地下水砷污染的危害與防治

肖 雄

（1.華中科技大學(xué)《水電能源科學(xué)》編輯部，湖北 武漢 430074；2.武漢三聯(lián)水電控制設(shè)備有限公司，湖北 武漢 430011）

水危機(jī)與水安全一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題，地下水作為重要的水資源，在人們?nèi)粘Ｉ钜约稗r(nóng)業(yè)工業(yè)使用上起著重要作用，印度更是近80%用水依靠地下水。一般而言，地下水比地表水更不易受到人為污染源的影響，但地下水在含水層的停留時(shí)間較長(zhǎng)，暴露在不同化學(xué)環(huán)境中的地下水便可能使各種化學(xué)元素累積達(dá)到一定濃度。其中，砷是毒性和普遍性最嚴(yán)重的污染物之一。砷異常的問(wèn)題引起了世界各國(guó)的關(guān)注，并對(duì)飲用水中的砷含量作出了明確的規(guī)定。1992年世界衛(wèi)生組織指定的國(guó)際飲用水標(biāo)準(zhǔn)中，將砷含量規(guī)定為不能超過(guò)0.01 mg/L，并通行至今。我國(guó)制定的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）中對(duì)于砷含量的標(biāo)準(zhǔn)也是0.01 mg/L。如果超過(guò)了該標(biāo)準(zhǔn)，就可以認(rèn)定為砷超標(biāo)。

1 砷的污染現(xiàn)狀

1.1 全球砷污染現(xiàn)狀

世界上超70多個(gè)國(guó)家都存在著地下水富砷現(xiàn)象，包括印度、孟加拉國(guó)、中國(guó)等。為了更清楚地了解高砷地下水在全球范圍的分布情況，Podgorski 等人依據(jù)收集到的超五萬(wàn)個(gè)實(shí)測(cè)地下水砷濃度的聚合數(shù)據(jù)點(diǎn)，繪制了全球尺度的砷含量數(shù)據(jù)分布圖，除此之外還結(jié)合氣候參數(shù)、地形濕度等變量繪制了迄今最詳細(xì)的地下水砷含量分布圖。不僅對(duì)已有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的恒河、湄公河等高砷地下水分布區(qū)進(jìn)行展示，還對(duì)哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦這些缺少實(shí)測(cè)砷含量數(shù)據(jù)的地區(qū)進(jìn)行污染危害評(píng)估，并推測(cè)這些地區(qū)受砷污染的風(fēng)險(xiǎn)也較高。從這些研究中可以知曉亞洲以及南美洲是砷污染熱點(diǎn)區(qū)域，而對(duì)于人口密度較高、以地下水為主要飲水源的東南亞等國(guó)家，砷對(duì)人類的威脅則更嚴(yán)重。

1.2 我國(guó)砷污染現(xiàn)狀

在我國(guó)，地下水中砷污染的現(xiàn)象同樣嚴(yán)峻。早在1997 年，張嵐等人便對(duì)我國(guó)高砷地下水的地理分布和暴露人群進(jìn)行調(diào)查與統(tǒng)計(jì)，并列表展示各省、自治區(qū)、直轄市的砷濃度狀況，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)砷含量超過(guò)0.05 mg/L 的飲水人口比例高達(dá)57%，其中超過(guò)0.1 mg/L 的高濃度砷暴露人群比例也達(dá)23%。2003 年進(jìn)行的中國(guó)地方性砷中毒分布調(diào)查中則對(duì)我國(guó)飲水型砷中毒的基本分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)內(nèi)蒙古、山西為我國(guó)飲水型砷中毒的重病區(qū)，并對(duì)各地區(qū)改水降砷情況進(jìn)行列表匯總。但目前高砷地下水問(wèn)題仍相當(dāng)嚴(yán)峻，廣泛分布于我國(guó)的臺(tái)灣省、內(nèi)蒙古、新疆、云南、貴州、以及山東和山西等40 個(gè)縣市區(qū)。

