地下水砷污染的危害与防治

肖 雄

（1.华中科技大学《水电能源科学》编辑部，湖北 武汉 430074；2.武汉三联水电控制设备有限公司，湖北 武汉 430011）

水危机与水安全一直是人们关注的重点问题，地下水作为重要的水资源，在人们日常生活以及农业工业使用上起着重要作用，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为污染源的影响，但地下水在含水层的停留时间较长，暴露在不同化学环境中的地下水便可能使各种化学元素累积达到一定浓度。其中，砷是毒性和普遍性最严重的污染物之一。砷异常的问题引起了世界各国的关注，并对饮用水中的砷含量作出了明确的规定。1992年世界卫生组织指定的国际饮用水标准中，将砷含量规定为不能超过0.01 mg/L，并通行至今。我国制定的《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）中对于砷含量的标准也是0.01 mg/L。如果超过了该标准，就可以认定为砷超标。

1 砷的污染现状

1.1 全球砷污染现状

世界上超70多个国家都存在着地下水富砷现象，包括印度、孟加拉国、中国等。为了更清楚地了解高砷地下水在全球范围的分布情况，Podgorski 等人依据收集到的超五万个实测地下水砷浓度的聚合数据点，绘制了全球尺度的砷含量数据分布图，除此之外还结合气候参数、地形湿度等变量绘制了迄今最详细的地下水砷含量分布图。不仅对已有监测数据的恒河、湄公河等高砷地下水分布区进行展示，还对哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦这些缺少实测砷含量数据的地区进行污染危害评估，并推测这些地区受砷污染的风险也较高。从这些研究中可以知晓亚洲以及南美洲是砷污染热点区域，而对于人口密度较高、以地下水为主要饮水源的东南亚等国家，砷对人类的威胁则更严重。

1.2 我国砷污染现状

在我国，地下水中砷污染的现象同样严峻。早在1997 年，张岚等人便对我国高砷地下水的地理分布和暴露人群进行调查与统计，并列表展示各省、自治区、直辖市的砷浓度状况，统计发现砷含量超过0.05 mg/L 的饮水人口比例高达57%，其中超过0.1 mg/L 的高浓度砷暴露人群比例也达23%。2003 年进行的中国地方性砷中毒分布调查中则对我国饮水型砷中毒的基本分布进行了统计分析，总结内蒙古、山西为我国饮水型砷中毒的重病区，并对各地区改水降砷情况进行列表汇总。但目前高砷地下水问题仍相当严峻，广泛分布于我国的台湾省、内蒙古、新疆、云南、贵州、以及山东和山西等40 个县市区。

2 砷的危害

砷超标会给人体健康带来较大的负面影响。首先，长期低剂量地摄入砷化物达到一定程度，会引发慢性砷中毒。例如，在对缅甸达榜镇的1 867 名居民的医学检查中发现，低剂量砷污染饮用水会引起周围神经病变。除了对神经系统的影响外，还会造成一系列的皮肤损害，孟加拉国在1983 年发生的砷中毒事件便是以皮肤病为主要病症。对于砷中毒严重者还会引发中毒性的肝炎，早期表现为肝肿，晚期则表现为肝细胞的变性坏死，而砷对肝的损伤也在诸多动物实验中得到印证。

其次，大量饮用砷含量超标的饮用水，可能会导致急性砷中毒。急性砷中毒对身体诸多机能系统都有较为明显的损害，例如呼吸系统、肠道系统等。对于部分免疫力低的人可能会导致造血功能障碍，有案例报告因使用含砷杀虫剂导致急性粒细胞性白血病的砷中毒事件。除此之外，砷还与致癌致畸等其他情况有关，在对印度育龄孕妇的研究中表示，地下水中的高砷污染与死胎、流产、不孕关系密切。

3 治理技术

目前常用的地下水中除砷的方法主要包括离子交换法、膜法、电絮凝法、生物技术和吸附法。

3.1 离子交换法

离子交换法是使废水中的离子与离子交换剂上相同电荷的离子发生交换，从而达到去除地下水中砷的目的，常用的离子交换剂为离子交换树脂。该方法由于其装置简单、操作相对方便而被广泛应用。与去除其他重金属不同的是，砷常以阴离子状态存在于地下水中，故常用阴离子交换树脂对其进行处理。但该方法受地下水中其他竞争阴离子的存在的影响。为了解决这个问题，张玉聪等人将三价砷氧化菌（AsOB）与离子交换纤维联合，得到的组合工艺能够对浓度范围在1～10 mg/L 的三价砷长期稳定高效地去除。黄宇豪等人则是通过制备兼具氧化和吸附功能的载铈凝胶型离子交换树脂，提高离子交换树脂的专属吸附能力。虽然离子交换法在已经得到了广泛应用，但需要不断对树脂进行更新，以保证除砷的可靠稳定性，这就会增加处理成本。因此，该种方法更适用于处理受污染水质成分较单一又对出水要求相对较高的水体。

