我国高氟水形成特点的主要影响因子及降氟方法
摘 要:以华北平原和关中盆地数据为例,分析我国高氟水形成特点的主要影响因子为背景岩石、蒸发作用、地温环境以及人类活动,并针对我国高氟水特点,提出防止氟中毒的方案。
关键词:高氟水;影响因素;防氟方案
0 引 言
氟(F)是与人体健康密切相关的微量生命元素,原生环境中氟过量或不足均会导致机体产生疾病。国家规定生活饮用水中适宜的氟含量为0.5~1.0 mg/ L[1]。高氟地下水指氟含量超过饮用水标准,并使人体产生氟中毒现象的地下水体。高氟地下水影响区域在我国广泛分布,我国内陆除上海市外,各省、市、自治区均有病区。全国饮水型地方氟病分布面积约220万km2,据全国重点地方病防治规划(2004—2010年),截至2003年底,全国有氟斑牙患者3 877
万人、氟骨症患者284万人[2]。因此探讨我国高氟地下水形成的特点,并提出防止氟中毒方案具有现实意义。
1 我国高氟水形成特点的主要影响因子
氟的富集是长期地质作用和地球化学演变的结果,我国高氟水形成特点主要影响因子概括为背景岩石、蒸发作用、地温环境以及人类活动。
1.1 背景岩石
氟广布于自然界中,地壳岩土中的含氟矿物就在百种以上,绝对不含氟的岩土是很少见的。土壤中黏土矿物为氟源,在风化过程中,这些矿物促使土壤中的元素和循环水中的元素发生离子交换。一般情况黏土矿物土壤中除了云母、角闪石中的F-被氢氧基置换以外,磷灰石、冰晶石和萤石是循环水中F-的主要来源[3]。磷灰石、冰晶石、萤石风化淋溶产物见下式:
Ca5(PO4)3F→F-+5Ca2++3PO3-4
Na3AlF6→6F-+3Na++Al3+
CaF2→2F-+Ca2+
以华北平原地下水背景岩石数据为例,作出地下水氟含量与岩石氟含量的相关关系图(如图1所示),显示富含氟的岩石含水层中地下水含氟量高,在地下水-岩石系统中,地下水中氟含量与含水层岩石氟含量呈正相关关系。可见含水层中的富氟岩石为高氟水的形成提供了条件。
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由于氟离子(F-)的化学性质活泼,下面进一步分析水中化学环境对其迁移和转化的影响。
1.1.1 地下水的pH值
在pH值低的酸性水中,氟离子与氢离子生成氢氟酸,氢氟酸溶解二氧化硅及硅酸盐岩石生成气态的氟化硅,使地下水中的氟减少,不利于氟的富集;另外由于氟离子(F-)和钙离子(Ca2+)能形成难溶的氟化钙(CaF2)[4],其反应式为
2F-+Ca2+→CaF2pH值低的酸性水使反应物F-降低,而促使F-迁移,不利于氟的富集;pH值高的地下水可使铝硅酸盐矿物溶于水。当碱金属水解时,可增强水的碱性,促使含氟硅酸盐矿物的溶解,使岩石中的氟溶出,地下水中的氟含量增大。由此得出,pH值越高的地下水越有利于氟的富集。
1.1.2 水中各种离子
钠质水分布区氟含量高,钙质水分布区则相反。氟的钠盐和钙盐在水中的溶解度极不相同,氟化钙的溶解度为16 mg/L,氟化钠的溶解度为42×103mg/L,氟化钠在水中完全溶解时,氟在地下水中呈离子状态存在。前者在水中溶解度很低,大部分为白色沉淀,大部分氟赋存在矿物中而未游离出来,形成地下水中高钙低氟、高钠高氟的现象[3]。当水中钙离子为主要阳离子时,氟化钙溶解度减小,地下水中氟含量减小;当水中钠离子或者镁离子为主要离子时,氟化钙的溶解度增加。当水中钙离子含量增加时,氟的络合物遭到破坏,钙与氟结合成难溶的氟化钙,减少了地下水中氟含量。另外,由于碳酸根及碳酸氢根会促进氟化钙的溶解,使地下水中的氟含量增加。
1.2 蒸发作用
我国部分高氟水地区处于长期干旱少雨气候及高蒸发蒸腾气候条件,导致淡水循环缓慢,地下水在含水层中长期滞留。由于地下水的低水头传导,地下水在风化含水层中水的滞留时间变长。这些条件促使含氟矿物溶解,并促使风化产物中F-和OH-之间离子交换作用,致使地下水中F-进一步富集。我国大部分的冲洪积扇地区,从山前到平原地
下水中的氟含量逐渐增高。在地势平坦或低洼地带,由于地下水径流滞缓、水交替条件差、水位埋藏浅、蒸发作用强烈,氟离子与其他化学元素一同在浅层地下水中浓缩富集。一般情况下随含水层埋深加大,氟含量减低,但有些地区受古地理、古气候、古沉积环境影响,深部地下水氟含量亦较高。内蒙古高原、黄土高原和一些山地丘陵地区的岩石、土层中富含氟,经过地下水的长期溶蚀以及地表水溶滤的共同作用,岩层中的氟不断迁移进入地下水,再加上干旱半干旱气候、强烈的蒸发作用,使地下水中氟不断富集,产生高氟地下水。
1.3 地温
