砷的危害及其污染治理技术

2017-04-04陈强

福建农业科技 2017年6期

关键词：三价电位毒性

陈强

(福建农林大学资源与环境学院 350002)

砷的危害及其污染治理技术

陈强

(福建农林大学资源与环境学院 350002)

综述砷的危害及其转移途径，总结改变种植品种、施用磷肥、采用稀释法和吸附法、提高土壤氧化还原电位等措施治理砷污染。

砷；毒性；转移污染；治理技术

Abstract: In this paper，the arsenic hazards and its transferring pathway are reviewed, and the measures for controlling arsenic pollution were also summarized from the aspects of changing planting varieties, applying phosphate fertilizer, adopting dilution or adsorption methods, increasing soil oxidation reduction potential, etc.

Keywords: Arsenic; toxicity; transfer pollution; treatment technology

我国土壤污染问题日益严重，据2014年国家相关部门公布的土壤调查报告表明，全国土壤总的点位超标率为16.1%，其中砷的超标率为2.7%，在调查的无机污染物中居第三[1]。砷在地壳中的含量为1.5 mg/kg，但是砷较容易转移到土壤、水中。转移的途径主要有两个方面，分别为包含大气沉降、雨水侵蚀、微生物作用下砷化物的代谢等的生物地球化学循环过程，以及涉及施用农药、开采矿物等的人类生活生产活动。我国砷污染呈南北走向，海拔越高，土壤砷含量越高。砷超标区域主要位于砷的矿区附近，其附近农田土壤砷污染最为严重，土壤砷含量高达1000 mg/kg[2]。

砷的化合物被用于工业和医疗等方面，合理的砷含量可以促进人体新陈代谢。但砷也是一种有毒的元素，不合理的利用、排放含砷物质，累积到一定程度，会对人类造成伤害，导致器官变异等。在自然力和人为的影响下，砷可以在环境中迁移。三价砷与人体中酶的结合，可抑制酶活性，导致糖代谢紊乱、中毒性神经衰弱症候群等问题。五价砷的毒性是慢性的，可造成脊髓炎、再生不良贫血等后遗症。因此，对砷的理化性质分析以及对砷的治理刻不容缓，并且针对不同程度的污染，从经济、地理环境等方面考虑采用不同的技术治理。

1 砷的性质

1.1理化性质

砷呈灰色，是一种类金属。砷位于元素周期表第5主族，原子量为74.92，核电荷和电子数为33，电负性为2.20。砷及其化合物毒性很强，三价砷毒性最强，砷酸盐的有机态毒性较小[3]。

1.2毒性

在正常途径中，砷主要是通过饮食和饮水进入体内，经过呼吸系统进入人体的比较少见。砷会对人体造成比较强的毒性，并且有使细胞组织变异等能力。因此，国家对饮用水的砷含量有相应规定和约束。

砷本身毒性很小，进入身体后绝大部分不被吸收，并且经过新陈代谢被排出体外。但是三价砷和五价砷有毒性，三价砷毒性强。据相关研究表明，三价砷和五价砷对动物有致畸的作用[4]。台湾西南沿海地区的一种地方性疾病乌脚病与砷有关，这种疾病会导致病人肢体出现溃烂等症状[5]。

2 砷的转移途径

在自然情况下，地下水中的砷大部分来自水和岩石的相互作用，且其含量随时间和位置而改变，环境因素也会影响砷在各方面的转移。对我国台湾台北市关渡平原农地土壤进行检测，发现其土壤中砷含量超过标准(60 mg/kg)的面积达100多hm2[6]，可能是由于地热谷附近累积的的砷铅铁矾矿物所致。土壤中的砷以不同的形态存在，主要影响因素是氧化还原电位，一般以砷酸盐形态在土壤中存在，在氧化还原电位较低的地点，以亚砷酸盐形式存在[7]。

2.1机械方法扩散转移

砷在多孔结构的物质中转移时，由于多孔结构的存在和渗透性的差异，与地下水运动方向不同，砷的扩散表现在水平和垂直方向上。根据Fick定律，机械方法扩散量与水体中的物质浓度有关，砷浓度越大，在水中的扩散速度就越快。

