一種治理砷汙染水體的方法
2023-12-12 17:12:07 2
專利名稱：一種治理砷汙染水體的方法
技術領域：
本發明屬於環境工程技術領域，具體涉及一種治理砷汙染水體(包括河流、湖泊等 地表水體)的方法。
背景技術：
砷是常見的汙染物，砷汙染水體無色、無味，但對人體健康與生態系統可產生嚴重 的危害影響，如慢性砷中毒可引起皮膚癌以及其他重大疾病。目前，隨著我國礦產開發 的加劇、煤耗的大量增加、磷化工生產的發展，砷汙染環境問題多有發生，給環境與健 康帶來了嚴重的危害影響。因此，砷汙染水體治理技術的研發，對於保護我國的生態環 境、保障人民身體健康具有十分重要的現實意義。
現行的水體砷汙染處理方法主要有三大類(1)物理方法調水稀釋，但該方法 水資源浪費嚴重，而且會影響下遊水環境質量。(2)生物方法在汙染水體養植富砷水 生生物，但該方法速度慢，見效難，而且可能帶來水體富營養化問題；(3)化學方法 如鐵鋁活化吸附法、離子交換樹脂法等，但該方法由於往往需要專門的設備，或者存在 著效率低或廢物處理困難等問題，難以在較大規模的水體治理中得到應用。因此，化學 方法必須具備高效、安全、經濟、可操作的特點，才能充分發揮其作用。綜合各類方法 的利弊，本發明提出土壤吸附固砷技術，用以治理砷汙染水體，包括河流、湖泊等地表 水體。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種利用土壤吸附固砷技術治理砷汙染水體的 方法。
為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案如下
一種治理砷汙染水體的方法，以土壤作為固砷劑，按200~1000g/m3的投加量(即 每立方米水域投加200~1000g 土壤，也可表述為0.02~0.1%g/mL的投加量)均勻灑向水 面並攪拌，其中，所述土壤的性質為含鐵量大於8% (w/w)、 pH4.5~6.5、粘粒含量 大於40% (w/w)。
其中，所述的水體為地表水體，包括河流和湖泊。
其中，所述土壤的加工細度為150~300目，可將土壤烘乾至含水量小於1.5%，然 後研磨過篩。
其中，投加量優選為200~500g/m3，最優選350g/m3。其中，投加方式可採用上述的將土壤均勻灑向水面並攪拌以確保土壤與水體充分接 觸，也可替換為直接將土壤製成泥漿投加並攪拌。所述泥漿，水土重量比為10:1。 本發明的土壤投加量特別適用於砷濃度不超過0.2mg/L的汙染水體。 經過本發明方法處理後，水體的砷濃度即符合我國地表水環境質量標準 (GB3838-2002) III類標準(砷濃度幼.05mg/L)。
本發明利用土壤作為固砷劑治理水體砷汙染的原理如下
根據化學熱力學原理，砷與鐵有很強的吸附能力，兩者結合形成砷酸鐵沉於水底， 化學反應式如下
Fe3++ As043-—Fe As04|
砷酸鐵與砷酸亞鐵的溶解度都很低，均低於我國飲用水砷限量標準0.05 mg/L (見
因此它沉入底泥後，無再釋放的潛在風險。 表l砷酸鹽水溶解浪
化合物以砷酸鹽計(mg/L)以砷計(mg/L)
砷酸鐵6.24x10-62.40xl0國6
砷酸亞鐵5.85xl0陽22.25X10-2
砷酸鋁0.75 x10-3
南方紅壤富含鐵和鋁，它們對砷都有很強的結合能力，因此可用該地區的土壤固砷 以除去水體中的砷。我國的廣東、雲南、貴州與海南等省份都可得到符合本發明條件的 土壤。
有益效果本發明利用土壤吸附固砷技術治理砷汙染水體的方法與現有技術相比， 具有如下優勢
1、 本發明方法簡便易行，土壤易得，成本較低，且除砷效果明顯， 一般投加土壤2 天后，水體的砷濃度即符合我國飲用水水質標準(i申濃度S0.05mg/L)。
