家庭饮用地下水的除砷装置实验研究

张西珠，赵彤璐

(1.太原工业学院环境与安全工程系，山西太原030008;2.西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室，陕西西安710071)

0 引言

除砷净化技术在我国早已有所研究和应用，主要进行工业污水的脱砷处理;应用新型饮水性砷中毒除砷复合材料研制一种除砷装置，用于病区的高含砷量饮用水[1]的处理，取得了良好的效果[2-3];而新型复合除砷材料应用于饮用水处理还未见报导.此外，对于新型复合除砷材料的这种除砷装置采用的过滤方式也尚未见其他学者报导过.目前，在高砷地区的居民饮用水方面主要是集中采用在病区寻找低砷水源，改炉、改灶、降低室内空气中砷浓度等有效的预防措施[4-5]，但是有些地区无低砷浅层水、深层地下水、泉水、河水可引;并且对于居民居住分散，高砷水集中处理困难，只能单独入户进行饮用水处理[6-9].本文利用新型复合除砷材料的除砷特性[10]，通过实验研究除砷净化装置作为饮用水除砷的可行性，并进行了实际的应用.

1 材料与方法[11-15]

1.1 试验装置

除砷净化装置由上下两筒连接为一体式.首先将配好的原始浓度为0.5 mg/L含砷水用真空泵打入高位槽，并以200～220 mL/min流速经转子流量计流入除砷净化装置，24 h连续过滤，同时，定时取样测试.含砷水经第一级过滤材料(主要由钙盐、铁盐、絮凝剂等按 1.5∶0.07∶0.05的配比组成，也就是 Ca(OH)21.5 g/L，FeCl3·6H2O 0.07 g/L，PAM 0.05 g/L，)即新型除砷材料的化学过滤，除去60% 的砷;然后再经二级过滤(经过二次浸渍的活性氧化铝)即新型复合除砷材料(直径为3～5 mm)的浸渍锰矿石和二次浸渍的工业活性氧化铝的物理吸附后达到良好除砷效果，二次浸渍的活性氧化铝物理吸附的等温吸附砷实验曲线见图1.

图1 活性氧化铝除砷效率曲线Fig.1 Efficiency graph of arsenic-removal with activated alumina

出水量不小于25 kg/d，砷原始浓度不大于0.5 mg/L，透过浓度不大于 0.05 mg/L，流速为200～220 mL/min，寿命不低于 5 a，除砷效率能够达到95% 以上.含砷水以180～200 mL/min流速由贮水瓶1流出，经进水孔板5，自下而上经新型复合除砷材料玻璃管3(粒径5 mm，474 g)，活性氧化铝4，由出水口5流出，流程见图2.采用新型复合除砷材料，进行沉淀、絮凝、澄清、过滤等达到除砷目的.仅装 1 kg新型除砷材料与0.5 kg二次浸渍的活性氧化铝新型复合材料一天即可过滤40 kg含砷水，过滤500 kg含砷水后出现了透过浓度超标情况.0#，5#水均为山阴县取回的水，浓度分别为 0.44 mg/L和 0.296 mg/L;过滤 540 kg水时透过浓度为 0.046 mg/L，过滤580 kg水时透过浓度为0.058 mg/L.每人每日饮水量10 L，每户每日饮水量50 L.

图2 试验系统示意图Fig.2 Schematic diagram of the experimental system

饮用水除砷处理工艺一般由预处理系统、过滤系统以及消毒循环供水系统组成(图3).本实验研究的新型复合除材料填装的除砷净化装置是作为过滤系统使用的.

图3 饮用水处理工艺流程图Fig.3 Flow diagram of drinking water treatment procedure

山西省朔州市山阴县存在饮用水砷含量超标情况，针对采用集中连片改水方案，投资大、配套设施复杂并且能耗高、建设周期较长等问题;研制家庭饮用地下水除砷净化装置，达到了良好的除砷效果.

1.2 结构和滤料

1)壳体设计为圆柱形，靠墙放置占地面积较大且不稳固;圆筒式净化装置分为上下两大部分，直径200 mm，高度400 mm，装10 kg复合材料(粒径 0.6～2 mm)，3.6 kg 活性氧化铝(粒径2 ～2.5 mm);

2)壳体设计为可壁挂的长方形，能够有效利用空间，外表面设计为半圆形，占地面积较小且相对稳固;可壁挂式净化装置尺寸为160 mm×160 mm×450 mm(长×宽×高)，长方体式滤料桶共装粒径 2.4 mm的复合除砷材料 7 kg，粒径2 ～2.5 mm 的活性氧化铝 2.8 kg.

图4 结构示意图Fig.4 Structural diagram

两种结构上部均为贮水桶，约可贮水30 kg，下部均为净化箱有滤芯和净水桶组成，结构如图4所示.经综合分析确定设计可壁挂式净化装置.将配好的浓度为0.5 mg/L含砷水以50 kg/d量加入贮水箱中，利用高位差通过孔板以200～220 mL/min的流速经过过滤层，在出水处取样监测透过水的含砷量.针对外壳采用搪瓷壳体易碰掉瓷和生锈等问题，将外壳选为无毒且表面光滑、加工工艺较简单的聚丙烯板作为主体材料.

