Загрязнение подземных вод мышьяком - Arsenic contamination of groundwater

Зоны загрязнения подземных вод мышьяком

Загрязнение подземных вод мышьяком - это форма загрязнения подземных вод, которая часто возникает из-за естественных высоких концентраций мышьяка на более глубоких уровнях подземных вод . Это серьезная проблема из-за использования глубоких трубчатых колодцев для водоснабжения в дельте Ганга , вызывающих серьезное отравление мышьяком большого числа людей. Исследование 2007 года показало, что более 137 миллионов человек в более чем 70 странах, вероятно, страдают от отравления питьевой воды мышьяком. Проблема стала серьезной проблемой для здоровья после массового отравления воды в Бангладеш . Загрязнение грунтовых вод мышьяком наблюдается во многих странах мира, включая США.

Всемирная организация здравоохранения рекомендует ограничить концентрации мышьяка в воде до 10 мкг / л, хотя это часто недостижимой цель для многих проблемных областей в связи с трудным характером удаления мышьяка из водных источников.

Сообщается примерно о 20 крупных инцидентах, связанных с загрязнением подземных вод мышьяком. Из них четыре крупных инцидента произошли в Азии - в Таиланде , Тайване и материковом Китае . В Китае нанесено на карту расположение потенциально опасных скважин.

Виды соединений мышьяка в воде

Вода, загрязненная мышьяком, обычно содержит мышьяковую кислоту и мышьяковую кислоту или их производные. Их названия «кислоты» - формальность; эти разновидности не являются агрессивными кислотами, а представляют собой просто растворимые формы мышьяка с близким к нейтральному pH. Эти соединения извлекаются из подстилающих пород, окружающих водоносный горизонт. Мышьяковая кислота имеет тенденцию существовать в виде ионов [HAsO 4 ] 2– и [H 2 AsO 4 ] - в нейтральной воде, тогда как мышьяковистая кислота не ионизируется.

Мышьяковая кислота (H 3 AsO 4 ), мышьяковистая кислота (H 3 AsO 3 ) и их производные обычно встречаются в загрязненных мышьяком грунтовых водах.

Загрязнение в определенных странах и регионах

Пакистан

66% из 1200 протестированных образцов содержали мышьяк выше рекомендованного ВОЗ предела, что представляло угрозу более чем 60 миллионам жителей. 50–60 миллионов жителей потребляют воду с содержанием мышьяка более 50 микрограммов на литр, что намного превышает приемлемые уровни во всем мире.

Чили

Анализ потребления воды и продуктов питания в Сокаире , сельской деревне в Чили , показал, что в период с ноября 2008 года по сентябрь 2009 года общее потребление мышьяка сельскими жителями коррелировало с количеством потребляемой воды и местной продукции.

Индия и Бангладеш

Загрязнение мышьяком подземных вод в Бангладеш является серьезной проблемой. До 1970-х годов в Бангладеш был один из самых высоких показателей младенческой смертности в мире. Неэффективные системы очистки воды и канализации, а также периодические муссоны и наводнения усугубляли эти проблемы. В качестве решения ЮНИСЕФ и Всемирный банк выступили за использование колодцев для проникновения в более глубокие грунтовые воды. В результате были построены миллионы скважин. Благодаря этой акции детская смертность и диарейные заболевания снизились на пятьдесят процентов. Однако в колодцах был обнаружен мышьяк, и в 2008 году около 57 миллионов жителей использовали воду, загрязненную мышьяком из этих неглубоких колодцев. 20% от общего числа смертей связаны с раком, связанным с мышьяком. Правительство Бангладеш ограничивает концентрацию мышьяка в воде до 50 мкг / л, что в 5 раз превышает рекомендованный ВОЗ предел.

В дельте Ганга затронутые скважины обычно имеют глубину более 20 метров и менее 100 метров. Подземные воды, расположенные ближе к поверхности, обычно меньше времени проводят в земле, поэтому, вероятно, поглощают меньшую концентрацию мышьяка; вода на глубине более 100 метров подвергается воздействию гораздо более старых отложений, которые уже обеднены мышьяком.

