高砷地下水的地表深度处理方法及其系统

摘要

本发明涉及一种高砷地下水的地表深度处理方法及其系统。高砷地下水的地表深度处理方法，其特征在于它包括如下步骤：1)将地下的高砷地下水抽出，抽出的高砷地下水经过曝气1.5h的处理后，向高砷地下水中投加氯化亚铁和氯化铁的混合体，混合体的投加量为：每100升高砷地下水中投加5.0mg混合体，混合体中氯化亚铁与氯化铁的质量比为1∶1，然后自然沉降24h，得到含有絮体的混合水体；2)将步骤1)得到的含有絮体的混合水体过滤，滤液直接使用，滤渣收放入带有砂土的桶中。该方法具有操作简单、成本低、处理效果好的特点。适合于我国广大高砷水区域家庭分散式推广使用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高砷地下水的地表深度处理方法及其系统。

背景技术

随着社会经济水平的提高，生活饮用水的水质安全问题也逐渐引起人们的重视，成为各级政府必须关注的重大问题。当前的情况是，城市居民的饮用水相对比较安全，而一部分农民的饮用水则存在许多问题。我国地下水砷污染区域主要有新疆、内蒙古、山西等地，全国大约有563万人口受到来自饮用水砷污染(＞50μg/L)，且其中大部分处于经济条件落后的农村地区，长期饮用砷超标的水，会造成砷中毒，导致皮肤癌和多种内脏器官癌变，给老百姓的身体健康带来严重的影响。目前国内外处理含砷水的方法总体上有物理法、化学法和生物化学法。使用较多的几种常用方法是沉淀、絮凝、过滤、吸附、氧化、膜分离法和生物法等。但这些方法都有着自身无法克服的弊端，达不到最理想的处理或应用效果。例如絮凝法采用单一的絮凝剂很难达到排放的标准，且pH值对其影响很大，当处于碱性时会导致吸附的砷酸盐脱附，而膜分离法虽然节能，无二次污染，处理率也比较高(理想情况下可达90％以上)，但是在实验条件更接近于现实情况下去除率显著降低，而且成本很高。

抽出处理技术(Pump-Treat)是最早出现的地下水污染修复技术，也是地下水异位修复的代表技术。自20世纪80年代开展地下水污染修复至今，国外有关地下水污染治理工程多以抽出处理技术为主。据美国环保署统计，在1982年到2002年间，抽出处理技术的历年累积使用比例高达68％，远远超过其它修复技术。但之前该技术在处理高砷地下水方面一直存在操作复杂、运行难度大和维护费用昂贵的问题，没有能够实现推广应用，致使当今受高砷水威协的人群依然众多。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高砷地下水的地表深度处理方法及其系统，该方法具有操作简单、成本低、处理效果好的特点。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：高砷地下水的地表深度处理方法，其特征在于它包括如下步骤：

1)将地下的高砷地下水抽出，抽出的高砷地下水经过曝气1.5h的处理后，向高砷地下水中投加氯化亚铁和氯化铁的混合体，混合体的投加量为：每100升高砷地下水中投加5.0mg混合体(5.0mg/100L)，混合体中氯化亚铁与氯化铁的质量比为1∶1，然后自然沉降24h，得到含有絮体的混合水体；

2)将步骤1)得到的含有絮体的混合水体过滤，滤液(清水)直接使用，滤渣(絮体)收放入带有砂土的桶中(统一回收)。

所述的高砷地下水是指地下水中砷的含量＞200μg/L。

实现上述方法的高砷地下水的地表深度处理系统，其特征在于它包括水管4、水泵5、容器6、曝气装置、过滤装置9，水管4的输入端与水泵5相连，水泵5位于水井2内的高砷地下水中，水管4的输出端与容器6相连通；曝气装置的曝气头7位于容器6内的底部；容器6上设置有出水水阀8，出水水阀8的出口处设有过滤装置9。

所述的过滤装置9由两层棉布、棉花组成，棉花夹在两层棉布之间。

本发明的有益效果是：

1)该方法具有操作简单、运行管理方便，系统运行过程中产生的二次污染很少，充分利用了水体的自净能力。

2)成本低：低能耗、低投资和低运行管理费用，系统所需的曝气装置及过滤装置均属于一次购买，长期使用的物品，反应过程中只需投加少量的铁盐作为絮凝剂，具有非常显著的环境效益和社会效益。