1.3 试验过程

采用GB5750－1985《生活饮用水标准检验方法》[15]二乙氨基二硫代甲酸银比色法.试验条件为原水砷浓度 0.5 mg/L，出水流量 200～220 mL/min，间歇过滤方式.

1)24 h连续过滤时除砷效果.配制平均浓度为0.53 mg/L原砷水，透过浓度以超标为限，试验504 h后，过滤水量达到5 t.由图5看出，随着滤水量的增加，透过水的含砷量也随之增大，滤水量到5 t时，出水砷含量仍可达到国家饮用水标准要求.原砷水浓度0.5 mg/L计，如按每天每户供饮用水25 kg，5 t水可供居民家庭近200 d饮用;原砷水浓度为0.3 mg/L，则可供300 d使用;如果按居民只是白天使用25 kg/d计，则该试验装置能够使用1 a.

图5 连续过滤含砷水除砷效果1Fig.5 Effect of arsenic-removal by continuous filtration(1)

2)砷水浓度平均为0.572 mg/L时除砷效果.试验288 h，过滤水3 t后停止试验，由图6看出，处理3 t后，如果按25 kg/d饮用水计，可提供居民3个月使用.

图6 连续过滤含砷水除砷效果2Fig.6 Effect of arsenic-removal by continuous filtration(2)

3)连续过滤3 t水后，改为间歇过滤25 kg/d水时除砷效果.滤水量达5.38 t后，砷含量仍在0.0049 mg/L，见图 7.

图7 连续过滤含砷水除砷效果3Fig.7 Effect of arsenic-removal by continuous filtration(3)

4)每天过滤50 kg水，运行6个月，滤水量达到 10.61 t水后，砷含量小于 0.02 mg/L，见图8.

图8 连续过滤含砷水除砷效果4Fig.8 Effect of arsenic-removal by continuous filtration(4)

5)继续连续运行45 d后，滤水量由10.61 t增到12 t时，砷含量仍小于0.02 mg/L，见图9.

图9 连续过滤含砷水除砷效果5Fig.9 Effect of arsenic-removal by continuous filtration(5)

6)按照50 kg/d过滤水，流速由220 mL/min增至270 mL/min，滤水量达14.5 t后，透过浓度超标，导致超标的原因是先后经过11个月试验后，滤料粒度有所减小，这时阻力小了，导致过滤水流速增大，而过滤线路一样，水流停留时间变短，导致超标，见图10.

图10 连续过滤含砷水除砷效果6Fig.10 Effect of arsenic-removal by continuous filtration(6)

7)连续过滤3 t水后，改为间歇过滤的除砷效果.

加水25 kg/d，过滤到5 t时，透过砷含量仍保持在0.0049 mg/L，加大水量到50 kg/d，一直延续半年之久滤水量达到10 t多，透过砷含量仍然保持在不大于0.02 mg/L，结合用户的实际使用情况，间歇过滤有利于延长装置的使用寿命;先后共运行11个月后，滤水量达14.5 t，透过砷含量开始超标，若按25 kg/d饮用水含砷量0.5 mg/L计，其使用寿命可达1.5 a，若按50 kg/d饮用水计，可保证使用1 a.间歇试验比连续试验效果好得多，这说明试验装置适合于间歇使用，且对病区居民每天过滤一定量的水是比较适合的.

2 结果与讨论

根据饮水砷含量和病情严重程度，将现场观察点选择在重病区，按水0.40 mg/L＜砷含量＜0.20 mg/L，0.40 mg/L ＜ 砷含量 ＜0.60mg/L，砷含量＞0.60mg/L分别设3组，每组设2台过滤装置.本次共安装过滤装置15台，其中选6台作连续观测，观测期为2个月，每周检测2次;其余作动态观察.统一将过滤装置安装调试好，放置在合适位置，并要求安装上过滤装置的民户掌握日常维护及使用方法.在山西省卫生防疫站业务人员指导下，由县防疫站的业务技术人员按规定时间统一采集，所有采样机器材用完后在县防疫站化验室统一处理，以防止二次污染引起的采样误差.按照GB5750－1985生活饮用水标准检验方法规定的二乙氨基二硫代甲酸银分光光度法进行定量分析.对安装了15台过滤装置的用户，处理前的饮水作背景砷的化验，处理后的当天作1次砷的化验，1个月后再作1次化验，已掌握其过滤动态.其中选6台，按1.1要求作连续监测，已评价其连续除砷的效果，对6个观察点的过滤装置进行了连续2个月的检测结果见图11;同时对15台过滤装置作了1个月的动态观察结果见表1.

图11 连续观察结果Fig.11 Continuous observations

表1 动态观察结果Tab.1 Dynamic observations

3 结论

1)利用铝制剂进行除砷效果不及新型除砷材料和二次浸渍铝制剂的新型复合材料的除砷效果好;此外，在除砷净化装置中除采用该复合材料，并进行了适应于农村分散居住的民居家庭使用的结构设计.如果按50 kg/d饮用水计算，可供使用1 a，除砷效果稳定，连续运行除砷率为90.89%;间歇运行除砷为98.60%.

