地下水砷污染研究进展
㊀ 2015年1月
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第37卷㊀ 第1期
地下水
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Ground water
Jan. , 2015Vol．37㊀ NO．1
地下水砷污染研究进展
(1. 中国地质科学院研究生部, 北京100037; 2. 南京地质矿产研究所, 江苏南京210016)
[摘㊀ 要]㊀ 砷是一种毒性很强的致癌物质, 地下水的砷污染严重破坏生态环境, 危害人类健康, 已成为近年来国内外学者研究的热点问题㊂ 本文针对地下水的砷污染问题进行综述, 介绍了地下水砷污染研究现状, 并简单介绍了地下水中砷的来源㊂ 另外, 还针对地下水中砷的存在形态及其影响因素等方面作了详细介绍, 对砷污染的预防控制和修复治理起到指导作用㊂
[关键词]㊀ 地下水; 砷; 污染; 影响因素; 进展
[中图分类号]㊀ X523㊀ ㊀ [文献标识码]㊀ A㊀ ㊀ [文章编号]㊀ 1004
1184(2015) 01
0067
03
金㊀ 阳1, 2, 姜月华2, 李㊀ 云2
JIN ㊀ Yang 1,2, JIANG Yue -hua 2, LI ㊀ Yun 2
(1.Graduate Department of China Academy of Geological Science, Beijing 100037;2. Nanjing Institute of Geology and Mineral Resource, Nanjing 210016, Jiangsu)
Abstract :Arsenicis a severely toxic substance resulting in cancer. Arsenic contamination of groundwater has had a sig-nificantly negative influence not only on human health, but also on ecological environment, and it has been a hot issue for a-broad and domestic scholars in recent years. This paper summarizes arsenic contamination in groundwater, introduces current status of the research focused on Arsenic in groundwater, meanwhile, it also simply depicts its source. In addition, this article shows several aspects of Arsenic contamination in details, including existence form, impact factors, and points out the instruc-tion for preventive control and remediation of arsenic contamination in groundwater.
Key words :Groundwater;arsenic;contamination;effectfactors and progress ㊀ ㊀ 砷是一种常见元素, 在自然界中广泛分布, 地壳中砷的丰度为5ˑ 10-6㊂ 砷可以与金属或非金属物质结合形成无机或有机砷化合物, 工农业生产和医药等领域都有砷化合物的应用, 目前已知的含砷矿物约有320种, 如最常见的雄黄(AsS) ㊁ 雌黄(As 2S 3) ㊁ 砷黄铁矿(FeAsS) 等都是含砷矿物[1]㊂ 含砷化合物通过风化㊁ 氧化㊁ 还原和溶解等作用向环境中释放砷:农业生产中大量使用污水灌溉, 含砷农药用于虫害治理, 采矿㊁ 冶炼㊁ 电镀㊁ 化工等工业生产中 三废 的大量排放, 使砷等重金属进入土壤中, 造成严重的土壤砷污染, 导致农直接导致地下水砷浓度升高, 水质恶化㊂ 地下水中的砷通过饮水和食物进入人体, 当它在人体内积累到一定量时, 就会对人体健康造成严重危害㊂ 因此, 本文主要对地下水砷污染的研究现状㊁ 砷的来源㊁ 存在形态㊁ 影响因素及其修复技术等方面进行综述, 为科学地理解地下水砷污染提供理论基础, 同时为合理地控制和治理地下水砷污染提供指导㊂