3.2 膜法

膜技术是利用膜对需净化水体成分的选择性，达到将有害物质去除的目的。根据所选膜的孔径以及工作压力的不同，该技术又可细分为微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）四种类型。对于微滤技术，其常用来分离粒径在10 μm 以上的物质，故常需与混凝、絮凝等技术结合增大砷的粒径尺寸后，对地下水中的砷进行去除。对于超滤技术，超滤膜孔径一般为2～10 nm，砷也能通过，故需采用带电的超滤膜，使砷离子与带负电的超滤膜发生静电排斥反应，使得水体中的砷无法透过超滤膜。而纳滤技术孔径为0.5～2 nm，虽然相较于前两种过滤技术需要更大的能量，但也较前两种对砷有更好的去除效果，因此有着更为广泛的应用，但溶液的酸碱性会对纳滤膜的静电效应产生较大的影响，进而影响除砷效果。反渗透膜孔径一般小于0.5 nm，对压力的需求也较纳滤技术更大。由于上述膜技术对设备、操作条件要求都较高，处理成本也较高，故更适用于处理水量少、对水质要求又比较高的水体以及超纯水的制备上。

3.3 电絮凝法

电絮凝法是地下水脱砷的主流技术之一，是在直流电源的作用，阳极金属发生氧化反应产生大量的金属阳离子，与阴极发生还原反应产生的OH-结合生成金属氢氧化物。而地下水中的砷以及其他的污染物则可被产生的氢氧化物吸附，进而絮凝沉淀达到去除的目的。张浩等人的研究也表示电絮凝法可同步实现对地下水中砷、锰、氟的去除，阳极为铁铝复合材料，在最佳运行条件下，对砷的去除率可达99.75%。但地下水常处于缺氧状态，难以达到实验室的最佳运行条件，故传统的电絮凝技术常需结合曝气增氧达到对地下水的原位除砷。为了解决这个问题，学者们从阳极的选择、与其他技术相结合等方法对传统电絮凝技术进行优化。该技术的优势在于对砷的去除率高、设备简单、可通过电化学氧化的方法将三价砷预氧化为五价砷而减少了化学品的使用，但电极上可能形成阻电的氧化膜影响反应的进行以及存在阳极金属材料耗费较高的问题。

3.4 吸附

吸附法顾名思义就是利用吸附材料对砷的吸附作用，使砷被去除。目前多种吸附材料被应用在地下水的砷去除中。常规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则较为广泛，秸秆、动物骨骼、枯枝、落叶都可成为制作生物炭的原材料，由于其具有丰富的孔隙结构和官能团，对地下水中的砷和镉具有较好的选择性吸附能力，且表面活性组分能使三价砷被氧化为五价而更易被吸附去除。氧化铝作为吸附材料，具有低廉易得的优势，优级纯氧化铝对地下水低浓度砷的吸附量可达75 mg/g，但吸附效果受pH 值影响。粉煤灰是电场燃烧的副产物，价格低廉、来源广泛，在经济欠发达的地区具有较好的应用前景。除了上述常规的吸附材料，纳米复合材料也渐渐应用于地下水除砷领域。

总的来说，虽然应对地下水砷污染的治理技术多样，且多种治理技术在现实中也有实际应用。但考虑到在贫困地区的推广问题，吸附法则因其价格低廉、操作方便而更具优势。因此寻找吸附效果好且环境友好的吸附材料，便成为地下水除砷领域重点研究内容。

4 结论

目前的砷污染呈现全球性的特点，一些矿物的水文等作用会导致原生的高砷地下水，含砷物质的过量使用以及含砷矿物的开采则是造成地下水砷污染的人为因素。现在多种技术应用在地下水的砷污染治理中，而吸附法具有良好的应用前景，有期在贫困地区的砷污染治理上广泛应用。