2、 固砷後的土壤經自然沉降作用進入水體底部，水體底泥厚度增加約2 5mm，底 泥中砷平均濃度增加率小於10%，底泥中砷平均濃度增加率較小，不會危及底棲生物的 安全，而且沉入湖底的土壤來自自然，處理後底泥無須另作處置。
3、 經土壤吸附固定作用後的砷以砷酸鐵形態進入底泥，其水溶解度小於 0.0001mg/L，不會由於再釋放作用而對水體產生二次砷汙染問題。
圖l為本發明方法的一種投加方式示意圖。其中，1為船隻，2為傳送機，3分散器， 4為攪拌器，5為水位線，6為土壤。
具體實施例方式
根據下述實施例，可以更好地理解本發明。然而，本領域的技術人員容易理解，實 施例所描述的具體的物料配比、工藝條件及其結果僅用於說明本發明，而不應當也不會 限制權利要求書中所詳細描述的本發明。
實施例l:吸附速率(吸附動力學)。
土壤撒入水體後，在水中形成分散狀的泥漿層，此泥漿層在下沉過程中所佔有的空
間約50cm，按此推算，以20m水深計，此泥漿層逐然下移至沉入水底約需4分鐘，即 土壤下沉過程中與水體接觸時間約4分鐘。按此條件進行實驗室試驗，結果如下
例一1000mL含砷3.47 mg/L的地表水，力U 1.0% (g/mL) > 0.045腿(300目) 的雲南紅壤l (含鐵量9.2%、 pH 5.4、粘粒含量42%)，振搖5分鐘後過濾，清液中的 砷含量為0.0614 mg/L，吸附率達82.3%。
例二 100mL0.2mg/L的含砷(V)水溶液，力卩0.03% (w/v)小0.076mm (200目) 的雲南紅壤2 (含鐵量10.8%、 pH5.3、粘粒含量45%)， 25°C、 150rmp/min條件下振搖 5分鐘後過濾，清液中的砷含量為0.067 mg/L，吸附率達65.5%。
由此可見，土壤下沉過程中對砷的吸附速率非常快，具備快速固砷淨化水質的基本 條件。
實施例2:吸附容量(吸附熱力學)
受汙染的水體中，砷在水體中成均勻分布狀，用土壤淨化水體過程中，不僅要求土 粒有較快的吸附速率，而且要求土壤有足夠的吸附容量，以儘可能地提高固砷能力。為 此，設計了以下兩組吸附容量試驗。
例一100mL2.0mg/L的含砷水溶液，力卩0.03% (g/mL) > 0.076mm (200目)的 紅壤2 (含鐵量10.8%、 pH5.3、粘粒含量45%)，振搖2小時後過濾，清液中的砷量為 1.59mg/L，吸附率為20.8%， 土壤的吸附容量為1386mg/kg，即每公斤土壤能吸附1386 毫克砷。
例二 1000mL 3.47 mg/L的砷汙染水體，力Q 2.0% (w/v)小O.lmm (150目)的紅 壤l (含鐵量9.2%、 pH 5.4、粘粒含量42%)，振搖1小時後過濾，測清液中的砷量為 1.17mg/L，吸附率為66.3%， 土壤的吸附容量為1150mg/kg，即每公斤土壤能吸附1150 毫克砷。
由此可見，土壤有較強的吸附能力，土壤固砷技術具備實際應用的可行性。 實施例3:安全性分析(1) 固砷土壤的再釋放問題
砷是有毒的無機元素，沉降到底泥後，是否會再釋放造成二次汙染，是需要關注的 重要問題。試驗表明用土壤處理汙染水體近兩個月後，處理後水體中的砷含量始終沒 有再升高，而且還有逐漸下降的趨勢。說明沉積在底泥中的砷未出現再度釋放現象，這 與前面所述砷酸鐵的溶解度很低的特性相一致。
一般地，汙染水體中砷的形態主要為五價砷與三價砷，其中以五價砷為主，約佔 70~80%，三價砷佔20~30%。試驗表明兩種形態的砷對鐵均具有較強的吸附能力；自 然界中的鐵有三價與二價兩種形態，紅壤中的鐵以三價形態存在，雖然砷酸鐵沉入水體 底部後，有可能還原成砷酸亞鐵，砷酸亞鐵的水溶解度(0.023 mg/L )比砷酸鐵高，但 仍低於0.05mg/L的水質標準，因此再釋放造成水體二次汙染的風險極小。