作物产量和质量下降[2-3]㊂ 更严重的是进入地下水中的砷,
开始实施新的‘ 生活饮用水卫生标准“ , 该标准将砷含量由50μg/L 降低到10μg/L㊂
相关研究表明, 地下水砷污染具有隐蔽性㊁ 滞后性㊁ 积累砷是植物生长非必需元素, 但地下水中砷含量过高会对植物
Research Progress of Arsenic Contamination in Groundwater
性㊁ 不可逆性和长期性等特点, 对农作物和人体危害极大[5]㊂ 产生毒害效应, 危害其生长发育, 使农作物产量和质量下降, 而且会通过食物链进入人体㊂ 李圣发等研究表明砷对植物的光合作用㊁ 呼吸作用㊁ 酶活性及其营养代谢均有不同程度的影响[6]㊂ 高砷地下水作为饮用水造成的危害令人触目惊心㊂ 印度西孟加拉州地下水遭受严重砷污染, 该地区饮用水中砷浓度大于50μg/L 的高砷暴露人口达600多万, 砷中毒患者超过20万[7]㊂ Welch 等研究美国内华达州南部卡尔森等研究阿根廷某平原发现该地区砷浓度为1. 0~5300μg/L [9]㊂ 日本政府将砷中毒与铅中毒㊁ 水俣病㊁ 骨痛病一起沙漠地带地下水, 发现其砷浓度高达2600μg/L [8]㊂ Smedley
1㊀ 地下水砷污染研究现状
砷污染是一个世界性的问题㊂ 目前, 世界各国积极开展地下水砷污染研究并制定相关标准㊂ 但由于各国生活水平和技术存在很大差距, 从而导致饮用水中砷的安全标准存在差异㊂ 世界卫生组织(WHO) ㊁ 欧盟㊁ 日本㊁ 美国等先后将饮用水中砷的安全标准定为10μg/L
[收稿日期]㊀ 2014
08
27
[4]
列为四大公害病㊂
我国地下水砷污染危害状况也不容乐观㊂ 卫生部近期公布的官方数据表明, 我国暴露在砷浓度大于50μg/L 的人口数量高达185万[10]㊂ Rodríguez-Lado 等通过风险模型确认了我国砷污染区, 同时估计我国有1960万人口正遭受地下水砷污染的影响[11]㊂ 其中, 台湾㊁ 新疆㊁ 山西和内蒙古等地是我国砷污染严重区,Kuo 等在20世纪60年代对台湾地区地下水水样进行测试, 结果表明地下水砷浓度为10~1800
㊂ 我国从2008年7月
[基金项目]㊀ 中国地质调查局基金项目([1**********]06,[1**********]0)
[作者简介]㊀ 金阳(1990-) , 男, 山东淄博人, 在读硕士研究生, 主攻方向:地下水污染㊂
67
2㊀ 地下水中砷的来源
μg/L [12]㊂ 在山西山阴县研究发现砷浓度最高可达1530μg/L [13];Zhang 等在研究我国北部河套平原地下水砷污染情况后, 建立了砷含量与水力梯度之间的经验公式, 当水力梯度小于0. 79ɢ 时, 砷浓度将大于10μg/L, 但该关系仅适用于河套平原地下水的补给区和径流区[14]㊂ 华东地区也存在砷浓度超标情况,Jiang 等分析研究了浙江北部地区地下水中砷的分布特点并提出建议, 其最大砷浓度达80μg/L [15]㊂ 2008年5月, 云南阳宗海发生砷污染事件, 砷浓度最高值曾达1340μg/L [16]㊂
3㊀ 砷在地下水中的存在形态
溶于降水中, 通过径流㊁ 入渗等途径污染地下水㊂ 我国每年使用煤炭总量达19亿t,Tian 和Qu 等估算得出我国2005年由煤炭燃烧释放到大气中的砷为1500t [22];Yang 等研究表明, 北京地区大气中砷含量为0. 32ʃ 0. 17mg /m 3[23]㊂ 自然界中的砷主要有四种存在形态:As 3-㊁ As 0㊁ As 3+㊁ As 5+㊂ 自然环境的酸碱度(pH) ㊁ 氧化还原电位(Eh) ㊁ 温度㊁ 离子种类和含量等因素均影响砷的存在形态㊂