2.2氧化还原电位和酸碱度对砷的转化转移

在水中主要以砷酸盐和亚砷酸盐的形态转移。水中占主要地位的氧化剂是DO、三价铁离子、四价锰，还原剂是硫化氢、二价铁离子和锰离子。水体中的氧化还原点位与酸碱度有关。

在pH值5～7时，带负电的二氧化砷离子、砷酸盐离子和亚砷酸盐离子容易吸引正电的物质，并与这些物质产生难溶物，尤其在氧化剂的作用下，臭葱石可以与砷发生反应，形成难溶物，这抑制了砷的转移，也会让水中的砷含量降低。在具有还原性的条件下，一些矿物粘土带有更多的负电子，这大大减少了对砷污染物的吸引，导致水中砷含量较高，随着水体自身的流动，使其转移转化速度得到提高。

在偏碱性条件下，Fe(OH)3带负电，对正电荷具有吸引作用，尤其在有氧化剂的条件下，绝大部分的砷都被释放到水中，大大提高了砷的转化转移率。在pH值4～7时，砷酸盐会向氢氧化铝不断靠拢，pH值4～9时，靠拢能力基本稳定。因此，随着地下水的酸碱度不断提高，偏碱性物质的不断聚集，溶解出来的砷酸盐含量超过亚砷酸盐，从而使地下水中的砷酸盐含量提高[8]。

在还原剂较多的状态下，三价砷和五价砷比较，三价砷的活性更强。随着氧化还原电位的减弱，绝大部分的砷以亚酸盐存在。因此提高了砷的转化转移率。

2.3生物体对砷转化转移的影响

水中有机物的浓度和生物的活动影响砷的迁移转化，同时也引起水的电位和酸碱度的变化，沉积物中的有机质含量在同一垂直方向电位不同，有一定的差异。水中的生物死后残体在化学作用下经多年的沉淀变成含砷的物质，动植物的排泄物经过一系列的反应生成硫化氢，硫化氢又会促进砷形成难溶化合物或者与其他重金属形成沉淀物，抑制了砷的转化转移速度。

许多酸和植物的残体也会影响着砷的转移。一定的条件下，酸的一些生色团与砷进行结合，影响到水中砷的含量。同时酸性物质具有还原性，导致砷价态变低并且析出，促进了砷的转移。

3 砷污染防治

更换土壤、改变种植品种、使用改良农药、改变土地用途等在农业治理砷污染中广泛运用。对于小面积、污染不严重的地块，可以将表面受污染的土壤更换正常的土壤，使砷的含量减低。对于污染较严重、面积较大的地块，选择施用适宜的药剂例如石灰、钙镁氧化物，这些药剂与砷形成不溶物使砷被固定，可减弱砷的转化转移以及对动植物的毒性。施用马粪等也可以有效降低砷的毒性和含量。砷污染主要是大气以及污水灌溉导致的，因此控制大气和灌溉水的砷含量是防治砷污染的根本途径。

3.1优化种植品种

砷在土壤中可以转移，被农作物吸收后通过食物链，最后在人的身体中富集，危害人体健康。因此，可以通过种植没有食用价值的具有超富集砷能力的植物，收割植物从土壤中带走砷，以实现对砷污染土壤的治理。我国台湾台北市关渡平原农地等土壤砷污染严重，通过种植蜈蚣草对污染土壤进行有效治理。蜈蚣草在我国热带、亚热带地区分布较广，在欧美等西方国家也有分布，对不同地区的不同气候适应性很强，且其对土壤环境酸碱度要求不高，pH值4.5～8.5均可正常生长，是治理土壤砷污染的首选植物[9]。