3)处理效果好：高砷地下水中富含的硫化氢气体在经过空气曝气即可去除，反应过程无需投加其它化学试剂；絮凝剂的主要成分为氯化铁和氯化亚铁的混合成分，避免了各自作为混凝剂处理高砷水的弊端，加药后继续曝气，使得水体中的As(III)转化为As(V)，Fe(II)转化为Fe(III)，反应充分进行，具有较好的砷去除效果，大大降低了砷的毒性。

4)过滤装置构造简单，取材简单，成本较低，但能有效过滤水体中的铁离子，达到更为理想的处理效果，且防止了含砷絮体二次进入水体环境，适合于广大地区推广使用。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图2为本发明的处理系统的结构示意图。

图中：1-地表，2-水井，3-液面，4-水管，5-水泵，6-容器，7-曝气头，8-出水水阀，9-过滤装置。

具体实施方式

如图1所示，高砷地下水的地表深度处理方法，它包括如下步骤：

1)将地下的高砷地下水抽出(所述的高砷地下水是指地下水中砷的含量＞200μg/L)，抽出的高砷地下水经过曝气1.5h的处理后(经过曝气1.5h的处理后，水体中的硫化氢气体可自然挥发，使得臭味也随之去除)，向高砷地下水中投加氯化亚铁和氯化铁的混合体，混合体的投加量为：每100升高砷地下水中投加5.0mg混合体(5.0mg/100L)，混合体中氯化亚铁与氯化铁的质量比为1∶1[即(2.5mg氯化铁+2.5mg氯化亚铁)/100L水]，继续曝气5h[即可使得水体中的As(III)转化为As(V)，Fe(II)转化为Fe(III)，产生成砷酸铁的同时产生大量的氢氧化铁胶体，溶液中的砷酸根与氢氧化铁还可发生吸附共沉淀，从而得到较高的除砷效率；而与水中的泥土粒子、悬浮物质相互结合生成的絮凝体，则依靠重力在水中沉淀下来，最终通过过滤装置使其达到最佳的处理效果，并有效防止了砷再次进入环境]，然后自然沉降24h(絮体沉降)，得到含有絮体的混合水体；

2)将步骤1)得到的含有絮体的混合水体过滤，滤液(清水)直接使用，滤渣(絮体)收放入带有砂土的桶中(统一回收)。

本发明用于山西省山阴县某户高砷地下水(所述的高砷地下水是指地下水中砷的含量＝200μg/L)的现场中试试验证明，本发明处理高浓度含砷地下水具有较好的效果，出水中砷含量和铁含量均可以达到《地下水环境质量标准》(GB/T 14848-93)的一级标准(出水中砷的含量＝5μg/L)。

如图2所示，实现上述方法的高砷地下水的地表深度处理系统，它包括水管4、水泵5、容器6、曝气装置、过滤装置9，水管4的输入端与水泵5相连，水泵5位于水井2内的高砷地下水中，水管4的输出端与容器6相连通；曝气装置的曝气头7位于容器6内的底部；容器6上设置有出水水阀8，出水水阀8的出口处设有过滤装置9(过滤装置用绳或钢丝邦在出水水阀8上)。

所述的过滤装置9由两层棉布、棉花组成，棉花夹在两层棉布之间。

高砷地下水的地表深度处理系统的使用：由水泵5将地下的高砷地下水抽出至容器6中，曝气装置工作，容器6内的高砷地下水经过曝气1.5h；然后向容器6内的高砷地下水中投加氯化亚铁和氯化铁的混合体，得到含有絮体的混合水体；然后自然沉降24h，打开出水水阀8，经过滤装置9过滤，滤液(清水)直接使用，滤渣(絮体)收放入带有砂土的桶中(统一回收)。

以下重点阐述本发明的原理。

1、通过调查研究表明，高砷地下水都是还原环境导致的，其特点是溶解氧含量低，铁含量低，氧化还原条件为还原-极度还原环境，因而抽出的地下水中大都富含硫化氢气体。长期饮用此类地下水，会造成头晕、流泪、眼痛、咽干、咳嗽、胸闷、意识模糊等问题，部分患者可有心脏损害。硫化氢本身属于挥发性气体，可在空气中自然挥发去除，但整个过程所需时间较长，采用空气曝气的方法，则可大大提高去除硫化氢的效率。

2、曝气的实质就是使气相中的氧向液相中转移。气相中的氧转移为液相中的溶解氧，是通过流体运动形成气液接触界面而完成的。曝气过程的实现，有利于使得空气中的氧气与抽出的地下水中的硫化氢气体之间迅速进行气流扩散运动，加快两者之间的交换，从而在不添加任何化学试剂的条件下达到快速去除硫化氢的目的。

