水体中砷离子去除方法综述

李桂娥，郝峰焱

（1.昆明理工大学；2.昆明理工大学冶金节能减排教育部工程研究中心，昆明 650093）

砷，化学符号为As，位于第4周期、第VA族，是一种处于金属与非金属过渡区域的类金属元素[1]。砷化物会通过采矿业、矿物加工业、冶金作业以及农业生产等形式进入水体中，从而引起水体的污染[2]。这些水体中的砷化物通过食物链逐级传递，最终危害人类的健康[3]。常用于处理水体中砷的方法有化学法、物理法以及生物法等，详细了解这些方法的优缺点有利于技术人员更好地处理砷危害的突发事件。

化学法适用于处理含砷浓度较高的水体，这种方法常用于处理工业含砷废水；对于砷浓度低的水体，可通过物理法进行处理；生物法适用于处理周期长、浓度低的含砷水体[4]。所以，处理含砷水体时，应视具体情况选用最合适的方法，以达到预期目的。

1 化学法

化学法是通过向水溶液中加入合适的化学物质使砷离子形成沉淀或胶体，再进行过滤去除。目前主流的除砷方法是化学法，处理难度较低，能处理大量的含砷水体，砷的去除率很高。硫化沉淀法、絮凝沉淀法、中和沉淀法是化学法中最主要的三种处理方式。

1.1 硫化法沉淀

砷离子在水溶液中常以3价和5价的形态分散到水体中，并且会达到离子的动态平衡[5]：

使用硫化法进行处理，整个反应机理如下：

为了获得较高的砷去除率，对溶液的pH值和温度进行调整。研究表明，当pH控制在9～11时，水体中的As＜0.5 mg/L。这种方法在某些企业已经有较好的实际应用，但这种方法还会发生如下反应：

生成的硫化氢有剧毒，如果发生泄漏将对现场的操作工人造成生命威胁。同时，此种方法的处置成本较高，难以大规模推广。从硫化法除砷机理来分析，其间生成了低可溶性的硫化砷沉淀，可实现水体中砷的分离。同时，硫化法在砷锑渣的分离方面也有广泛的应用。在有效进行分离的同时实现渣的综合利用，该方法取得显著的环保效果，带来显著的社会效益。由于以上特点，此方法适用于小规模处置水体中的砷且废渣中同时含有锑的情况。

1.2 絮凝沉淀法

絮凝沉淀法是将工业上使用的铁盐和铝盐等物质加入含砷水体中，通过水解产生铁和铝的氢氧化物胶体，再与砷离子静电结合生成稳定的絮状凝聚物，沉淀分离后达到净化水体的目的。石灰-铁盐法是最常用的絮凝沉淀除砷法，已在很多大型企业运用。利用石灰调节水体的pH，使其保持在8.5～9.0，这种环境下砷离子会与铁离子结合成不稳定的络合物，再通过氢氧化铁胶体对络合物进行吸附沉淀，通过重力作用将沉淀分离[6]。

絮凝沉淀法使用铁盐化合物作为原材料，水解后生成亲水性的水合氧化物，胶体粒子能更容易长大凝聚，对砷离子进行沉淀。絮凝法具有原材料成本低、操作简便等优点。但是，其也存在铁盐消耗量大、渣量大、企业堆存压力较大、产物稳定性不高、容易二次浸出而污染环境的缺点。该方法适用于饮用水源以及工业废水中的砷的去除。

1.3 中和沉淀法

中和沉淀法是在工业酸性废水中加入强碱性的石灰对水体的pH进行调节，溶液中的砷离子与钙离子发生化学反应形成砷酸钙沉淀，通过固液分离的方式达到除砷目的。当溶液pH控制在11～12时，砷离子去除效果最好。这种方法工艺简单、易于实施，成本低，是最传统的除砷方法。缺点是产生大量含砷废渣，研究表明，形成的砷酸钙稳定性较差，在酸性条件下容易分解，砷离子暴露能力高，需在专门的填埋场堆放，并且堆存条件苛刻，处理不当有可能造成二次污染。水体中含有大量砷和其他重金属离子，在碱性条件下会生成沉淀，所形成的沉淀物成分复杂，使后续处理难度提高。在目前的低浓度除砷体系中，一般都采用石灰进行处理。为了强化除砷效果，使用石灰和铁盐共同处置的二步除砷法。

