郭永才,田進軍

飲用水中砷的去除技術及其風險控制

郭永才1,田進軍2

(1.周口經(jīng)濟開發(fā)區(qū),河南周口466000;2.南陽理工學院,河南南陽473004)

綜述了砷的來源及其毒性,結合目前世界各主要發(fā)達國家水質(zhì)標準中砷的控制狀況,研究了飲用水中砷的去除技術,進而提出了飲用水中砷的風險控制措施.

飲用水;砷;去除技術;風險控制

砷在自然界中廣泛存在,是地殼的組成成分之一[1].自然界中砷的來源主要有:1)自然源.礦物及巖石的風化、火山的噴發(fā)、溫泉的上溢水;2)人工源.主要來源于礦化物的開采和冶煉[2].在雨水沖刷、風吹以及其他自然條件下,來自于自然源和人工源的砷以As3+和As5+的形式進入到附近的水體或農(nóng)田里,導致這些水體或農(nóng)田里含有高濃度的砷.在有的礦井的排水系統(tǒng)中,砷的質(zhì)量濃度高達7 mg/L[3],從而對地下水及飲用水源造成了很大的污染.

砷化合物有劇毒,容易在人體內(nèi)累積,造成慢性砷中毒[2].長期飲用含高濃度無機砷的水的人群易患有皮膚病、周圍血管病、高血壓以及癌癥等疾病[4].近年來,如何確定由于砷的環(huán)境暴露而造成的潛在的人體健康風險成為研究的焦點.為了推進這一研究,美國環(huán)保局(USEPA)于2006年5月31日舉辦了“砷及其風險評估研討會”.流行病學研究表明,長期飲用砷含量為500μg/L的人群,其患癌致死的概率為10%[5].越來越多的研究表明,即使攝入低濃度的砷(20～50μg/L)也會導致嚴重的健康問題[6].還有研究表明,砷與抽煙有協(xié)同致癌作用,長期飲用高砷水并抽煙的人群患肺癌的概率很高.

水體中砷含量超高的現(xiàn)象在世界多數(shù)國家都存在,甚至在很多發(fā)展中國家,還存在著飲用水中砷超標的問題,如在孟加拉國[7,8]、印度[9]以及中國的部分地區(qū)[10],飲用水中砷的含量超過了50μg/ L,甚至有的地區(qū)高于1 000μg/L[11].目前我國的高砷水源主要為地下水.我國飲用高砷水的地區(qū)涉及臺灣、新疆、內(nèi)蒙、西藏、云南、貴州、山西、吉林等8個省(區(qū))約30個縣(旗),這些地區(qū)已出現(xiàn)地方性砷中毒患者,且大多為少、邊、貧和缺乏低砷水源地區(qū)[2].

1 目前世界各國水質(zhì)標準中砷的標準規(guī)定

無機砷是飲用水中常見的污染物[12].基于無機砷的慢性致癌效應,世界衛(wèi)生組織(WHO)于1993年修訂飲用水水質(zhì)導則時,將砷的指導值由0.05 mg/L降低到0.01 mg/L.有研究表明,長期飲用砷質(zhì)量濃度為0.01 mg/L的水的人群,其生命周期暴露(2 L,70 kg,70年)的風險水平大約為6×10-4.考慮到低濃度下實際風險的不確定性以及處理工藝的可行性,WHO飲水標準中砷的指導值暫時仍定為0.01 mg/L[13].

美國于2001年將飲用水中砷的最大污染水平(MCL)由0.05 mg/L降低到0.01 mg/L,并將砷最大污染水平的目標值(MCL G)確定為0 mg/L.新的標準值于2006年強制執(zhí)行并且每6年檢驗一次[14].風險分析數(shù)據(jù)表明,將飲用水中砷的質(zhì)量濃度由0.05 mg/L降至0.01 mg/L,則飲用人群的長期致癌風險將由1∶100降低到1∶500[5].在美國2006年最新發(fā)布的《保護水生生物和人體健康的水質(zhì)基準》中,消費水和生物以及只消費生物時砷的基準值分別為0.018μg/L和0.14μg/L[15].

在歐盟(EU)1975年發(fā)布的地表飲用水源水質(zhì)指令中(75/440/EEC)[16],砷的標準值如表1所示.EU于1998年發(fā)布的飲用水水質(zhì)指令中砷的標準值為0.10 mg/L[17].

表1 EU地表水源水質(zhì)指令中As的標準值

根據(jù)砷的過量單位風險并將兒童和嬰兒的敏感性考慮在內(nèi),法國食品安全機構認為飲用水中砷的質(zhì)量濃度絕對不能超過0.01 mg/L[13].墨西哥衛(wèi)生部將飲用水中砷的MCL確定為0.02 mg/L,并已于近期開始執(zhí)行[18].

