饮用水除氟除砷：多介质过滤器的滤料改性技术应用

饮用水中的氟、砷超标会严重危害人体健康，长期摄入高氟水易引发氟斑牙、氟骨症，高砷水则会导致皮肤病变甚至致癌。传统天然滤料（石英砂、无烟煤）仅靠物理截留无法去除水中的氟离子（F⁻）、砷酸根（AsO₄³⁻）或亚砷酸根（AsO₃³⁻），需通过滤料改性技术赋予其化学吸附、离子交换功能，再结合多介质过滤器分层过滤的优势，实现对氟、砷的高效深度去除。

一、 除氟除砷滤料改性的核心原理

氟、砷在水中多以阴离子形态存在，改性滤料的核心是通过负载活性金属氧化物 / 氢氧化物，在滤料表面构建具有高吸附活性的位点，利用以下作用实现去除：

配位吸附：活性金属（铝、铁、锆等）的氢氧化物表面存在羟基（-OH），可与 F⁻、AsO₄³⁻、AsO₃³⁻发生配位反应，形成稳定的络合物；

离子交换：改性滤料表面的羟基可与 F⁻发生等摩尔交换，将氟离子固定在滤料表面；

静电吸附：调节水体 pH 值，使改性滤料表面带正电，通过静电引力吸附带负电的砷酸根、氟离子。

其中，铁、铝、锆基改性滤料是饮用水除氟除砷的主流选择，其吸附容量大、选择性强，且对人体无毒副作用。

二、 主流改性滤料的制备与性能特点

1. 铝基改性滤料

制备方法：以石英砂、沸石为载体，通过浸渍 - 焙烧法负载聚合氯化铝（PAC）或氢氧化铝，使载体表面形成多孔的 γ-Al (OH)₃活性层。

性能特点：对氟离子的吸附容量可达 1~3 mg/g，最佳吸附 pH 为 5.5~7.5，适配中性饮用水环境；同时对砷酸根有一定吸附能力，但对亚砷酸根去除效果较弱（需预氧化为砷酸根）。

优势：原料成本低、制备工艺简单，适合大规模应用。

2. 铁基改性滤料

制备方法：采用共沉淀法将三氯化铁（FeCl₃）或硫酸铁（Fe₂(SO₄)₃）负载在石英砂、陶粒表面，形成针铁矿（α-FeOOH）或赤铁矿（Fe₂O₃）活性涂层；也可通过高温烧结制备载铁陶粒。

性能特点：对砷的吸附选择性极强，吸附容量可达 5~10 mg/g，能同时去除砷酸根和亚砷酸根，最佳 pH 为 6.0~8.0；对氟离子也有一定吸附效果，可实现 “氟砷同步去除”。

优势：抗干扰能力强（水中硫酸盐、碳酸氢盐对吸附影响小），化学稳定性好，使用寿命长。

3. 锆基改性滤料

制备方法：以氯化锆（ZrCl₄）或氧氯化锆（ZrOCl₂）为前驱体，通过溶胶 - 凝胶法在滤料表面形成氢氧化锆（Zr (OH)₄）活性层。

性能特点：吸附容量是铝基、铁基滤料的 2~3 倍，对氟离子吸附容量可达 5~8 mg/g，对砷的吸附容量可达 10~15 mg/g；pH 适用范围宽（4.0~9.0），抗水质波动能力强。

优势：吸附效率高、可再生性好，适合饮用水深度处理，但原料成本相对较高。

三、 多介质过滤器的滤料层配置与运行参数

1. 滤料层分层设计

采用 **“改性滤料 + 辅助滤料” 的多层装填结构 **，按密度由小到大分层排列，兼顾吸附除氟除砷与物理截留功能，典型配置自上而下为：

上层：改性活性炭滤料（厚度 300~500 mm）：吸附水中有机物、色度，避免有机物竞争改性滤料的吸附位点；

中层：铁基 / 锆基改性石英砂（厚度 800~1200 mm）：核心功能层，负责吸附氟离子和砷离子；

下层：磁铁矿承托层（厚度 200~300 mm）：粒径 2~4 mm，防止改性滤料流失，保障反洗时滤层稳定性。

2. 关键运行参数控制

滤速：控制在 5~8 m/h，流速过大会缩短水与滤料的接触时间，降低吸附效率；流速过小则会增加设备体积和运行成本。

pH 调节：进水 pH 控制在 6.0~7.5，此区间内改性滤料表面活性位点最多，吸附效果最佳；若原水 pH 偏高，可投加少量硫酸或盐酸调节。

预氧化（针对高亚砷水）：若水中亚砷酸根占比超过 50%，需在进水端投加次氯酸钠或高锰酸钾，将 As (Ⅲ) 氧化为 As (Ⅴ)，提升铁基 / 锆基滤料的吸附效率。

反洗再生：当滤层压差达到 0.08~0.1 MPa，或出水氟 / 砷浓度超标时，启动反洗程序：

气水联合反洗：气洗强度 10~15 L/(m²・s)，水洗强度 6~8 L/(m²・s)，反洗时间 15~20 min，去除滤料表面截留的悬浮物；

化学再生：对于饱和的改性滤料，用 5%~8% 的盐酸或硫酸溶液浸泡 4~6 h，解吸氟、砷离子，再生后用清水冲洗至出水 pH 中性，可重复使用 3~5 次。

四、 应用优势与注意事项

1. 技术优势

同步去除：改性滤料多介质过滤器可同时去除氟、砷、悬浮物、有机物，无需单独增设除氟除砷设备，简化工艺流程；

出水稳定：吸附饱和前，出水氟浓度可稳定降至 1.0 mg/L 以下（符合国标 GB 5749-2022），砷浓度降至 0.01 mg/L 以下；

操作简便：可与现有饮用水处理工艺（混凝、沉淀）无缝衔接，无需大规模改造水厂设备。

2. 注意事项

滤料预处理：新装填的改性滤料需用清水浸泡 24 h，冲洗掉表面残留的制备药剂（如氯化铁、氯化锆），避免污染出水；

干扰离子控制：水中高浓度的硫酸盐（SO₄²⁻）、碳酸氢盐（HCO₃⁻）会与氟、砷竞争吸附位点，需控制其浓度低于 200 mg/L；

安全处置：失效的改性滤料属于危险废物，需交由有资质的单位处置，不可随意丢弃，避免砷、氟二次污染。