水工程与工艺新技术
摘要：自从1996年孟加拉国和印度报道慢性砷中毒事件以来，饮用水砷污染和砷中毒问题就受到全世界的关注。
如何解决这一难题，研究人员进行了大量研究。
本文综述了饮用水中砷的去除方法，包括混凝/沉淀、吸附、离子交换技术、生物法其他方法如反渗透法以及“微鼻”除砷技工艺等，对各种除砷技术进行了总结和比较。
关键词：化学法处理离子交换法生物法反渗透法(RO) “微鼻”除砷技工艺
饮用水中的砷污染对全球数百万人的健康造成了威胁。
这种情况不但发生在印度、中国和孟加拉国，在美国、英国、德国和意大利的部分地区也存在此类问题，主要是源于天然矿源的冲刷，以及矿业和工业废水等人类活动的影响。
虽然这种情况的程度较轻。
世界卫生组织（WHO）建议将饮用水中砷的最大浓度限值（MCL）定为10 ppb（1 ppb即十亿分之一）。
这一限值在许多国家已经被广为接受。
但是，仍有数百万人只能喝到含砷量达到50 ppb甚至含砷浓度更高的饮用水。
砷对于高级生物和人具有很高的毒性。
如果长期接触，普遍会发生皮肤改变或其他健康损害，最终导致血管疾病或癌症。
自然水系中，存在有机砷和无机砷。
其中无机砷主要以As (Ⅲ)和As (V)存在，具体存在形式取决于水体的氧化还原电位和pH。
在氧化环境如地表水中，砷主要以五价态存在，如(H2AsO4-、HAs O42 - )；在还原环境如地下水中，则主要以三价砷(如H3AsO3 ) 存在。
有机砷的主要存在形式是二甲基胂酸(DMA) 和甲基胂酸(MMA)。
其中，DMA是暴露在无机砷环境中的动物和人类的主要代谢产物。
有机砷和无机砷在一定条件下可以相互转化，厌氧条件下，砷酸盐通过甲烷菌中甲基钴氨素作用，此时砷酸盐被还原，同时甲基化而生成二甲基以下将对主要的除砷技术作详细的述评。
1.化学法处理含砷废水处理含砷废水
目前国内外主要有中和沉淀法、絮凝沉淀法、铁氧体法、硫化物沉淀法等，适用于高浓度含砷废水，生成的污泥易造成二次污染。
在化学法方面的研究已经比较成熟，很多人曾在这方面做了深入的研究。
中和沉淀法作为工程上应用较广的一种方法，很多人在这方面作了深入的研究，机理主要是往废水中添加碱（一般是氢氧化钙）提高其pH，这时可生成亚砷酸钙、砷酸钙和氟化钙沉淀。
这种方法能除去大部分砷和氟，且方法简单，但泥渣沉淀缓慢，难以将废水净化到符合排放标准。
2. 离子交换法
离子交换法具有能有效回收有价金属的特点，因此目前得到越来越多研究人员的重视。
而且离子交换法处理量大、操作简单，非常适合工业化生产。
据国内外的报道，在对低含量含砷水的处理中，较有成效的有无机离子交换剂( 如水合二氧化钛,即TiO2•H2O)和有机离子交换剂(如经二价铜离子活化的阳离子交换树脂和聚苯乙烯强碱型阴离子交换树脂) 。
其中无机离子交换剂水合二氧化钛对除去水中的三价砷有良好的效果，但还未见实际应用的报道。
3. 生物法
生物法除砷的原理在于某些特殊菌种在培养过程中会产生一种类似于活性污泥的物质，这种物质起絮凝作用[13]，它会与砷结合而形成沉淀，达到除砷的目的。
但是，生物法菌种培养周期长，对环境要求苛刻，而且常被用于废水除砷，用于饮用水除砷还鲜有报道。
目前，美国伊利诺伊大学(University of Illinois)的研究人员提出一种通过细菌检测达到抗砷污染的简易方法。
通过对伊利诺伊中部地区的供水进行取样分析，研究人员发现水样中砷的浓度与硫酸盐含量成反比。
这是因为在水中的可使硫酸盐减少的细菌将硫酸盐还原为硫化物，而硫化物可将砷沉淀下来，从而有效地从水中除掉砷。
当缺少硫酸盐时，砷的含量就会升高，但当硫酸盐含量较高时，能使硫酸盐减少的细菌可使砷的含量保持较低的水平。
因此，测试水中的硫酸盐含量能反映出砷的安全程度，受污染的水可以通过加入廉价的硫酸盐进行补救。
4.其他方法
其他方法如反渗透法(RO)在对生活饮用水进行除砷的实验中也取得了良好的效果，是一种有效的除砷方法，但该法还只停留在实验阶段，实际中还未得到应用。
有利用电吸附技术去除水中砷，也取得了较好的效果。
