我國高氟水形成特點的主要影響因子及降氟方法
摘 要:以華北平原和關中盆地數據為例,分析我國高氟水形成特點的主要影響因子為背景巖石、蒸發作用、地溫環境以及人類活動,并針對我國高氟水特點,提出防止氟中毒的方案。
關鍵詞:高氟水;影響因素;防氟方案
0 引 言
氟(F)是與人體健康密切相關的微量生命元素,原生環境中氟過量或不足均會導致機體產生疾病。國家規定生活飲用水中適宜的氟含量為0.5~1.0 mg/ L[1]。高氟地下水指氟含量超過飲用水標準,并使人體產生氟中毒現象的地下水體。高氟地下水影響區域在我國廣泛分布,我國內陸除上海市外,各省、市、自治區均有病區。全國飲水型地方氟病分布面積約220萬km2,據全國重點地方病防治規劃(2004—2010年),截至2003年底,全國有氟斑牙患者3 877
萬人、氟骨癥患者284萬人[2]。因此探討我國高氟地下水形成的特點,并提出防止氟中毒方案具有現實意義。
1 我國高氟水形成特點的主要影響因子
氟的富集是長期地質作用和地球化學演變的結果,我國高氟水形成特點主要影響因子概括為背景巖石、蒸發作用、地溫環境以及人類活動。
1.1 背景巖石
氟廣布于自然界中,地殼巖土中的含氟礦物就在百種以上,絕對不含氟的巖土是很少見的。土壤中黏土礦物為氟源,在風化過程中,這些礦物促使土壤中的元素和循環水中的元素發生離子交換。一般情況黏土礦物土壤中除了云母、角閃石中的F-被氫氧基置換以外,磷灰石、冰晶石和螢石是循環水中F-的主要來源[3]。磷灰石、冰晶石、螢石風化淋溶產物見下式:
Ca5(PO4)3F→F-+5Ca2++3PO3-4
Na3AlF6→6F-+3Na++Al3+
CaF2→2F-+Ca2+
以華北平原地下水背景巖石數據為例,作出地下水氟含量與巖石氟含量的相關關系圖(如圖1所示),顯示富含氟的巖石含水層中地下水含氟量高,在地下水-巖石系統中,地下水中氟含量與含水層巖石氟含量呈正相關關系。可見含水層中的富氟巖石為高氟水的形成提供了條件。
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由于氟離子(F-)的化學性質活潑,下面進一步分析水中化學環境對其遷移和轉化的影響。
1.1.1 地下水的pH值
在pH值低的酸性水中,氟離子與氫離子生成氫氟酸,氫氟酸溶解二氧化硅及硅酸鹽巖石生成氣態的氟化硅,使地下水中的氟減少,不利于氟的富集;另外由于氟離子(F-)和鈣離子(Ca2+)能形成難溶的氟化鈣(CaF2)[4],其反應式為
2F-+Ca2+→CaF2pH值低的酸性水使反應物F-降低,而促使F-遷移,不利于氟的富集;pH值高的地下水可使鋁硅酸鹽礦物溶于水。當堿金屬水解時,可增強水的堿性,促使含氟硅酸鹽礦物的溶解,使巖石中的氟溶出,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 水中各種離子
鈉質水分布區氟含量高,鈣質水分布區則相反。氟的鈉鹽和鈣鹽在水中的溶解度極不相同,氟化鈣的溶解度為16 mg/L,氟化鈉的溶解度為42×103mg/L,氟化鈉在水中完全溶解時,氟在地下水中呈離子狀態存在。前者在水中溶解度很低,大部分為白色沉淀,大部分氟賦存在礦物中而未游離出來,形成地下水中高鈣低氟、高鈉高氟的現象[3]。當水中鈣離子為主要陽離子時,氟化鈣溶解度減小,地下水中氟含量減小;當水中鈉離子或者鎂離子為主要離子時,氟化鈣的溶解度增加。當水中鈣離子含量增加時,氟的絡合物遭到破壞,鈣與氟結合成難溶的氟化鈣,減少了地下水中氟含量。另外,由于碳酸根及碳酸氫根會促進氟化鈣的溶解,使地下水中的氟含量增加。
1.2 蒸發作用
我國部分高氟水地區處于長期干旱少雨氣候及高蒸發蒸騰氣候條件,導致淡水循環緩慢,地下水在含水層中長期滯留。由于地下水的低水頭傳導,地下水在風化含水層中水的滯留時間變長。這些條件促使含氟礦物溶解,并促使風化產物中F-和OH-之間離子交換作用,致使地下水中F-進一步富集。我國大部分的沖洪積扇地區,從山前到平原地
下水中的氟含量逐漸增高。在地勢平坦或低洼地帶,由于地下水徑流滯緩、水交替條件差、水位埋藏淺、蒸發作用強烈,氟離子與其他化學元素一同在淺層地下水中濃縮富集。一般情況下隨含水層埋深加大,氟含量減低,但有些地區受古地理、古氣候、古沉積環境影響,深部地下水氟含量亦較高。內蒙古高原、黃土高原和一些山地丘陵地區的巖石、土層中富含氟,經過地下水的長期溶蝕以及地表水溶濾的共同作用,巖層中的氟不斷遷移進入地下水,再加上干旱半干旱氣候、強烈的蒸發作用,使地下水中氟不斷富集,產生高氟地下水。
1.3 地溫
