水體中砷離子去除方法綜述

李桂娥，郝峰焱

（1.昆明理工大學；2.昆明理工大學冶金節能減排教育部工程研究中心，昆明 650093）

砷，化學符號為As，位于第4周期、第VA族，是一種處于金屬與非金屬過渡區域的類金屬元素[1]。砷化物會通過采礦業、礦物加工業、冶金作業以及農業生產等形式進入水體中，從而引起水體的污染[2]。這些水體中的砷化物通過食物鏈逐級傳遞，最終危害人類的健康[3]。常用于處理水體中砷的方法有化學法、物理法以及生物法等，詳細了解這些方法的優缺點有利于技術人員更好地處理砷危害的突發事件。

化學法適用于處理含砷濃度較高的水體，這種方法常用于處理工業含砷廢水；對于砷濃度低的水體，可通過物理法進行處理；生物法適用于處理周期長、濃度低的含砷水體[4]。所以，處理含砷水體時，應視具體情況選用最合適的方法，以達到預期目的。

1 化學法

化學法是通過向水溶液中加入合適的化學物質使砷離子形成沉淀或膠體，再進行過濾去除。目前主流的除砷方法是化學法，處理難度較低，能處理大量的含砷水體，砷的去除率很高。硫化沉淀法、絮凝沉淀法、中和沉淀法是化學法中最主要的三種處理方式。

1.1 硫化法沉淀

砷離子在水溶液中常以3價和5價的形態分散到水體中，并且會達到離子的動態平衡[5]：

使用硫化法進行處理，整個反應機理如下：

為了獲得較高的砷去除率，對溶液的pH值和溫度進行調整。研究表明，當pH控制在9～11時，水體中的As＜0.5 mg/L。這種方法在某些企業已經有較好的實際應用，但這種方法還會發生如下反應：

生成的硫化氫有劇毒，如果發生泄漏將對現場的操作工人造成生命威脅。同時，此種方法的處置成本較高，難以大規模推廣。從硫化法除砷機理來分析，其間生成了低可溶性的硫化砷沉淀，可實現水體中砷的分離。同時，硫化法在砷銻渣的分離方面也有廣泛的應用。在有效進行分離的同時實現渣的綜合利用，該方法取得顯著的環保效果，帶來顯著的社會效益。由于以上特點，此方法適用于小規模處置水體中的砷且廢渣中同時含有銻的情況。

1.2 絮凝沉淀法

絮凝沉淀法是將工業上使用的鐵鹽和鋁鹽等物質加入含砷水體中，通過水解產生鐵和鋁的氫氧化物膠體，再與砷離子靜電結合生成穩定的絮狀凝聚物，沉淀分離后達到凈化水體的目的。石灰-鐵鹽法是最常用的絮凝沉淀除砷法，已在很多大型企業運用。利用石灰調節水體的pH，使其保持在8.5～9.0，這種環境下砷離子會與鐵離子結合成不穩定的絡合物，再通過氫氧化鐵膠體對絡合物進行吸附沉淀，通過重力作用將沉淀分離[6]。

絮凝沉淀法使用鐵鹽化合物作為原材料，水解后生成親水性的水合氧化物，膠體粒子能更容易長大凝聚，對砷離子進行沉淀。絮凝法具有原材料成本低、操作簡便等優點。但是，其也存在鐵鹽消耗量大、渣量大、企業堆存壓力較大、產物穩定性不高、容易二次浸出而污染環境的缺點。該方法適用于飲用水源以及工業廢水中的砷的去除。

1.3 中和沉淀法

中和沉淀法是在工業酸性廢水中加入強堿性的石灰對水體的pH進行調節，溶液中的砷離子與鈣離子發生化學反應形成砷酸鈣沉淀，通過固液分離的方式達到除砷目的。當溶液pH控制在11～12時，砷離子去除效果最好。這種方法工藝簡單、易于實施，成本低，是最傳統的除砷方法。缺點是產生大量含砷廢渣，研究表明，形成的砷酸鈣穩定性較差，在酸性條件下容易分解，砷離子暴露能力高，需在專門的填埋場堆放，并且堆存條件苛刻，處理不當有可能造成二次污染。水體中含有大量砷和其他重金屬離子，在堿性條件下會生成沉淀，所形成的沉淀物成分復雜，使后續處理難度提高。在目前的低濃度除砷體系中，一般都采用石灰進行處理。為了強化除砷效果，使用石灰和鐵鹽共同處置的二步除砷法。