(2) 對底棲生物的影響
以0.02%的投土量計，若湖泊平均水深20m，固砷後的土壤沉降至水體底部，底 泥厚度增加約2mm，底泥中砷平均濃度增加率較小，不會危及底棲生物的安全；而且 沉入湖底的土壤來自自然，處理後底泥無須另作處置。
實施例4:
試驗方案水柱高10m、內徑0.5m，取砷汙染湖泊水體(砷濃度0.11mg/L)裝入 柱內，水量約2m 在水柱的不同高度處分別安裝6個閥門用於採集水樣，並在不同高 度處開設6個觀察窗，用於觀察土粒的沉降過程與水體渾濁度的變化情況。應用下述技 術參數，投加土壤後，定期觀察並取樣分析土壤固砷效果及其變化規律。
土壤性質紅壤(採自雲南昆明)，含鐵量11%、 pH5.2、粘粒含量46%。
土壤細度土壤加工成200目的細度。
土壤投加量0.035% (g/mL)。
土壤投加方式均勻撒施或攪拌。
結果表明(1) 土粒以較快速率沉降，在5 6小時內固砷效果基本達到平衡，水體 中砷濃度達到我國地表水環境質量標準III類水質標準(砷濃度0.043mg/L);約2天後， 水體基本清亮，未出現水體持久渾濁狀況。(2) 土粒沉降後，底泥厚度僅增加約2mm。
實施例5:
同實施例4的實驗方案，所不同的是土壤投加量為0.02% (g/mL)。 實施例6:
同實施例4的實驗方案，所不同的是土壤投加量為0.1% (g/mL)。
6實施例7:
本發明在河流湖泊除砷過程中，可採用如圖1所示的裝置實現邊均勻投料邊攪拌的 方式，船隻1上固定有傳送機2，傳送機2的下方固定有分散器3， 土壤經傳送機2輸 送到水體上方，自然下落後，由分散器3打散落入水中，再由水下的攪拌器4攪勻(水 中攪拌器的工作範圍最好能達到直徑20米，如衝鋒舟或超聲器)，通過攪拌使得土壤和 水體能夠充分接觸，充分反應。
權利要求
1、一種治理砷汙染水體的方法，其特徵在於以土壤作為固砷劑，按200～1000g/m3的投加量均勻灑向水面並攪拌，其中，所述土壤的性質為含鐵量大於等於8％、pH 4.5～6.5、粘粒含量大於40％。
2、 根據權利要求1所述的治理砷汙染水體的方法，其特徵在於所述的水體為地表 水體，包括河流和湖泊。
3、 根據權利要求1所述的治理砷汙染水體的方法，其特徵在於所述土壤的加工細 度為150~300目。
4、 根據權利要求1所述的治理砷汙染水體的方法，其特徵在於投加量為 200~500g/m3。
5、 根據權利要求1所述的治理砷汙染水體的方法，其特徵在於投加方式由土壤均 勻灑向水面並攪拌，替換為泥漿投加並攪拌。
6、 根據權利要求5所述的治理砷汙染水體的方法，其特徵在於所述泥漿，水土重 量比為10:1。
全文摘要
本發明公開了一種治理砷汙染地表水體的方法，其特徵在於以土壤作為固砷劑，按200～1000g/m3的投加量均勻灑向水面並攪拌，其中，所述土壤的性質為含鐵量大於等於8％、pH 4.5～6.5、粘粒含量大於40％。本發明方法簡便易行，土壤易得，成本較低，且除砷效果明顯，一般投加土壤2天後，水體的砷濃度即符合我國地表水環境質量標準(GB3838-2002)III類標準(砷濃度≤0.05mg/L)。
文檔編號C02F1/58GK101560007SQ200910027299
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月27日 優先權日2009年5月27日
發明者周躍光, 峰 夏, 石利利, 章海波, 蔡道基, 敏 郭, 駱永明 申請人:環境保護部南京環境科學研究所;雲南省環境科學研究院;中國科學院南京土壤研究所