗透技术多测点除氟脱盐效果分析
　　
　　在机井原水水质方面，由于受自然条件、降雨补给条件、水文地质条件、成井深度等诸多因素的影响，不同机井的原水水质是不相同的。即使同一眼机井在不同季节、不同开采时段的水质指标含量也有差别；在净化水水质方面，由于各水处理设备生产厂家制造设备使用的材料、制造工艺、设计参数不同，所以处理后净水水质指标含量也存在着差异，所以水处理分析单测点个别案例可能存在着片面性，代表性不强，下面利用实测多测点水质处理数据，分析比较电渗析与反渗透的除氟、脱盐水质净化效果。采用美国哈希公司pcⅱ型单参数水质分析快速测氟仪检验水质的含氟量，同时用tm－03防水型电导仪检测水质的电导率，检测电渗析设备处理深井水水质降氟水样14个(表5)，检测反渗透设备处理深井水水质降氟水样6个(表6)。检测结果对比分析，电渗析设备净水含氟量指标范围0－1.0，反渗透0－0.1；电渗析设备净水电导率指标范围32－544，反渗透25－131；电渗析设备除氟率范围64.3％－100％，反渗透94.1％－100％；电渗析设备脱盐率范围73.8％－98.6％，反渗透94.2％－99.1％；电渗析设备除氟率平均值83％，反渗透96.7％；电渗析设备脱盐率平均值88％，反渗透96.3％；电渗析设备脱盐率平均值，高于除氟率平均值，相反反渗透设备除氟率平均值高于脱盐率值；总体分析，反渗透设备无论是除氟还是脱盐均优于电渗析设备，见表7。
　　
　　4、结论和与讨论
　　
　　2001年以来，沧州市利用电渗析和反渗透技术，实施了苦咸水淡化和改水降氟工程，收到了显著的效果，至少解决了近50万人的饮用劣质水问题。本文通过对两种技术设备的降氟、除盐水质处理效果分析，就水质而言，无论是利用电渗析还是利用反渗透技术，高氟水和苦咸水经过处理后、含盐量和含氟量均能达到饮用水水质标准。但总体比较，反渗透设备无论是除氟还是脱盐均优于电渗析设备，这一结论与有关文献研究结果相同。但就电渗析设备处理效果本身而言，脱盐率高于除氟率，电渗析设备对硫酸盐的处理效果较差，这与有关文献研究结果一致。相反反渗透技术除氟率略高于脱盐率。
　　以上结果也并不绝对说明反渗透设备就比电渗析设备好，由于反渗透设备处理水质纯度高，在去除绝大部分无机离子和有机分子的同时，有同时去除对人体其他有益离子的缺点，相反电渗析设备的选择透过性较反渗透好，因此可能会获得比反渗透营养价值更高的饮用水。所以为使产品水中保持对人体有益的、合理的硬度和矿物质，反渗透处理水中还要勾兑一定比例的原水。总之，仅从处理水质上评价电渗析与反渗透设备的适应性是不够的，还要进行综合分析，最重要的是要因地制宜。

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