地下水中砷的存在形态有多种㊂ 牛凤奇等认为地下水中[1]地下水中的砷来源主要有两个方面:自然来源和人为活动来源㊂
前者主要指由于自然环境条件发生变化, 含砷矿物中的砷被释放, 进入地下水中㊂ 砷在地壳中广泛分布, 位居元素丰度顺序的第1) 盐等, 其中包括元素砷14位[17]㊂ ㊁ 以砷为主要成分的矿物有砷化物㊁ 硫化物㊁ 氧化物㊁ 砷酸盐和亚砷酸320多种(见表Wen , 这些矿物中的砷经过物理化学风化作用进入地下水中㊂ 平原北部阴山的富砷矿物很可能是其含水层中高浓度砷的最等在阅读分析大量相关文献资料的基础上, 总结得出河套终地质来源[18]该地区高砷主要来自全新世沉积物及曲流河古河道沉积㊂ Shah 等针对印度Ghaghara 盆地的研究表明, 而且, 河流南北两岸地下水中砷含量的差异也表明受地形因素影响显著[19]性, 砷容易富集于硫化物矿地带㊂ 另有研究表明, 矿物中的砷对硫化物有很强的亲和, 主要以硫化物的形式存在, 如砷黄铁矿(FeAsS) ㊁ 雄黄(AsS) 等㊂ 土壤侵蚀㊁ 微生物活动及火山喷发等也是含砷物质的重要来源[5]表1㊀ 天然存在的主要含砷矿物㊂
[20]
矿物成分出现环境
天然砷As 裂隙地热水
雄黄
AsS
矿脉堆积物, 与雌黄㊁ 粘土及石灰石有关, 存在于温泉沉淀物中雌黄
As 2S 3
裂隙地热水, 温泉及火山喷发的产物
含砷黄铁矿FeAsS 含砷最丰富的矿物, 主要存在于矿脉中
辉钴矿CoAsS 高温沉积物, 变质岩红参镍矿NiAs 矿脉堆积物及苏长岩硫砷铜矿Cu 3AsS 4裂隙地热水
砷华As 2O 3
含砷黄铁矿㊁ 天然砷及其它含砷矿物的氧化次生矿物臭葱石
FeAsO ㊀ 次生矿物
量增加㊀ 后者指人类活动直接或间接参与下4㊃2 H 2O
㊂ 采矿㊁ 冶炼㊁ 电镀㊁ 化工㊁ 废物焚, 化导致地下水中砷含处理等行业排放的废水㊁ 废渣, 以及大量使用含砷的化肥㊁ 农药等都导致地下水中砷含量增加㊂ 如砷化镓与砷化铜广泛应用于冶金业㊁ 半导体工业; 无机砷(砷酸铅㊁ 乙酰亚砷酸铜㊁ 亚砷酸钠和砷酸钙等) 和有机砷酸盐(稻脚青㊁ 稻宁㊁ 巴黎绿等) 是农药化肥的重要成分; 甲肿酸㊁ 二甲次肿酸等用作除草剂; 对氨基苯胂酸作为饲料添加剂用于家禽等[21]68
㊂ 此外, 工业废气中的砷
的砷以溶解态和颗粒态两种形式存在酸盐(AsO 物, 溶解砷被34-地) ㊁ 下亚水砷中酸具盐有(AsO 吸附23-性) 的及颗少㊂ 粒量溶解砷主要是砷物甲吸基附化的形砷成化颗合粒砷㊂ 郭华明等将地下水中砷的存在形式三价(砷(As 3+) ㊂ 的其形中式, 无机砷化物主要以分五为价无砷机(砷As 化物和有机砷化物[24]5+) 和低MMA) ㊂ 因此㊁ 二甲基砷酸盐存, 砷在地下水中(DMA) 在; 有机砷化物包括甲基胂酸盐大多以等无, 占地下水中总砷的比率极机形态存在, 其中氧化条件下以五价砷(As 5+主㊂ 高松等研究表明) , 为在主酸, 性还氧原化条环件境下中以, 三溶价解砷态(砷As 3+主要) 为以无机砷酸盐(AsO 酸盐(AsO 34-) 形式存在, 而在碱性还原环境中, 亚砷有研究表明23-, 地下) 含量与溶解态砷含量的比值明显增大[25]水中无机砷化物比有机砷化物的毒性㊂ 大另, 三价砷(As 3+4㊀ 地下水砷污染的影响因素
) 类比五价砷(As 5+) 类的毒性大, 且迁移性强㊂ 酸碱度(pH) 对地下水中砷的存在形态起着重要作用㊂ 砷在地下水中(pH =4~9) 主要以砷酸盐(AsO 盐(AsO 34-) 或亚砷酸可以在酸碱条件23-) 的形态存在发生变化, 与其它阴离子时与不同数量的的电氢化离学子性结质合相形似成, 不同价态的阴离子㊂ 因此, 地下水中的砷容易被含水层中带正电的物质, 如铁铝氧化物㊁ 水铁矿㊁ 高岭石㊁ 蒙脱石及其它粘土矿物等吸附㊂ 随着pH 值的增大, 胶体和粘土矿物带有更多的负电荷, 吸附以阴离子形式存在的砷酸根(AsO 亚砷酸根(AsO -34-) 或态的砷发生吸附作用的23) 的能力会降低pH 值范围也不一样㊂ 另外, 不同物质对不同形[20]究铁的氢氧化物对砷酸盐(AsO 在pH 值较低时铁34-的氢) 与亚砷酸盐㊂ 氧化物会吸(Pierce 附AsO 更23-等研吸附时表明, 多的) 的五价砷(As 5+放回地下水中) , 而随[26]pH 值升高, 更多的五价砷(As 5+氧化还原环境决定地下水中砷的形态㊂ 一般来说, 弱碱性地下水中砷含量偏高) 又被释㊂ 在氧化环境中㊂