还有用改进的飞灰床过滤去除饮用水中的砷的方法，过滤结果令人满意。
新生态MnO2为δ－MnO2，比表面积为325 m2·g -1，孔容0.39 cm3·g-1，孔径4.8nm，孔径分布均匀且狭窄，活性高，吸附能力强。
对砷的吸附操作简单，处理效果好，适用pH值范围较宽，是去除废水中砷的理想吸附剂，尤其是在加入一定量的阳离子后，去除率接近100%。
处理后水中砷的含量远低于《污水综合排放标准》（GB8978-1996）标准0.5mg/L。
创造性和先进性：1.新生态MnO2作为吸附剂，集吸附氧化为一体，操作简单，使用方便，处理后水质无异味不会引入其它有害离子，是新型水处理剂。
2.用新生态MnO2作为去除水中砷的吸附剂，去除速度快，效果很好，去除率接近100%。
3.去除As（Ⅲ）时，不用预氧化过程就可以达到很好的去除效果，这是其他吸附剂无法达到的。
5.最新研究发现“微鼻”除砷技工艺
留学美国夏威夷大学的中国科学家董良杰所领导的课题组成功地将鼻子的过滤原理应用
于解决饮用水砷及其他重金属污染的世界难题，进而发明了专利名为微鼻(micronose)的饮用水净化技术。
该大学宣称，此技术可在15分钟之内去除99.9%%的砷，并同时有效去除水中的镉、铅、镍、铬等有害重金属离子。
研究发现，人类的鼻毛可阻挡空气中比较大的固体颗粒，而鼻液形成的特殊膜结构可以吸附空气中的微小颗粒、细菌和一些有害的化学物质。
从此角度而言，鼻子堪称是一个完美的过滤器。
微鼻技术利用了人类鼻子过滤原理，以多孔型陶粒为基础，用特有的制造工艺，在一颗直径仅为1毫米的陶瓷颗粒上制造出1000多个微小的“鼻子”。
这些“微鼻”颗粒的表面有复杂的三维曲线并结合纳米零价铁粉涂层，可使一颗小小的陶瓷颗粒起到对砷及其他重金属进行物理过滤、吸附和化学固定的作用。
此技术可在15分钟之内去除99.9%的砷，并同时有效去除水中的镉、铅、汞、铬等有害重金属离子。
此涂铁陶瓷过滤材料是纳米技术和现代吸附膜技术的结晶，它涵盖了活性炭的吸附功能，并能在水中形成吸附膜。
在微鼻颗粒表面和微鼻细孔内部具有不同的电荷，在吸附之后，含铁的表面结构会和重金属离子发生缓慢的化学反应，并形成相对稳定结构，因此微鼻颗粒可以固定这些重金属离子，不再释放到环境中去。
微鼻技术2006年5月被美国工程院和环保总署评为15个最佳治理砷污染的技术；2006年5月获得夏威夷大学最佳技术奖和最佳商业发展奖；2008年获得美国NSF 61号净水材料认证。
制造工艺及应用
微鼻滤料是以粘土和零价纳米铁粉为原料，经过烧结和表面合成几道工序制成。
首先将干粉形态的粘土与可以是面粉或淀粉的碳源材料混合形成干混合物。
对孔隙率控制性化合物加入到粘土和碳源干混合物后获得的湿粒子混合物进行烧制以制备多孔陶瓷粒子。
烧制过程使用了具有可自动控制烧制过程的普通陶瓷炉，并存在几个技术优势。
微鼻涂铁陶瓷过滤材料采用纳米颗粒技术，并结合物理和化学吸附，其主要优势有：
∙强大去除砷和重金属功能和吸附容量。
砷污染是过滤材料要求最高的一个挑战，微鼻材料在除砷领域达国际领先，是美国工程院和环保总署认定的15个去除砷污染高效技术之一，同时此技术对铅、砷、汞、镉、铬等重金属的吸附容量达4～6 mg/g。
∙简化水处理程序，一步到位同时高效去除砷及其它对人体有害的重金属。
∙微鼻颗粒只吸附重金属，保存有益的矿物质，不影响其它水质指标。
∙滤料成本有强竞争力，从城镇供水到家用净水中均可应用。
∙滤料已获得NSF材料安全认证，用后的滤料可安全简便地填埋处理，不产生危险废物，不对环境产生二次污染。
加热周期或加热阶段。
最后通过水为介质，将零价铁粉涂覆在颗粒表面，经烧结成最终产品。
微鼻过滤材料在性能和价格上有强大优势，可广泛应用于国内净水领域，如小型社区供水、市政自来水工程和村镇供水及家用净水器市场。
国际市场包括东南亚，如印度、孟加拉，天然地下水重金属超标的村镇供水和应急设备。
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