2)从图5～图8可以看出，随着处理量的不断增大，均出现了出水中砷浓度逐渐增大，然后又减小的现象，这种浓度震荡是由实验的连续和断续停止一定时间后后，复合过滤材料性能的暂时恢复引起的，如接着进行连续实验后，又会出现砷浓度增大的情况.

3)采用简单插管压把井的地区，井口封闭不好，井水浑浊度大，悬浮物多，并有藻类滋生，容易堵塞过滤装置的进水口，造成出水不畅，装置中的进水嘴容易被堵塞，可设计一个预过滤器，需对过滤装置进水口附加初滤材料，以防止悬浮物对进水口的堵塞;装置在试验时如果发现加水后流出变慢，是由于没有排气孔集气造成的，可设计排气装置.

4)针对砷含量最高的地区达到4.44 mg/L，超过国家标准的88倍情况研制家庭饮用地下水的除砷净化装置，该装置可将之处理至0.05 mg/L，本论文在理论和实用方面已得到很好的应用.

5)使用方便，性能可靠，操作简单易行，便于推广.材料成本低，除砷有效周期长，除砷容量大，无需再生，不会产生二次污染，同时不受饮水中砷离子价态的影响，而且间歇过滤要比连续过滤效果好，适合于农村推广使用.

[1]卢光明，赵霖，戚其平，等.内蒙地砷病病区人群的形态砷暴露研究[J].中国地方病学杂志，1997(4):3-6.Lu Guangming，Zhao Lin，Qi Qiping，et al.Study on levels and species of arsenic exposure through drinking water to population of endemic area in Inner Mongolia[J].Chinese Journal of Endemiology，1997(4):3-6.(in Chinese)

[2]刘超.地下水除砷[J].给水排水，1991(3):52-56.Liu Chao.Arsenic removal from groundwater[J].Water＆ Wastewater Enginering，1991(3):52-56.(in Chinese)

[3]王敬华.地方性砷中毒研究进展[J].地质科技情报，1997，16(4):79-83.Wang Jinghua.Advances in the studies of endemic arseniasis[J].Geological Science and Technology Information，1997，16(4):79-83.(in Chinese)

[4]金银龙，梁超轲，何公理，等.中国地方性砷中毒分布调查(总报告)[J].卫生研究，2003，32(6):519-540.Jin Yinlong，Liang Chaoke，He Gongli，et al.Study on distribution of endemic arsenism in China[J].Journal of Hygiene Research，2003，32(6):519-540.(in Chinese)

[5]山西卫生防疫站.饮水除砷净水器病区观察报告[R].1996.

[6]丁亮，黄承武.地下水用含铁锰矿石除砷[J].中国卫生工程学，2003，2(3):184-185.Ding Liang， HuangChengwu. Arsenic-removalfrom ground water using manganese and iron ore[J].Chinese Journal of Public Health Engineering，2003，2(3):184-185.(in Chinese)

[7]黄永炳，李晓娟，王丽丽，等.铁改性锰矿对砷的吸附性能研究[J].武汉理工大学学报，2011，33(9):115-119.Huang Yongbing，Li Xiaojuan，Wang Lili，et al.Study of the arsenic adsorption properties on modified manganese ore of iron ore[J].Journal of Wuhan University of Technology，2011，33(9):115-119.(in Chinese)

[8]李树猷，何淑敏，郑宇.活性氧化铝吸附法饮水除砷研究[J].卫生研究，1990，19(3):13-16.Li Shuyou，He Shumin，Zheng Yu.Study of arsenic removal from drinking water by activated alumina absorption[J].Journal of Hygiene Research，1990，19(3):13-16.(in Chinese)

[9]Altundogan H S，Altundogan S，Tumen F，et al.Arsenic removal from aqueous solutions by adsorption on red mud[J].Waste Management，2000(20):716-767.

[10]张西珠，赵彤璐.新型复合除砷材料有效除砷处理技术研究[J].中北大学学报(自然科学版)，2013，34(6):658-662.Zhang Xizhu，Zhao Tonglu.Effective arsenic removal technology study on new composites for removing arsenic[J].Journal of North University of China(Natural Science Edition)，2013，34(6):658-662.(in Chinese)

[11]同济大学给水排水教研室译.水污染控制实验[M].上海:上海科学技术出版社，1981.

[12]刘双进.污水处理新技术(反渗透和超滤)[M].北京:海洋出版社，1985.

[13]德格雷蒙公司.水处理手册[M].北京:化学工业出版社，1960.

[14]Lewis W M.国外水处理新技术[M].张亚杰，顾泽南，宋仁元，等译.上海:上海科学技术出版，1989.

[15]中国预防医学中心卫生研究所.GB5750－1985生活饮用水标准检验方法[S].北京:中国标准出版社，2004.