地下水砷污染的危害與防治

肖 雄

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

水危機與水安全一直是人們關注的重點問題，地下水作為重要的水資源，在人們日常生活以及農業工業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間較長，暴露在不同化學環境中的地下水便可能使各種化學元素累積達到一定濃度。其中，砷是毒性和普遍性最嚴重的污染物之一。砷異常的問題引起了世界各國的關注，并對飲用水中的砷含量作出了明確的規定。1992年世界衛生組織指定的國際飲用水標準中，將砷含量規定為不能超過0.01 mg/L，并通行至今。我國制定的《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2006）中對于砷含量的標準也是0.01 mg/L。如果超過了該標準，就可以認定為砷超標。

1 砷的污染現狀

1.1 全球砷污染現狀

世界上超70多個國家都存在著地下水富砷現象，包括印度、孟加拉國、中國等。為了更清楚地了解高砷地下水在全球范圍的分布情況，Podgorski 等人依據收集到的超五萬個實測地下水砷濃度的聚合數據點，繪制了全球尺度的砷含量數據分布圖，除此之外還結合氣候參數、地形濕度等變量繪制了迄今最詳細的地下水砷含量分布圖。不僅對已有監測數據的恒河、湄公河等高砷地下水分布區進行展示，還對哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦這些缺少實測砷含量數據的地區進行污染危害評估，并推測這些地區受砷污染的風險也較高。從這些研究中可以知曉亞洲以及南美洲是砷污染熱點區域，而對于人口密度較高、以地下水為主要飲水源的東南亞等國家，砷對人類的威脅則更嚴重。

1.2 我國砷污染現狀

在我國，地下水中砷污染的現象同樣嚴峻。早在1997 年，張嵐等人便對我國高砷地下水的地理分布和暴露人群進行調查與統計，并列表展示各省、自治區、直轄市的砷濃度狀況，統計發現砷含量超過0.05 mg/L 的飲水人口比例高達57%，其中超過0.1 mg/L 的高濃度砷暴露人群比例也達23%。2003 年進行的中國地方性砷中毒分布調查中則對我國飲水型砷中毒的基本分布進行了統計分析，總結內蒙古、山西為我國飲水型砷中毒的重病區，并對各地區改水降砷情況進行列表匯總。但目前高砷地下水問題仍相當嚴峻，廣泛分布于我國的臺灣省、內蒙古、新疆、云南、貴州、以及山東和山西等40 個縣市區。

2 砷的危害

砷超標會給人體健康帶來較大的負面影響。首先，長期低劑量地攝入砷化物達到一定程度，會引發慢性砷中毒。例如，在對緬甸達榜鎮的1 867 名居民的醫學檢查中發現，低劑量砷污染飲用水會引起周圍神經病變。除了對神經系統的影響外，還會造成一系列的皮膚損害，孟加拉國在1983 年發生的砷中毒事件便是以皮膚病為主要病癥。對于砷中毒嚴重者還會引發中毒性的肝炎，早期表現為肝腫，晚期則表現為肝細胞的變性壞死，而砷對肝的損傷也在諸多動物實驗中得到印證。

其次，大量飲用砷含量超標的飲用水，可能會導致急性砷中毒。急性砷中毒對身體諸多機能系統都有較為明顯的損害，例如呼吸系統、腸道系統等。對于部分免疫力低的人可能會導致造血功能障礙，有案例報告因使用含砷殺蟲劑導致急性粒細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，在對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、不孕關系密切。

3 治理技術

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生交換，從而達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單、操作相對方便而被廣泛應用。與去除其他重金屬不同的是，砷常以陰離子狀態存在于地下水中，故常用陰離子交換樹脂對其進行處理。但該方法受地下水中其他競爭陰離子的存在的影響。為了解決這個問題，張玉聰等人將三價砷氧化菌（AsOB）與離子交換纖維聯合，得到的組合工藝能夠對濃度范圍在1～10 mg/L 的三價砷長期穩定高效地去除。黃宇豪等人則是通過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得到了廣泛應用，但需要不斷對樹脂進行更新，以保證除砷的可靠穩定性，這就會增加處理成本。因此，該種方法更適用于處理受污染水質成分較單一又對出水要求相對較高的水體。

3.2 膜法

膜技術是利用膜對需凈化水體成分的選擇性，達到將有害物質去除的目的。根據所選膜的孔徑以及工作壓力的不同，該技術又可細分為微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）、反滲透（RO）四種類型。對于微濾技術，其常用來分離粒徑在10 μm 以上的物質，故常需與混凝、絮凝等技術結合增大砷的粒徑尺寸后，對地下水中的砷進行去除。對于超濾技術，超濾膜孔徑一般為2～10 nm，砷也能通過，故需采用帶電的超濾膜，使砷離子與帶負電的超濾膜發生靜電排斥反應，使得水體中的砷無法透過超濾膜。而納濾技術孔徑為0.5～2 nm，雖然相較于前兩種過濾技術需要更大的能量，但也較前兩種對砷有更好的去除效果，因此有著更為廣泛的應用，但溶液的酸堿性會對納濾膜的靜電效應產生較大的影響，進而影響除砷效果。反滲透膜孔徑一般小于0.5 nm，對壓力的需求也較納濾技術更大。由于上述膜技術對設備、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、對水質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之一，是在直流電源的作用，陽極金屬發生氧化反應產生大量的金屬陽離子，與陰極發生還原反應產生的OH-結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生的氫氧化物吸附，進而絮凝沉淀達到去除的目的。張浩等人的研究也表示電絮凝法可同步實現對地下水中砷、錳、氟的去除，陽極為鐵鋁復合材料，在最佳運行條件下，對砷的去除率可達99.75%。但地下水常處于缺氧狀態，難以達到實驗室的最佳運行條件，故傳統的電絮凝技術常需結合曝氣增氧達到對地下水的原位除砷。為了解決這個問題，學者們從陽極的選擇、與其他技術相結合等方法對傳統電絮凝技術進行優化。該技術的優勢在于對砷的去除率高、設備簡單、可通過電化學氧化的方法將三價砷預氧化為五價砷而減少了化學品的使用，但電極上可能形成阻電的氧化膜影響反應的進行以及存在陽極金屬材料耗費較高的問題。

3.4 吸附

吸附法顧名思義就是利用吸附材料對砷的吸附作用，使砷被去除。目前多種吸附材料被應用在地下水的砷去除中。常規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構和官能團，對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砷被氧化為五價而更易被吸附去除。氧化鋁作為吸附材料，具有低廉易得的優勢，優級純氧化鋁對地下水低濃度砷的吸附量可達75 mg/g，但吸附效果受pH 值影響。粉煤灰是電場燃燒的副產物，價格低廉、來源廣泛，在經濟欠發達的地區具有較好的應用前景。除了上述常規的吸附材料，納米復合材料也漸漸應用于地下水除砷領域。

總的來說，雖然應對地下水砷污染的治理技術多樣，且多種治理技術在現實中也有實際應用。但考慮到在貧困地區的推廣問題，吸附法則因其價格低廉、操作方便而更具優勢。因此尋找吸附效果好且環境友好的吸附材料，便成為地下水除砷領域重點研究內容。

4 結論

目前的砷污染呈現全球性的特點，一些礦物的水文等作用會導致原生的高砷地下水，含砷物質的過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。現在多種技術應用在地下水的砷污染治理中，而吸附法具有良好的應用前景，有期在貧困地區的砷污染治理上廣泛應用。