Этот вопрос привлек внимание международного сообщества в 1995 году. Одно исследование, проведенное в Бангладеш, включало анализ тысяч проб воды, а также образцов волос, ногтей и мочи. Было обнаружено 900 деревень с содержанием мышьяка выше правительственного лимита.

Агентства по оказанию помощи подверглись критике , которые отрицали наличие проблемы в 1990-е годы, когда были затоплены миллионы трубчатых колодцев . Позже агентства по оказанию помощи наняли иностранных экспертов, которые рекомендовали очистные сооружения, которые не соответствовали условиям, регулярно ломались или не удаляли мышьяк.

В Западной Бенгалии , Индия, вода в основном поступает из рек. Подземные воды поступают из глубоких трубчатых колодцев, которых немного. Из-за малого количества глубоких трубчатых колодцев риск отравления мышьяком в Западной Бенгалии ниже. По данным Всемирной организации здравоохранения, «в Бангладеш, Западной Бенгалии (Индия) и некоторых других регионах большая часть питьевой воды собиралась из открытых колодцев и прудов с небольшим содержанием мышьяка или без него, но с зараженной водой, передающей болезни, такие как диарея. , дизентерия , брюшной тиф , холера и гепатит . Программы по обеспечению "безопасной" питьевой водой за последние 30 лет помогли контролировать эти болезни, но в некоторых областях они имели неожиданный побочный эффект, подвергнув население другому здоровью. проблема - мышьяк ". Сообщается, что в семи из двадцати районов Западной Бенгалии концентрация мышьяка в грунтовых водах превышает 0,05 мг / л, что является пределом содержания мышьяка, установленным правительством. Общая численность населения в этих семи округах составляет более 34 миллионов человек, а количество людей, использующих воду, богатую мышьяком, превышает 1 миллион (более 0,05 мг / л). Это число увеличивается до 1,3 миллиона, когда концентрация выше 0,01 мг / л. Согласно исследованию, проведенному Британской геологической службой в 1998 году на неглубоких трубчатых колодцах в 61 из 64 районов Бангладеш, 46 процентов проб были выше 0,01 мг / л, а 27 процентов - выше 0,050 мг / л. В сочетании с оценкой численности населения в 1999 г. было подсчитано, что число людей, подвергшихся воздействию концентраций мышьяка выше 0,05 мг / л, составляет 28–35 миллионов, а количество людей, подвергшихся воздействию концентраций мышьяка более 0,01 мг / л, составляет 46–57 миллионов.

По всему Бангладеш, когда трубчатые колодцы проверяются на концентрацию мышьяка, колодцы, в которых обнаруживается концентрация мышьяка, превышающая безопасное количество, окрашиваются в красный цвет, чтобы предупредить жителей о том, что вода небезопасна для питья.

В Бихаре подземные воды в 13 районах были загрязнены мышьяком в количестве, превышающем 0,05 мг / л. Все эти районы расположены недалеко от крупных рек, таких как Ганга и Гандак .

Аргентина

Центральная часть Аргентины подвержена воздействию грунтовых вод, загрязненных мышьяком. В частности, La Pampa производит воду, содержащую 4–5300 микрограммов на литр.

Соединенные Штаты

Регулирование

Стандарт питьевой воды в 0,05 мг / л (50 частей на миллиард , или ppb) мышьяка был первоначально установлен в Соединенных Штатах Службой общественного здравоохранения в 1942 году. После принятия Закона о безопасной питьевой воде 1974 года (SDWA) Агентству по охране окружающей среды (EPA) было дано право устанавливать максимальные уровни сдерживания (MCL) загрязняющих веществ в системах водоснабжения общего пользования. В 1996 году Конгресс внес поправки в SDWA и создал Оборотный фонд штата по питьевой воде для предоставления ссуд на улучшение водоснабжения, что увеличило полномочия EPA по установлению мандатов. Эта поправка создала «правило затрат и выгод», чтобы определить, перевешивают ли затраты на внедрение новых MCL выгоды для здоровья. Чтобы максимизировать затраты и выгоды от установки новых MLC, EPA начало разрешать замену более доступной технологии, которая не полностью соответствовала стандартам MLC, потому что она была более доступной.