2 物理法

物理法是指利用具有優異物理、化學特性的材料除去水體中的砷元素。常見的物理法除砷主要有吸附、離子交換、膜分離以及電絮凝法等。

2.1 吸附法

吸附法是指通過吸附除去水體中的砷元素，一般使用具有較大比表面積和對砷有特異性吸附能力的材料。通常選用的吸附材料有軟錳礦、活性氧化鋁、沸石、活性炭等。它們都具有表面積大、熱穩定性好和吸附特性強的特點。

姚敏使用軟錳礦作為原材料，在含砷酸性廢水中進行As3+和As5+的吸附研究。試驗結果表明，當pH值為2時，1 mg/L的As（Ⅴ）離子吸附量為3.77 mg/g，對As（Ⅲ）離子吸附量為2.42 mg/L，具有較好的吸附性能[7]。

吸附法操作簡單、處理迅速、對環境不產生或很少產生二次污染，并且吸附劑種類眾多、可重復使用。但吸附材料成本高、吸附容量有限，適用于單一離子溶液的吸附。在離子成分復雜的水體中使用吸附法處理時，其中含有的有機物也會嚴重干擾吸附劑的性能，具有一定的針對性。因此，該方法適用于成分單一、沒有過多干擾雜質的含砷水體的去除，且砷離子濃度較低，高砷濃度的水體不適用此方法。

2.2 離子交換法

離子交換法是通過樹脂上的離子對砷離子進行置換作用，達到凈水效果。胡天覺等通過研究制備出一種新型離子交換樹脂，通過選擇置換作用將砷離子進行去除，砷去除率可達99.99%[8]。

離子交換法處理量大，分離效果好，維護簡單、可再生使用。但初期投資高且除砷成本高，當水體成分復雜時，需進行離子的預處理，操作變得更加復雜。該方法適用于大規模處理不含其他離子的含砷水體，適用條件比較苛刻，無法工程化運作。

2.3 膜分離法

膜分離法是利用離子在膜兩邊的選擇滲透差異性來實現凈化水體的目的。按照孔徑的不同，常用的膜可分為反滲透膜（RO）、納濾膜（NF）、超濾膜（UF）和微濾膜（MF）。膜分離法作為一種新型除砷方法，能重復多次使用并且不會造成污染。但膜分離法限制性因素也十分明顯，設備和技術操作難度大，處理時需要大量的回流水參與，不適合在水資源匱乏的地區使用。該方法適用于處理濃度較低、處理量不大、組分相對單一且有較高回收價值的廢水。

2.4 電絮凝法

電絮凝法是一種物理化學機理共同作用的除砷技術。一般使用鋁、鐵等物質作為陽極，在電解作用下溶解形成Fe2+和Al3+，并經過水解和聚合過程，形成一系列多核水解產物，如鐵離子形成Fe(H2O)、Fe(H2O)5(OH)2+、Fe(H2O)4(OH)2+、Fe(H2O)8(OH)等，對砷離子進行吸附沉淀，達到凈化水體的效果。有研究指出，使用不同的電極材料去除水體中的砷，在50 V的電壓下，銅、鋁、鐵做電極時，砷的去除率分別為48%、46%、88%，當鐵做正極銅做負極時，通電120 s，砷的去除率為99%，除砷效果更加顯著。

電絮凝法除砷效率高、工藝靈活，無污染。但電量消耗大，經濟成本高，不利于大規模使用。該方法適用于小體積的水體治理。

3 生物法

生物法是通過植物和微生物對砷進行吸收、固定和轉化的技術[9]。植物對水體中砷的去除是以多種方式進行的。將植物、微生物培育在含砷水溶液中，并通過揮發、提取、固定以及根系過濾等方式除砷。

與植物除砷方式不同，細菌對水體中的砷進行去除具有可行性。這類細菌有蠟狀芽孢桿菌、氧化亞鐵硫桿菌、變形菌、硫酸鹽還原菌等，它們是通過細胞壁和胞外聚合物對砷進行吸附，或者通過自身的新陳代謝將砷富集在細胞體內。真菌可通過基因改造用于去除水體中的砷。目前常用于除砷的真菌包括：曲霉菌、木霉菌、煙曲霉、白曲梅、酵母菌等。

生物法具有除砷效果好、成本低、污染小的特點，因此具有巨大的發展潛力和開發價值。缺點是對環境要求苛刻，處理突發事件的能力弱。目前無法大規模展開此種方法的應用。

4 結論

砷污染對于全世界來說都是一個難題，對人類的生存造成了嚴重的威脅。隨著對砷的不斷研究，科研人員對砷有了越來越多的認識，開發了許多新型的除砷手段，并且除砷效益優異。目前，人們在砷的研究和環境治理方面取得了不錯的成績，通過化學法、物理法和生物法對含砷水體進行處理，可以達到對環境有效治理的目的。