饮用水中砷的去除技术及其风险控制

郭永才,田进军

饮用水中砷的去除技术及其风险控制

郭永才1,田进军2

(1.周口经济开发区,河南周口466000;2.南阳理工学院,河南南阳473004)

综述了砷的来源及其毒性,结合目前世界各主要发达国家水质标准中砷的控制状况,研究了饮用水中砷的去除技术,进而提出了饮用水中砷的风险控制措施.

饮用水;砷;去除技术;风险控制

砷在自然界中广泛存在,是地壳的组成成分之一[1].自然界中砷的来源主要有:1)自然源.矿物及岩石的风化、火山的喷发、温泉的上溢水;2)人工源.主要来源于矿化物的开采和冶炼[2].在雨水冲刷、风吹以及其他自然条件下,来自于自然源和人工源的砷以As3+和As5+的形式进入到附近的水体或农田里,导致这些水体或农田里含有高浓度的砷.在有的矿井的排水系统中,砷的质量浓度高达7 mg/L[3],从而对地下水及饮用水源造成了很大的污染.

砷化合物有剧毒,容易在人体内累积,造成慢性砷中毒[2].长期饮用含高浓度无机砷的水的人群易患有皮肤病、周围血管病、高血压以及癌症等疾病[4].近年来,如何确定由于砷的环境暴露而造成的潜在的人体健康风险成为研究的焦点.为了推进这一研究,美国环保局(USEPA)于2006年5月31日举办了“砷及其风险评估研讨会”.流行病学研究表明,长期饮用砷含量为500μg/L的人群,其患癌致死的概率为10%[5].越来越多的研究表明,即使摄入低浓度的砷(20～50μg/L)也会导致严重的健康问题[6].还有研究表明,砷与抽烟有协同致癌作用,长期饮用高砷水并抽烟的人群患肺癌的概率很高.

水体中砷含量超高的现象在世界多数国家都存在,甚至在很多发展中国家,还存在着饮用水中砷超标的问题,如在孟加拉国[7,8]、印度[9]以及中国的部分地区[10],饮用水中砷的含量超过了50μg/ L,甚至有的地区高于1 000μg/L[11].目前我国的高砷水源主要为地下水.我国饮用高砷水的地区涉及台湾、新疆、内蒙、西藏、云南、贵州、山西、吉林等8个省(区)约30个县(旗),这些地区已出现地方性砷中毒患者,且大多为少、边、贫和缺乏低砷水源地区[2].

1 目前世界各国水质标准中砷的标准规定

无机砷是饮用水中常见的污染物[12].基于无机砷的慢性致癌效应,世界卫生组织(WHO)于1993年修订饮用水水质导则时,将砷的指导值由0.05 mg/L降低到0.01 mg/L.有研究表明,长期饮用砷质量浓度为0.01 mg/L的水的人群,其生命周期暴露(2 L,70 kg,70年)的风险水平大约为6×10-4.考虑到低浓度下实际风险的不确定性以及处理工艺的可行性,WHO饮水标准中砷的指导值暂时仍定为0.01 mg/L[13].

美国于2001年将饮用水中砷的最大污染水平(MCL)由0.05 mg/L降低到0.01 mg/L,并将砷最大污染水平的目标值(MCL G)确定为0 mg/L.新的标准值于2006年强制执行并且每6年检验一次[14].风险分析数据表明,将饮用水中砷的质量浓度由0.05 mg/L降至0.01 mg/L,则饮用人群的长期致癌风险将由1∶100降低到1∶500[5].在美国2006年最新发布的《保护水生生物和人体健康的水质基准》中,消费水和生物以及只消费生物时砷的基准值分别为0.018μg/L和0.14μg/L[15].

在欧盟(EU)1975年发布的地表饮用水源水质指令中(75/440/EEC)[16],砷的标准值如表1所示.EU于1998年发布的饮用水水质指令中砷的标准值为0.10 mg/L[17].

表1 EU地表水源水质指令中As的标准值

根据砷的过量单位风险并将儿童和婴儿的敏感性考虑在内,法国食品安全机构认为饮用水中砷的质量浓度绝对不能超过0.01 mg/L[13].墨西哥卫生部将饮用水中砷的MCL确定为0.02 mg/L,并已于近期开始执行[18].

我国 GB3838-2002和 GB/T14843-93规定,对于集中式饮用水源地,砷的标准值为0.05 mg/L,这一限值与我国1985年颁布的《生活饮用水卫生标准》(GB5749-85)中砷的标准值相同.但在2006年修订的 GB5749-2006中,对于集中式供水系统,砷的标准值已降低到0.01 mg/L,而对于农村小型集中式供水和分散式供水系统,出于处理成本及经济效益方面的分析[19],砷的标准值仍可放宽至0.05 mg/L.