地温是影响地下水氟含量的重要因子。随着温度的升高,地下水中氟的含量升高。最典型的为我国分布广泛的温泉水。秦岭北麓、关中盆地中央及关中盆地“北山”南缘等地的断裂热水型高氟水为深大断裂型地下热水,即沿活动性深大断裂带分布的温泉、热水井等,氟含量均大于1 mg/L[5]。在活动性深大断裂构造带,地下水在深部循环过程中得到加温,并携带某些化学组分向浅部运动,又因深部岩层中含有较多的氟化物,在高温高压下,地球化学作用强烈,产生一系列化学作用。热水中氟化氢发生电解与水中Na+、K+结合形成氟化物溶于水中,导致氟含量增高,形成高氟地下水。这种类型高氟水多以泉的形式出露,沿断裂呈带状分布。根据关中盆地地下水数据统计,温泉水的含氟量高于常温水含氟量,而且水温越高,含氟量越高[2]。另据关中盆地地下热水数据统计[5],当关中盆
地地下热水中溶解性总固体含量达到930 mg/L时,地下热水中氟含量达到峰值(如图2所示),推测我国地温影响类高氟水普遍有此特点。
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1.4 人类活动
人为污染型高氟水,系指由于人类经济活动的影响,致使地下水中氟含量增高而形成的。人类活动污染主要是工业污染和农业污染。含氟化物大气烟尘和工矿企业的含无机或有机氟废水排放,使大量可溶性和不溶性氟进入地表水体和浅层地下水体中。在传统灌溉条件下使用肥料,导致Cl-,SO2-4, NO-3和F-进入地下水中,使水中氟离子富集,F-含量在农灌区地下水中含量高于其他土地类型地区[3]。
2 降氟方法
针对我国高氟水形成的特点,防氟主要采取以下方法。
2.1 寻找新水源
寻找适当含氟量的新水源是降氟理想、经济的途径。寻找新水源有三种途径:①打防氟深井。在查清氟的形成环境、水文地质条件的基础上,寻找低氟含水层;②选择适于饮用的地表水作水源。适于饮用且经济技术条件许可的可开发利用的地表水和泉水;③利用雨雪作水源。在既无适宜的地下水又无地表水的地区考虑因地制宜,修建水窖,收集雨雪水以备饮用。
2.2 人工降氟
由于我国高氟区分布范围广,许多地区没有可供利用开采的低氟含水层,而引用地表水工程费用巨大,甚至无水可引,故采用人工理化方法降氟是另一条必然的途径。目前国内外降氟方法多种多样,但主要分为三大类:混凝沉淀法(投药法)、滤层吸附法和电化学法。前两类方法主要针对单纯氟离子含量较高,而其他指标相对较低或符合饮用水标准的高氟水地区,而第三类方法主要针对氟离子含量较高,而其他指标相对也较高,不符合饮用水标准的高氟-苦咸水地区。另外,美国发明了一种仅适于软化水同时使用的溶解性小的镁盐,它与水中氟相对连续作用,降氟后泥浆连续沉淀,从而达到降氟目的[6]。但是,目前的降氟方法均在不同程度上存在缺憾。因此,保护好水源地,采取综合的生态环境治理措施为长远策略。
2.3 综合生态环境治理
含氟化物大气烟尘和工矿企业的含无机或有机氟废水应处理后再进行排放;在进行各类环境影响评价时加强氟对人体健康影响的评价。改变传统灌溉方式,例如大水漫灌,应该由先进灌溉技术———喷灌代替,这样可以减少风化作用和溶滤作用,减少水蒸发损失,防止氟大量富集。种植适当生态植物覆盖土壤以减少蒸发,防止高氟水产生。
2.4 加强防病知识教育
政府应加强对人民的防病知识教育工作,使人民了解高氟水对人体健康的危害,与是防氟的有效手段之一。
3 结 语
背景岩石是巨大的氟源,是形成各类高氟水的物质基础,包含大部分黏土的土壤强烈吸附氟是F-的主要来源,循环水的碱度也是F-存在的原因。钠质水分布区氟含量高,钙质水分布区则相反;干旱气候决定了高氟水分布的广泛性;封闭或半封闭的地形,地下水径流条件差,高蒸发蒸腾率和风化区的低水头传导性,引起水在含水层中滞留时间长,也是引起含氟矿物溶解而增加地下水中F-含量的辅助原因。地温产生深部高氟地下水源,当地下热水中溶解性总固体达到某一数值时,氟含量达到峰值,推测我国地温影响型高氟水具有此特点。人类活动污染主要是工业和农业污染。针对我国高氟水形成特点,寻找浅层低氟潜水源、开采深层地下冷水,并采用适当的人工降氟方法是减少高氟水危害的主要和有效的措施,但若根治其危害应长期加强对生态环境的综合治理,同时政府应加强防病知识教育工作。
参考文献:
[1]徐静,刘国华,郦逸根.氟的生物环境地球化学与含氟水处理技术[J].西部探矿工程,2004,(10):209-211.
[2]安永会,张福存,孙建平,等.我国饮水型地方病地质环境特征与防治对策[J].中国地方病学杂志,2006,2(2):1.
[3] Rao,S. N.,D. J. Devadas. Fluoride incidence in groundwater inan area of Peninsular India[J] .Environmental Geology,2003,(45):243-251.
[4]蔡珩.阜阳高氟地下水形成的地质环境浅析[J].地下水,1999,21(3):129-131.
[5]范基姣.关中盆地地下热水循环模式及可更新性研究[D].河北:长安大学硕士研究生毕业论文,2006.
[6]佟元清,李金英,王立新,等.地下水降氟方法对比研究[J].中国水利,2007,(10):116-118.
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