3.2施用降砷肥料

研究结果表明，砷污染的土壤施用适宜的磷肥，可以降低砷的毒性。土壤砷浓度小于40 mg/kg，磷与砷的比例4∶1，砷对植物的负面影响(生产缓慢，植株矮化、瘦弱、枯黄死叶等)大幅度减弱，同时磷肥有利于蔬菜作物的生长。施用含有铁、铝盐类的肥料也有控制砷污染的效果，肥料中的铁、铝与砷等结合形成沉淀，附着在土壤颗粒上，可减少土壤中的水溶态砷，降低了植物对其的吸收，从而达到控制污染的目的[10]。

3.3换土法、客土法、稀释法

换土法和客土法是消除砷污染等重金属污染比较传统的方法。换土法是将受污染土壤表土部分或者全部转移，换上没有污染的土壤。客土法则是将没有污染的土壤置于污染土壤的表层，使植物的根部与污染物隔离，控制污染物的转移。稀释法是对受污染的土壤进行分层处理，将受污染较为严重的土壤用污染较轻或者没有污染的土壤充分混合，降低土壤中砷的浓度，从而减少对植物的危害。

3.4提高氧化还原电位

合理调整氧化还原电位可以降低土壤中的可溶性砷[6]，并且促进三价砷转化为五价砷，降低对植物的毒性。通过改变田地的性质，将水田变为旱田，或者水田定期晒田和排水，均可降低土壤氧化还原电位。但是植物体内有一定的氧化还原电位，要求土壤的氧化还原电位要与植物所需要的相适应，适合旱田生长的植物对砷的耐受能力相对较高。微生物类群也能影响土壤的氧化还原电位，增加硝化细菌的密度可以提高氧化还原电位，能够降低砷对植物的负面影响。

3.5采取改良后的吸附法

海泡石是一种富含镁纤维状硅酸盐黏土矿物，是目前比表面积最高的天然无机矿物质[7]，材料环保，没有二次污染，具有较高的经济价值[10]。对砷有很强的吸附性能，并且价格低，加工程序简单。用HCl溶液改进的海泡石，可以用于铬、汞重金属离子的处理。用三氯化铁对海泡石进行改良后，可有效吸附去除水中的砷，去除率大于95%，处理后的砷含量低于饮水用的标准。

4 结论与展望

砷在环境中的迁移转化受到多种因素影响，砷污染不仅对环境有影响，对生物体也有重大影响。砷在农业等各方面被广泛应用，其用量要严格控制。随着科技的不断发展进步，对砷污染的去除技术也取得明显进步，例如膜处理技术的应用，除砷效果好，操作简单且无二次污染。但从根本上解决砷污染，应实现清洁生产，对需要利用砷的原料、工艺等实现无砷排放，从而控制砷污染的源头，达到保护环境、保证健康的目的。

[1]陈寻峰.砷污染土壤淋洗修复技术研究[D].长沙：湖南大学,2016.

[2]张靖佳,单世平.我国砷污染现状及生物修复技术的应用与展望[J].农业网络信息,2016(11):64-67.

[3]王东华，赫春曦.环境中的砷[M].北京：中国环境科学出版社，1992.

[4]王敏华，赵伦山，吴悦斌.山西山阴、应县一带砷中毒区砷的环境地球化学研究[J].现代地质，1998，12(2):243-248.

[5]CHIN-HSIAO TSENG,CHOON-KHIM CHONG,CHING-PING TSENG.台湾乌脚病:它与饮用水中无机砷接触的关系[J]. AMBIO-人类环境杂志,2007,36(1):78-80.

[6]李昌静，卫钟鼎.地下水水质及其污染物[M].北京：中国建筑工业出版社，1983.

[7]陈怀满.土壤中化学物质的行为与环境质量[M].北京：科学出版社，2002.

[8]林熊,唐建,宋锐,等.氧化还原电位水在农业中的应用概述[J].四川农业科技,2014(1):56-58.

[9]陈同斌,韦朝阳,黄泽春,等.砷超富集植物蜈蚣草及其对砷的富集特征[J].科学通报,2002(3):207-210.

[10]张琦.海泡石吸附性能研究[D].石家庄：河北工业大学,2002.

(责任编辑：刘新永)

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