EPA изучало плюсы и минусы снижения MCL мышьяка в течение многих лет в конце 1980-х и 1990-х годах. Никаких действий не было предпринято до января 2001 года, когда администрация Клинтона в последние недели своей деятельности провозгласила новый стандарт 0,01 мг / л (10 частей на миллиард), который вступил в силу в январе 2006 года. Администрация Буша приостановила полуночное регулирование , но после нескольких месяцев исследований, новый администратор EPA Кристин Тодд Уитман утвердила новый стандарт мышьяка 10 частей на миллиард и его первоначальная дата вступления в силу в январе 2006 года. Во многих местах этот предел превышен. Исследование общественного здравоохранения Lancet, проведенное в 2017 году, показало, что это изменение правил привело к снижению смертности от рака.

Многие общественные системы водоснабжения в Соединенных Штатах получали воду из грунтовых вод, которые соответствовали старому стандарту мышьяка в 50 частей на миллиард, но превышали новые 10 частей на миллиард ПДК. Эти коммунальные предприятия искали либо альтернативный источник, либо недорогой метод очистки воды от мышьяка. В Аризоне около 35 процентов водозаборных скважин были выведены из строя в соответствии с новым постановлением; в Калифорнии - 38 процентов.

Продолжаются дискуссии о правильном MCL мышьяка. Некоторые утверждали, что федеральный стандарт в 10 частей на миллиард все еще слишком высок, в то время как другие утверждали, что 10 частей на миллиард - это излишне строгий. В отдельных штатах могут быть установлены более низкие пределы содержания мышьяка; Нью-Джерси сделал это, установив максимум 0,005 мг / л (5 частей на миллиард) для мышьяка в питьевой воде.

Исследование частных колодцев в Аппалачах показало, что в шести процентах колодцев содержание мышьяка превышает допустимый уровень содержания мышьяка в США 0,010 мг / л.

Тематические исследования и инциденты

В Фаллоне, штат Невада , давно известно, что подземные воды содержат относительно высокие концентрации мышьяка (более 0,08 мг / л). Даже в некоторых поверхностных водах, таких как река Верде в Аризоне , иногда содержание мышьяка превышает 0,01 мг / л, особенно в периоды низкого стока, когда в речном потоке преобладает расход подземных вод.

Исследование, проведенное в прилегающей территории с шестью округами на юго-востоке Мичигана, изучило взаимосвязь между умеренным уровнем мышьяка и 23 исходами болезней. Исходы заболеваний включали несколько типов рака, заболевания сердечно-сосудистой и дыхательной системы, сахарный диабет, а также заболевания почек и печени. Повышенная смертность наблюдалась при всех заболеваниях системы кровообращения. Исследователи признали необходимость повторить свои выводы.

Непал

В Непале существует серьезная проблема с загрязнением мышьяком. Проблема наиболее остро стоит в районе Тераи , а наиболее остро стоит проблема возле района Навалпараси , где 26 процентов неглубоких колодцев не соответствовали стандарту ВОЗ в 10 частей на миллиард. Исследование Японского агентства международного сотрудничества и окружающей среды в долине Катманду показало, что 72% глубоких скважин не соответствовали стандарту ВОЗ, а 12% не соответствовали непальскому стандарту 50 частей на миллиард.

Решения для очистки воды

Доступ к чистой питьевой воде чреват политическим, социально-экономическим и культурным неравенством. На практике многие стратегии очистки воды, как правило, являются временным решением более крупной проблемы, часто затягивая социальные проблемы, одновременно решая научные. Научные исследования показали, что особенно важно учитывать междисциплинарные подходы к очистке воды, а долгосрочные улучшения предполагают более широкие перспективы, чем строгие научные подходы.

Маломасштабная очистка воды

Обзор методов удаления мышьяка из подземных вод в Пакистане обобщает наиболее технически жизнеспособные недорогие методы. Большинство небольших обработок сосредоточены на воде после того, как она покинула место распределения, и, таким образом, больше сосредоточены на быстрых и временных решениях.

Более простая и менее дорогая форма удаления мышьяка известна как фильтр мышьяка Sono , в котором используются три кувшина, содержащие стружку чугуна и песок в первом кувшине и древесный активированный уголь и песок во втором. Пластиковые ведра также можно использовать в качестве фильтровальных емкостей. Утверждается, что тысячи таких систем используются и могут работать годами, избегая при этом проблемы удаления токсичных отходов, присущей обычным установкам по удалению мышьяка. Несмотря на то, что этот фильтр является новым, он не был сертифицирован никакими санитарными стандартами, такими как NSF, ANSI, WQA, и не исключает утилизации токсичных отходов, как и любой другой процесс удаления железа.