地溫是影響地下水氟含量的重要因子。隨著溫度的升高,地下水中氟的含量升高。最典型的為我國分布廣泛的溫泉水。秦嶺北麓、關中盆地中央及關中盆地“北山”南緣等地的斷裂熱水型高氟水為深大斷裂型地下熱水,即沿活動性深大斷裂帶分布的溫泉、熱水井等,氟含量均大于1 mg/L[5]。在活動性深大斷裂構造帶,地下水在深部循環過程中得到加溫,并攜帶某些化學組分向淺部運動,又因深部巖層中含有較多的氟化物,在高溫高壓下,地球化學作用強烈,產生一系列化學作用。熱水中氟化氫發生電解與水中Na+、K+結合形成氟化物溶于水中,導致氟含量增高,形成高氟地下水。這種類型高氟水多以泉的形式出露,沿斷裂呈帶狀分布。根據關中盆地地下水數據統計,溫泉水的含氟量高于常溫水含氟量,而且水溫越高,含氟量越高[2]。另據關中盆地地下熱水數據統計[5],當關中盆
地地下熱水中溶解性總固體含量達到930 mg/L時,地下熱水中氟含量達到峰值(如圖2所示),推測我國地溫影響類高氟水普遍有此特點。
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1.4 人類活動
人為污染型高氟水,系指由于人類經濟活動的影響,致使地下水中氟含量增高而形成的。人類活動污染主要是工業污染和農業污染。含氟化物大氣煙塵和工礦企業的含無機或有機氟廢水排放,使大量可溶性和不溶性氟進入地表水體和淺層地下水體中。在傳統灌溉條件下使用肥料,導致Cl-,SO2-4, NO-3和F-進入地下水中,使水中氟離子富集,F-含量在農灌區地下水中含量高于其他土地類型地區[3]。
2 降氟方法
針對我國高氟水形成的特點,防氟主要采取以下方法。
2.1 尋找新水源
尋找適當含氟量的新水源是降氟理想、經濟的途徑。尋找新水源有三種途徑:①打防氟深井。在查清氟的形成環境、水文地質條件的基礎上,尋找低氟含水層;②選擇適于飲用的地表水作水源。適于飲用且經濟技術條件許可的可開發利用的地表水和泉水;③利用雨雪作水源。在既無適宜的地下水又無地表水的地區考慮因地制宜,修建水窖,收集雨雪水以備飲用。
2.2 人工降氟
由于我國高氟區分布范圍廣,許多地區沒有可供利用開采的低氟含水層,而引用地表水工程費用巨大,甚至無水可引,故采用人工理化方法降氟是另一條必然的途徑。目前國內外降氟方法多種多樣,但主要分為三大類:混凝沉淀法(投藥法)、濾層吸附法和電化學法。前兩類方法主要針對單純氟離子含量較高,而其他指標相對較低或符合飲用水標準的高氟水地區,而第三類方法主要針對氟離子含量較高,而其他指標相對也較高,不符合飲用水標準的高氟-苦咸水地區。另外,美國發明了一種僅適于軟化水同時使用的溶解性小的鎂鹽,它與水中氟相對連續作用,降氟后泥漿連續沉淀,從而達到降氟目的[6]。但是,目前的降氟方法均在不同程度上存在缺憾。因此,保護好水源地,采取綜合的生態環境治理措施為長遠策略。
2.3 綜合生態環境治理
含氟化物大氣煙塵和工礦企業的含無機或有機氟廢水應處理后再進行排放;在進行各類環境影響評價時加強氟對人體健康影響的評價。改變傳統灌溉方式,例如大水漫灌,應該由先進灌溉技術———噴灌代替,這樣可以減少風化作用和溶濾作用,減少水蒸發損失,防止氟大量富集。種植適當生態植物覆蓋土壤以減少蒸發,防止高氟水產生。
2.4 加強防病知識教育
政府應加強對人民的防病知識教育工作,使人民了解高氟水對人體健康的危害,與是防氟的有效手段之一。
3 結 語
背景巖石是巨大的氟源,是形成各類高氟水的物質基礎,包含大部分黏土的土壤強烈吸附氟是F-的主要來源,循環水的堿度也是F-存在的原因。鈉質水分布區氟含量高,鈣質水分布區則相反;干旱氣候決定了高氟水分布的廣泛性;封閉或半封閉的地形,地下水徑流條件差,高蒸發蒸騰率和風化區的低水頭傳導性,引起水在含水層中滯留時間長,也是引起含氟礦物溶解而增加地下水中F-含量的輔助原因。地溫產生深部高氟地下水源,當地下熱水中溶解性總固體達到某一數值時,氟含量達到峰值,推測我國地溫影響型高氟水具有此特點。人類活動污染主要是工業和農業污染。針對我國高氟水形成特點,尋找淺層低氟潛水源、開采深層地下冷水,并采用適當的人工降氟方法是減少高氟水危害的主要和有效的措施,但若根治其危害應長期加強對生態環境的綜合治理,同時政府應加強防病知識教育工作。
參考文獻:
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[3] Rao,S. N.,D. J. Devadas. Fluoride incidence in groundwater inan area of Peninsular India[J] .Environmental Geology,2003,(45):243-251.
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[5]范基姣.關中盆地地下熱水循環模式及可更新性研究[D].河北:長安大學碩士研究生畢業論文,2006.
[6]佟元清,李金英,王立新,等.地下水降氟方法對比研究[J].中國水利,2007,(10):116-118.
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