我國 GB3838-2002和 GB/T14843-93規(guī)定,對于集中式飲用水源地,砷的標準值為0.05 mg/L,這一限值與我國1985年頒布的《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-85)中砷的標準值相同.但在2006年修訂的 GB5749-2006中,對于集中式供水系統(tǒng),砷的標準值已降低到0.01 mg/L,而對于農(nóng)村小型集中式供水和分散式供水系統(tǒng),出于處理成本及經(jīng)濟效益方面的分析[19],砷的標準值仍可放寬至0.05 mg/L.

2 砷的去除技術及效果

如何從水中有效地去除砷一直是學術界研究的重點.在WHO,USEPA等世界組織和國家紛紛將飲用水中砷的標準值降低到0.01 mg/L后,除砷技術更是成為關注的焦點.目前已報道的除砷技術有混凝-沉淀[20,21]、吸附[22-24]、離子交換[25]、膜過濾[26]、電混凝[27,28]、生物技術[29]以及氧化技術[30,31]等,并且已有人對除砷技術進行了綜述[32-34].在眾多的除砷技術中,混凝-沉淀和吸附工藝由于其高效的處理效率及低廉的處理成本而在發(fā)展中國家得到了廣泛的應用,但是這兩種工藝難以達到深度的處理效果.有資料表明,這兩種技術難以使處理后水中砷的質(zhì)量濃度低于10μg/L. Wang等人[22]的研究表明,離子交換技術能夠將水中的砷由87μg/L降低到5μg/L以下.此外,膜過濾技術也能有效地將砷由48μg/L降低到1～2 μg/L.但目前,這些深度除砷技術僅在發(fā)達國家得到了應用.除混凝-沉淀、吸附、離子交換和膜濾四種技術得到實際應用外,其他的除砷技術目前還處于實驗室研究或中試階段.

混凝工藝通常是以鐵鹽或鋁鹽為混凝劑.當混凝劑投加到水中后,由于表面Zeta電位的降低使得這些金屬顆粒聚結成較大的顆粒,隨后水中的砷離子與混凝劑顆粒結合在一起,經(jīng)沉淀和過濾而被除去.人們對混凝-沉淀工藝去除砷的過程進行了大量研究,結果表明,As(Ⅴ)去除效果遠遠高于As(Ⅲ)的去除效果.若水中砷以As(Ⅲ)的形式存在,則需先進行預氧化,將As(Ⅲ)轉化為As(Ⅴ),再進行混凝處理.Sorg等人對混凝過程中p H值對除砷效果的影響進行了研究,結果表明,分別采用鋁鹽和鐵鹽做混凝劑時,最佳的p H值范圍分別是5～7和5～8.Thirunavukkarasu等人[30,31]的研究表明,砷的去除效果與砷在源水中的濃度關系密切.為了提高傳統(tǒng)混凝-沉淀工藝對砷的去除效果,研究者們通過改進混凝劑、強化混凝以及預氧化等技術,使得砷的去除率不斷得到提高.研究結果表明,除了鋁鹽和鐵鹽外,采用錳鹽、鈣鹽、鎂鹽做混凝劑都能取得良好的除砷效果[32].Song等人[18]以鐵鹽和粗方解石為混凝劑,采用強化混凝加傳統(tǒng)過濾工藝處理礦井排水系統(tǒng)的高砷水,結果表明,砷的去除效果高達99%,處理后砷的質(zhì)量濃度由5 mg/L降低13μg/L.

USEPA在將飲用水水質(zhì)標準中砷的標準值修訂為0.01 mg/L的同時,推薦了除砷的最佳可行技術(BA Ts)[34],如表2所示.這些技術不僅在經(jīng)濟和技術上可行,而且經(jīng)過水處理實踐和檢驗證實其具有很強的實用性.

表2 USEPA推薦的BATs及砷的去除率

3 風險控制措施

為了確保飲用人群的健康,必須采取有效措施降低風險.目前可以采用的措施主要有:

1)加強污染源監(jiān)管.對超標的飲用水源中砷的來源進行分析,如果來自于人工源,則需加強對污染源的監(jiān)管,禁止含砷廢水排放.對于由天然原因造成的高砷水源,則需考慮選擇替代水源.

2)增加污染治理的投資.根據(jù)砷的風險評價結果,當源水中砷的質(zhì)量濃度小于或等于0.002 mg/ L時,所產(chǎn)生的風險是可以接受的.但是常規(guī)的處理工藝難以使水中砷的質(zhì)量濃度降至0.01 mg/L以下,因此,對于集中式飲用水源,需加大凈水投資,由傳統(tǒng)混凝沉淀工藝改變?yōu)椴捎秒x子交換或膜處理等深度凈化工藝.對于分散式飲用水源,需配備小型凈水設備.

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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,助理工程師,主要從事環(huán)境管理及其研究工作.