В Соединенных Штатах для удаления мышьяка из питьевой воды использовались небольшие установки «под раковиной». Этот вариант называется лечением по месту использования. Наиболее распространенные виды бытовой очистки используют технологии адсорбции (с использованием таких сред, как Bayoxide E33, GFH, активированный оксид алюминия или диоксид титана) или обратного осмоса . Ионный обмен и активированный оксид алюминия рассматривались, но обычно не используются.

Сообщалось, что фильтры на основе соломы снижают содержание мышьяка в воде до 3 мкг / л (3 частей на миллиард). Это особенно важно в районах, где питьевая вода поступает путем фильтрации воды, добытой из подземного водоносного горизонта .

При электрокоагуляции железа (Fe-EC) железо непрерывно растворяется с помощью электричества, и образующиеся гидроксиды, оксигидоксиды и оксиды железа образуют абсорбент, легко притягиваемый мышьяком. Плотностью тока , количеством заряда, доставляемого на литр воды, процесса часто манипулируют, чтобы добиться максимального истощения мышьяка. Эта стратегия лечения в основном использовалась в Бангладеш и оказалась в значительной степени успешной. Фактически, использование электрокоагуляции железа для удаления мышьяка из воды оказалось наиболее эффективным вариантом лечения.

Масштабная очистка воды

В некоторых местах, например в Соединенных Штатах, вся вода, подаваемая в жилые дома коммунальными службами, должна соответствовать первичным (медицинским) стандартам питьевой воды. Правила могут потребовать крупномасштабных систем очистки для удаления мышьяка из водоснабжения. Эффективность любого метода зависит от химического состава конкретного водопровода. Водно-химический состав мышьяка сложен и может повлиять на скорость удаления, которая может быть достигнута с помощью определенного процесса.

Некоторые крупные коммунальные предприятия с несколькими водозаборными колодцами могут закрыть эти колодцы с высокими концентрациями мышьяка и производить продукцию только из колодцев или поверхностных источников воды, соответствующих стандарту мышьяка. Однако другие коммунальные предприятия, особенно небольшие коммунальные предприятия с несколькими колодцами, могут не иметь доступной воды, соответствующей стандарту по мышьяку.

Коагуляция / фильтрация (также известная как флокуляция ) удаляет мышьяк путем соосаждения и адсорбции с использованием коагулянтов железа. Коагуляция / фильтрация с использованием квасцов уже используется некоторыми предприятиями для удаления взвешенных твердых частиц и может быть скорректирована для удаления мышьяка.

Адсорбция оксида железа фильтрует воду через гранулированную среду, содержащую оксид железа. Оксид железа имеет высокое сродство к адсорбции растворенных металлов, таких как мышьяк. Среда из оксида железа со временем становится насыщенной, и ее необходимо заменить. Удаление шлама и здесь является проблемой.

Активированный оксид алюминия - это адсорбент, эффективно удаляющий мышьяк. Колонны с активированным оксидом алюминия, подключенные к мелким трубчатым колодцам в Индии и Бангладеш, на протяжении десятилетий удаляли как As (III), так и As (V) из подземных вод. Долгосрочная работа колонны стала возможной благодаря усилиям избранных сообществом комитетов по водным ресурсам, которые собирают местный налог на воду для финансирования операций и технического обслуживания. Его также использовали для удаления нежелательно высоких концентраций фторида .

Ионный обмен давно используется в качествепроцесса смягчения воды , хотя обычно в индивидуальном порядке. Традиционные анионообменные смолы эффективны для удаления As (V), но не As (III), или триоксида мышьяка , который не имеет чистого заряда. Для эффективного долгосрочного ионообменного удаления мышьяка требуется обученный оператор для обслуживания колонки.