2 砷的危害

砷超標(biāo)會(huì)給人體健康帶來(lái)較大的負(fù)面影響。首先，長(zhǎng)期低劑量地?cái)z入砷化物達(dá)到一定程度，會(huì)引發(fā)慢性砷中毒。例如，在對(duì)緬甸達(dá)榜鎮(zhèn)的1 867 名居民的醫(yī)學(xué)檢查中發(fā)現(xiàn)，低劑量砷污染飲用水會(huì)引起周圍神經(jīng)病變。除了對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的影響外，還會(huì)造成一系列的皮膚損害，孟加拉國(guó)在1983 年發(fā)生的砷中毒事件便是以皮膚病為主要病癥。對(duì)于砷中毒嚴(yán)重者還會(huì)引發(fā)中毒性的肝炎，早期表現(xiàn)為肝腫，晚期則表現(xiàn)為肝細(xì)胞的變性壞死，而砷對(duì)肝的損傷也在諸多動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中得到印證。

其次，大量飲用砷含量超標(biāo)的飲用水，可能會(huì)導(dǎo)致急性砷中毒。急性砷中毒對(duì)身體諸多機(jī)能系統(tǒng)都有較為明顯的損害，例如呼吸系統(tǒng)、腸道系統(tǒng)等。對(duì)于部分免疫力低的人可能會(huì)導(dǎo)致造血功能障礙，有案例報(bào)告因使用含砷殺蟲劑導(dǎo)致急性粒細(xì)胞性白血病的砷中毒事件。除此之外，砷還與致癌致畸等其他情況有關(guān)，在對(duì)印度育齡孕婦的研究中表示，地下水中的高砷污染與死胎、流產(chǎn)、不孕關(guān)系密切。

3 治理技術(shù)

目前常用的地下水中除砷的方法主要包括離子交換法、膜法、電絮凝法、生物技術(shù)和吸附法。

3.1 離子交換法

離子交換法是使廢水中的離子與離子交換劑上相同電荷的離子發(fā)生交換，從而達(dá)到去除地下水中砷的目的，常用的離子交換劑為離子交換樹脂。該方法由于其裝置簡(jiǎn)單、操作相對(duì)方便而被廣泛應(yīng)用。與去除其他重金屬不同的是，砷常以陰離子狀態(tài)存在于地下水中，故常用陰離子交換樹脂對(duì)其進(jìn)行處理。但該方法受地下水中其他競(jìng)爭(zhēng)陰離子的存在的影響。為了解決這個(gè)問(wèn)題，張玉聰?shù)热藢⑷齼r(jià)砷氧化菌（AsOB）與離子交換纖維聯(lián)合，得到的組合工藝能夠?qū)舛确秶?～10 mg/L 的三價(jià)砷長(zhǎng)期穩(wěn)定高效地去除。黃宇豪等人則是通過(guò)制備兼具氧化和吸附功能的載鈰凝膠型離子交換樹脂，提高離子交換樹脂的專屬吸附能力。雖然離子交換法在已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但需要不斷對(duì)樹脂進(jìn)行更新，以保證除砷的可靠穩(wěn)定性，這就會(huì)增加處理成本。因此，該種方法更適用于處理受污染水質(zhì)成分較單一又對(duì)出水要求相對(duì)較高的水體。

3.2 膜法

膜技術(shù)是利用膜對(duì)需凈化水體成分的選擇性，達(dá)到將有害物質(zhì)去除的目的。根據(jù)所選膜的孔徑以及工作壓力的不同，該技術(shù)又可細(xì)分為微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）、反滲透（RO）四種類型。對(duì)于微濾技術(shù)，其常用來(lái)分離粒徑在10 μm 以上的物質(zhì)，故常需與混凝、絮凝等技術(shù)結(jié)合增大砷的粒徑尺寸后，對(duì)地下水中的砷進(jìn)行去除。對(duì)于超濾技術(shù)，超濾膜孔徑一般為2～10 nm，砷也能通過(guò)，故需采用帶電的超濾膜，使砷離子與帶負(fù)電的超濾膜發(fā)生靜電排斥反應(yīng)，使得水體中的砷無(wú)法透過(guò)超濾膜。而納濾技術(shù)孔徑為0.5～2 nm，雖然相較于前兩種過(guò)濾技術(shù)需要更大的能量，但也較前兩種對(duì)砷有更好的去除效果，因此有著更為廣泛的應(yīng)用，但溶液的酸堿性會(huì)對(duì)納濾膜的靜電效應(yīng)產(chǎn)生較大的影響，進(jìn)而影響除砷效果。反滲透膜孔徑一般小于0.5 nm，對(duì)壓力的需求也較納濾技術(shù)更大。由于上述膜技術(shù)對(duì)設(shè)備、操作條件要求都較高，處理成本也較高，故更適用于處理水量少、對(duì)水質(zhì)要求又比較高的水體以及超純水的制備上。