, 地下水中的砷化物容易被胶体或铁锰氢氧化物吸附; 而处于还原环境中当氧化还原电位(Eh) 达到一定程度时, 胶体和铁锰氧化物被还原成溶解性很大的低价态离子, 它们表面吸附的砷解吸进入地下水中㊂ 砷的价态亦受氧化还原环境影响㊂ 在氧化环境中, 砷化物主要以五价砷(As 5+原环境中则以三价砷(As 3+在氧化还原电位(Eh) 较低) 时形态为主, 五价砷㊂ (As 许嘉琳等研究表明) 形态存在, 而还5+三价砷(As 3+) , 随着三价铁(Fe 3+) 被还原为亚铁) 可以(被, Fe 2还+原成铁氢氧化物的溶解度随之增加, 导致原来被吸附的砷释放出) , 含来, 地下水中砷浓度增加[27]斯康辛州东部地下水中砷的㊂ 来Katie 源㊁ 迁Thornburg 移和滞留等研究时间时美指国出威, 该地区地下水中砷含㊂
量之所以增加是由于散布的富砷黄铁矿颗粒氧化溶解[28]
其他离子的种类和含量也会影响地下水中砷的存在形态㊂ 土壤中无机砷主要以五价砷形态存在, 魏显有等通过实验证明五价砷的存在形态与土壤中铝㊁ 铁㊁ 钙的含量有关[29]㊂ Han 等在研究银川平原浅层和深层地下水中砷的时空分布模型时发现, 高砷地下水主要集中在该区北部含铁量较少的浅层含水层中[30]㊂ Hu 等对大同盆地DY 孔24m 和50m 深度的两组样品进行了分批吸附试验分析, 试验表明相比三价砷(As 3+) , 五价砷(As 5+) 更易被吸附[31]㊂ 另有研究表明, 碳酸盐和重碳酸盐的增加对沉积物中砷的浸出有显著效果㊂
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5 结语
[15]Yuehua Jiang, Xun Zhou, Junyuan Jia, Quanping Zhou, Yunfeng
Li, Yun Li. Distribution Characteristics of High -Fluoride and 随着城市化和工业化进程的加快, 地下水砷污染问题日趋严重㊂ 目前, 关于地下水砷污染问题及其修复的研究有很多, 地下水中砷的来源㊁ 砷在地下水中的存在形态及其影响因素等方面均有研究开展类活动所产生的砷是地下水中砷的主要来源(1)岩石矿物等所含的㊂ 自研究普遍认为然砷和农药:
的使用㊁ 化工等(As 3(2)+) 的形式砷在地下水中主要以溶解态五价砷存在, 且三价砷(As 3+(㊂
人As 5+) 和三价砷于五价砷(As 5+) 的毒性和迁移性均强下水中砷的存在形态有重要影响(3)酸碱度) ㊁ 氧化还原环境㊂
㊁ 离子种类和含量等因素对地㊂
地下水中砷的来源㊁ 存在形态及影响因素等是基础性研究, 在科学掌握砷污染基础研究的同时, 可加强对砷污染地下水修复技术的研究, 全面推动地下水砷污染研究取得突破性进展㊂
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地下水砷污染研究进展
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
金阳， 姜月华， 李云， JIN Yang， JIANG Yue-hua， LI Yun
金阳,JIN Yang(中国地质科学院研究生部，北京 100037; 南京地质矿产研究所，江苏 南京210016) ， 姜月华,李云,JIANG Yue-hua,LI Yun(南京地质矿产研究所,江苏 南京,210016)地下水
Underground Water2015(1)
引用本文格式：金阳. 姜月华. 李云. JIN Yang. JIANG Yue-hua. LI Yun 地下水砷污染研究进展[期刊论文]-地下水 2015(1)