2 物理法

物理法是指利用具有优异物理、化学特性的材料除去水体中的砷元素。常见的物理法除砷主要有吸附、离子交换、膜分离以及电絮凝法等。

2.1 吸附法

吸附法是指通过吸附除去水体中的砷元素，一般使用具有较大比表面积和对砷有特异性吸附能力的材料。通常选用的吸附材料有软锰矿、活性氧化铝、沸石、活性炭等。它们都具有表面积大、热稳定性好和吸附特性强的特点。

姚敏使用软锰矿作为原材料，在含砷酸性废水中进行As3+和As5+的吸附研究。试验结果表明，当pH值为2时，1 mg/L的As（Ⅴ）离子吸附量为3.77 mg/g，对As（Ⅲ）离子吸附量为2.42 mg/L，具有较好的吸附性能[7]。

吸附法操作简单、处理迅速、对环境不产生或很少产生二次污染，并且吸附剂种类众多、可重复使用。但吸附材料成本高、吸附容量有限，适用于单一离子溶液的吸附。在离子成分复杂的水体中使用吸附法处理时，其中含有的有机物也会严重干扰吸附剂的性能，具有一定的针对性。因此，该方法适用于成分单一、没有过多干扰杂质的含砷水体的去除，且砷离子浓度较低，高砷浓度的水体不适用此方法。

2.2 离子交换法

离子交换法是通过树脂上的离子对砷离子进行置换作用，达到净水效果。胡天觉等通过研究制备出一种新型离子交换树脂，通过选择置换作用将砷离子进行去除，砷去除率可达99.99%[8]。

离子交换法处理量大，分离效果好，维护简单、可再生使用。但初期投资高且除砷成本高，当水体成分复杂时，需进行离子的预处理，操作变得更加复杂。该方法适用于大规模处理不含其他离子的含砷水体，适用条件比较苛刻，无法工程化运作。

2.3 膜分离法

膜分离法是利用离子在膜两边的选择渗透差异性来实现净化水体的目的。按照孔径的不同，常用的膜可分为反渗透膜（RO）、纳滤膜（NF）、超滤膜（UF）和微滤膜（MF）。膜分离法作为一种新型除砷方法，能重复多次使用并且不会造成污染。但膜分离法限制性因素也十分明显，设备和技术操作难度大，处理时需要大量的回流水参与，不适合在水资源匮乏的地区使用。该方法适用于处理浓度较低、处理量不大、组分相对单一且有较高回收价值的废水。

2.4 电絮凝法

电絮凝法是一种物理化学机理共同作用的除砷技术。一般使用铝、铁等物质作为阳极，在电解作用下溶解形成Fe2+和Al3+，并经过水解和聚合过程，形成一系列多核水解产物，如铁离子形成Fe(H2O)、Fe(H2O)5(OH)2+、Fe(H2O)4(OH)2+、Fe(H2O)8(OH)等，对砷离子进行吸附沉淀，达到净化水体的效果。有研究指出，使用不同的电极材料去除水体中的砷，在50 V的电压下，铜、铝、铁做电极时，砷的去除率分别为48%、46%、88%，当铁做正极铜做负极时，通电120 s，砷的去除率为99%，除砷效果更加显著。

电絮凝法除砷效率高、工艺灵活，无污染。但电量消耗大，经济成本高，不利于大规模使用。该方法适用于小体积的水体治理。

3 生物法

生物法是通过植物和微生物对砷进行吸收、固定和转化的技术[9]。植物对水体中砷的去除是以多种方式进行的。将植物、微生物培育在含砷水溶液中，并通过挥发、提取、固定以及根系过滤等方式除砷。

与植物除砷方式不同，细菌对水体中的砷进行去除具有可行性。这类细菌有蜡状芽孢杆菌、氧化亚铁硫杆菌、变形菌、硫酸盐还原菌等，它们是通过细胞壁和胞外聚合物对砷进行吸附，或者通过自身的新陈代谢将砷富集在细胞体内。真菌可通过基因改造用于去除水体中的砷。目前常用于除砷的真菌包括：曲霉菌、木霉菌、烟曲霉、白曲梅、酵母菌等。

生物法具有除砷效果好、成本低、污染小的特点，因此具有巨大的发展潜力和开发价值。缺点是对环境要求苛刻，处理突发事件的能力弱。目前无法大规模展开此种方法的应用。

4 结论

砷污染对于全世界来说都是一个难题，对人类的生存造成了严重的威胁。随着对砷的不断研究，科研人员对砷有了越来越多的认识，开发了许多新型的除砷手段，并且除砷效益优异。目前，人们在砷的研究和环境治理方面取得了不错的成绩，通过化学法、物理法和生物法对含砷水体进行处理，可以达到对环境有效治理的目的。