3.3 電絮凝法

電絮凝法是地下水脫砷的主流技術(shù)之一，是在直流電源的作用，陽(yáng)極金屬發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生大量的金屬陽(yáng)離子，與陰極發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生的OH-結(jié)合生成金屬氫氧化物。而地下水中的砷以及其他的污染物則可被產(chǎn)生的氫氧化物吸附，進(jìn)而絮凝沉淀達(dá)到去除的目的。張浩等人的研究也表示電絮凝法可同步實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水中砷、錳、氟的去除，陽(yáng)極為鐵鋁復(fù)合材料，在最佳運(yùn)行條件下，對(duì)砷的去除率可達(dá)99.75%。但地下水常處于缺氧狀態(tài)，難以達(dá)到實(shí)驗(yàn)室的最佳運(yùn)行條件，故傳統(tǒng)的電絮凝技術(shù)常需結(jié)合曝氣增氧達(dá)到對(duì)地下水的原位除砷。為了解決這個(gè)問(wèn)題，學(xué)者們從陽(yáng)極的選擇、與其他技術(shù)相結(jié)合等方法對(duì)傳統(tǒng)電絮凝技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)砷的去除率高、設(shè)備簡(jiǎn)單、可通過(guò)電化學(xué)氧化的方法將三價(jià)砷預(yù)氧化為五價(jià)砷而減少了化學(xué)品的使用，但電極上可能形成阻電的氧化膜影響反應(yīng)的進(jìn)行以及存在陽(yáng)極金屬材料耗費(fèi)較高的問(wèn)題。

3.4 吸附

吸附法顧名思義就是利用吸附材料對(duì)砷的吸附作用，使砷被去除。目前多種吸附材料被應(yīng)用在地下水的砷去除中。常規(guī)的吸附材料包括生物炭、活性Al2O3、粉煤灰等。其中生物炭的原材料則較為廣泛，秸稈、動(dòng)物骨骼、枯枝、落葉都可成為制作生物炭的原材料，由于其具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)，對(duì)地下水中的砷和鎘具有較好的選擇性吸附能力，且表面活性組分能使三價(jià)砷被氧化為五價(jià)而更易被吸附去除。氧化鋁作為吸附材料，具有低廉易得的優(yōu)勢(shì)，優(yōu)級(jí)純氧化鋁對(duì)地下水低濃度砷的吸附量可達(dá)75 mg/g，但吸附效果受pH 值影響。粉煤灰是電場(chǎng)燃燒的副產(chǎn)物，價(jià)格低廉、來(lái)源廣泛，在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的地區(qū)具有較好的應(yīng)用前景。除了上述常規(guī)的吸附材料，納米復(fù)合材料也漸漸應(yīng)用于地下水除砷領(lǐng)域。

總的來(lái)說(shuō)，雖然應(yīng)對(duì)地下水砷污染的治理技術(shù)多樣，且多種治理技術(shù)在現(xiàn)實(shí)中也有實(shí)際應(yīng)用。但考慮到在貧困地區(qū)的推廣問(wèn)題，吸附法則因其價(jià)格低廉、操作方便而更具優(yōu)勢(shì)。因此尋找吸附效果好且環(huán)境友好的吸附材料，便成為地下水除砷領(lǐng)域重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

4 結(jié)論

目前的砷污染呈現(xiàn)全球性的特點(diǎn)，一些礦物的水文等作用會(huì)導(dǎo)致原生的高砷地下水，含砷物質(zhì)的過(guò)量使用以及含砷礦物的開采則是造成地下水砷污染的人為因素?，F(xiàn)在多種技術(shù)應(yīng)用在地下水的砷污染治理中，而吸附法具有良好的應(yīng)用前景，有期在貧困地區(qū)的砷污染治理上廣泛應(yīng)用。