2 砷的去除技术及效果

如何从水中有效地去除砷一直是学术界研究的重点.在WHO,USEPA等世界组织和国家纷纷将饮用水中砷的标准值降低到0.01 mg/L后,除砷技术更是成为关注的焦点.目前已报道的除砷技术有混凝-沉淀[20,21]、吸附[22-24]、离子交换[25]、膜过滤[26]、电混凝[27,28]、生物技术[29]以及氧化技术[30,31]等,并且已有人对除砷技术进行了综述[32-34].在众多的除砷技术中,混凝-沉淀和吸附工艺由于其高效的处理效率及低廉的处理成本而在发展中国家得到了广泛的应用,但是这两种工艺难以达到深度的处理效果.有资料表明,这两种技术难以使处理后水中砷的质量浓度低于10μg/L. Wang等人[22]的研究表明,离子交换技术能够将水中的砷由87μg/L降低到5μg/L以下.此外,膜过滤技术也能有效地将砷由48μg/L降低到1～2 μg/L.但目前,这些深度除砷技术仅在发达国家得到了应用.除混凝-沉淀、吸附、离子交换和膜滤四种技术得到实际应用外,其他的除砷技术目前还处于实验室研究或中试阶段.

混凝工艺通常是以铁盐或铝盐为混凝剂.当混凝剂投加到水中后,由于表面Zeta电位的降低使得这些金属颗粒聚结成较大的颗粒,随后水中的砷离子与混凝剂颗粒结合在一起,经沉淀和过滤而被除去.人们对混凝-沉淀工艺去除砷的过程进行了大量研究,结果表明,As(Ⅴ)去除效果远远高于As(Ⅲ)的去除效果.若水中砷以As(Ⅲ)的形式存在,则需先进行预氧化,将As(Ⅲ)转化为As(Ⅴ),再进行混凝处理.Sorg等人对混凝过程中p H值对除砷效果的影响进行了研究,结果表明,分别采用铝盐和铁盐做混凝剂时,最佳的p H值范围分别是5～7和5～8.Thirunavukkarasu等人[30,31]的研究表明,砷的去除效果与砷在源水中的浓度关系密切.为了提高传统混凝-沉淀工艺对砷的去除效果,研究者们通过改进混凝剂、强化混凝以及预氧化等技术,使得砷的去除率不断得到提高.研究结果表明,除了铝盐和铁盐外,采用锰盐、钙盐、镁盐做混凝剂都能取得良好的除砷效果[32].Song等人[18]以铁盐和粗方解石为混凝剂,采用强化混凝加传统过滤工艺处理矿井排水系统的高砷水,结果表明,砷的去除效果高达99%,处理后砷的质量浓度由5 mg/L降低13μg/L.

USEPA在将饮用水水质标准中砷的标准值修订为0.01 mg/L的同时,推荐了除砷的最佳可行技术(BA Ts)[34],如表2所示.这些技术不仅在经济和技术上可行,而且经过水处理实践和检验证实其具有很强的实用性.

表2 USEPA推荐的BATs及砷的去除率

3 风险控制措施

为了确保饮用人群的健康,必须采取有效措施降低风险.目前可以采用的措施主要有:

1)加强污染源监管.对超标的饮用水源中砷的来源进行分析,如果来自于人工源,则需加强对污染源的监管,禁止含砷废水排放.对于由天然原因造成的高砷水源,则需考虑选择替代水源.

2)增加污染治理的投资.根据砷的风险评价结果,当源水中砷的质量浓度小于或等于0.002 mg/ L时,所产生的风险是可以接受的.但是常规的处理工艺难以使水中砷的质量浓度降至0.01 mg/L以下,因此,对于集中式饮用水源,需加大净水投资,由传统混凝沉淀工艺改变为采用离子交换或膜处理等深度净化工艺.对于分散式饮用水源,需配备小型净水设备.

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The removal technologies and the risk control measures of arsenic in drinking water

GUO Yongcai1,Tian Jinjun2
(1.Zhoukou Economic Development Area,Zhoukou 466000; 2.Nanyang Institute of Technology,Nanyang 473004,China)

The paper summarized the source of arsenic and its toxicity.Combined with the situation of controlling the arsenic of the current water quality standards in the world’s major developed countries,the paper studied the removal technologies of arsenic in drinking water,and then raised the risk control measures of arsenic in drinking water.

drinking water;arsenic;removal technologies;risk control

X52

A

1671-9476(2010)05-0072-04

2010-03-30

郭永才(1977-),男,河南鹿邑人,助理工程师,主要从事环境管理及其研究工作.