由现场试验结果可知，对于硫化氢气体含量在140μg/L的范围内，曝气1.5h即可达到完全去除的效果。

2、砷的形态取决于环境的pH值、氧化还原电位(Eh)、温度、其它离子及有机质的种类、浓度，悬浮颗粒的组成、数量等等。砷在氧化条件下以As(V)为主，而在还原条件较强的地下水系统中则主要以As(III)为主。As(III)的毒性和迁移性大于As(V)，但As(III)通常在pH＝3～10范围内以中性分子形式存在，导致许多技术对As(III)的去除率都远低于As(V)。因此，为了有效去除地下水中的As(III)，降低其毒性，大多工艺都将As(III)预氧化为As(V)。在提高砷的去除效率的同时，又可降低毒性。目前，有学者以次氯酸盐、臭氧及高锰酸盐等为氧化剂，采用化学氧化法对氧化三价砷进行了研究。但在地下水中为防止二次污染，需尽量减少化学试剂的使用。因此，在对高砷地下水的处理中，首选氧气作为氧化剂是合理的。

混凝沉淀法是一种常规的水处理技术，其机理是混凝剂在水中水解生成的不溶解于水的聚合体，吸附水中的无机砷化合物或将其结合在架桥中，同时与水中的泥土粒子、悬浮物质相互结合生成絮凝体，依靠重力在水中沉淀下来，达到除砷的目的。该方法对砷的去除效果主要取决于混凝剂水解形成的无定形氢氧化物对砷的吸附能力、矾花对所吸附的砷的包埋效果以及含砷絮体的沉降性能。

最常见的混凝剂有铁盐(如三氯化铁、硫酸亚铁、氯化铁)、铝盐(如硫酸铝、碱氯化铝、聚铝)、硅酸盐、碳酸钙等。研究表明，铁盐的除砷效果好于铝盐，使用铝盐作为混凝剂处理含砷原水，要求原水pH值接近于中性，而使用铁盐作为混凝剂，在较宽的pH值范围，除砷的效果都不受影响。

然而长期以来的实验室研究证明，在当溶液中不含其它混凝剂时，仅靠曝气充氧对溶液中三价砷的氧化速率非常缓慢；当溶液中不含氧时，混凝剂例如铁盐对砷的作用也并不显著；只有当氧铁共存时，砷的氧化才能实现，当铁砷比大于二十时，三价砷氧化去除率可达到95％左右。

本发明选用氯化铁和氯化亚铁的混合体作为混凝剂并在整个反应过程中持续曝气，主要原因在于单纯选用氯化亚铁作为絮凝剂时，在水体中经过充分的曝气形成极小的颗粒物，能够与水体中的砷充分反应，但絮体的沉降时间较长，若不能及时过滤，水体中的铁离子会出现超标的情况。而氯化铁直接作为絮凝剂，加入水体后，直接生产氢氧化铁胶体颗粒，其比表面积较大，沉降速率过快，并不能与水体中的砷进行充分反应，因而效果并不是十分理想。二者同时使用，则在曝气的情况下使得O₂作为一种催化氧化剂，在过程产生类似于光助Fenton的效应，加快As(III)转化为As(V)，Fe(II)转化为Fe(III)的速度。此外，由Fe(III)形成的氢氧化物胶体与砷酸盐形成的絮体也可以在曝气停止后依靠重力迅速沉降。

实验得出铁盐的最佳投加比为2.5mg氯化铁+2.5mg氯化亚铁/100L水。

3、过滤装置

高砷水与混凝剂反应完全后会产生大量的絮体，经试验证实，水体在经过24h自然沉降后即可使用。采用过滤装置则可以达到更佳的除砷效果，并且能有效保证水体中铁离子含量达到国家标准，砷不再二次进入环境体系。

整个过滤装置也相对比较简单，采用市面上易于购买的棉布及少量棉花作为材料，将棉花夹在两层棉布之间，固定于水龙头之上即可使用。

水体中残余的含砷絮体，则进行统一的回收处理。本发明采用一个放有砂土的桶来盛放处理后产生的絮体，水分在空气中蒸发后，絮体在桶内发生沉积，并覆盖于砂土表层，成为矿物成分，可在后期的建筑过程中利用，有效防止了砷再次进入水体环境，发生迁移。