И обратный осмос, и электродиализ (также называемый обратным электродиализом ) могут удалять мышьяк с чистым ионным зарядом. (Обратите внимание, что оксид мышьяка, As 2 O 3 , является распространенной формой мышьяка в грунтовых водах, которая является растворимой, но не имеет чистого заряда.) Некоторые коммунальные предприятия в настоящее время используют один из этих методов для уменьшения общего количества растворенных твердых веществ и, следовательно, улучшения вкуса. Проблема с обоими методами заключается в производстве сточных вод с высоким содержанием соли, называемых рассолом или концентратом, которые затем необходимо утилизировать.

Технология подземного удаления мышьяка (SAR) SAR Technology

При подземном удалении мышьяка аэрированные грунтовые воды пополняются обратно в водоносный горизонт, чтобы создать зону окисления, которая может задерживать железо и мышьяк на частицах почвы за счет процесса адсорбции. Зона окисления, создаваемая аэрированной водой, повышает активность окисляющих мышьяк микроорганизмов, которые могут окислять мышьяк с +3 до +5 состояния SAR Technology . На этапе эксплуатации не используются химические вещества и почти не образуется ил, поскольку соединения железа и мышьяка становятся неактивными в самом водоносном горизонте. Таким образом предотвращается удаление токсичных отходов и риск их дальнейшей мобилизации. Кроме того, он имеет очень долгий срок эксплуатации, аналогичный долговечным трубчатым скважинам, забирающим воду из неглубоких водоносных горизонтов.

Шесть таких станций SAR, финансируемых Всемирным банком и построенных миссией Рамакришны Вивекананды, Barrackpore & Queen's University Belfast, UK, работают в Западной Бенгалии. Каждый завод ежедневно поставляет сельскому населению более 3000 литров воды, не содержащей мышьяка и железа. Первая общественная водоочистная станция на основе технологии SAR была создана в Кашимпоре недалеко от Калькутты в 2004 году группой европейских и индийских инженеров под руководством Бхаскара Сен Гупты из Королевского университета в Белфасте для TiPOT.

Технология SAR была удостоена награды Дхирубхай Амбани 2010 от IChemE UK за химические инновации. И снова ЮАР была лауреатом премии Сент-Эндрюс за охрану окружающей среды в 2010 году . Проект SAR был выбран Институтом Блэксмита - Нью-Йорк и Зеленый Крест - Швейцария как один из «12 примеров успешной очистки и успеха» в Отчете о наихудших загрязненных местах в мире за 2009 год (см. Www.worstpolluted.org ).

В настоящее время крупномасштабные установки SAR устанавливаются в США, Малайзии, Камбодже и Вьетнаме.

Восстановление мышьяка на основе нанотехнологий

Наноматериалы с высокой поверхностной энергией, приготовленные с использованием природных богатых ингредиентов, могут быть полезны в создании экологически чистых продуктов. Используя наноматериалы, можно эффективно уничтожать микроорганизмы, адсорбировать мышьяк и фторид, удалять тяжелые металлы и разлагать пестициды, обычно содержащиеся в воде. Исследователи изучили новые методы синтеза композиций оксида / гидроксида / оксигидроксида железа в лаборатории и использовали их для очистки воды. Продукт с метким названием AMRIT, что на индийских языках означает эликсир, разработанный Индийским технологическим институтом Мадраса, представляет собой доступную технологию очистки воды, основанную на передовых материалах, которая была подтверждена посредством исследовательских статей и патентов и была одобрена для национального внедрения в Индия. Технология позволяет удалить из воды несколько анионов, особенно арсенат и арсенит (два распространенных вида, присутствующих в воде, загрязненной мышьяком) и фторид. В настоящее время эта технология обеспечивает ежедневную доставку воды без содержания мышьяка примерно 10 000 000 человек. AMRIT использует адсорбент, основанный на простом методе, для поддержания фазы метастабильного 2-линейного ферригидрита (называемого CM2LF) при комнатной температуре путем заключения ее в биополимерные клетки. Он может работать с концентрациями мышьяка и коллоидного железа, достигающими 100-800 мкг / л и 50 мг / л, соответственно, и обеспечивает выходную концентрацию ниже допустимого предела, установленного EPA, равного 10 мкг / л и 200 мкг / л соответственно. Адсорбционная способность композита по мышьяку в полевых условиях в 1,4-7,6 раз лучше, чем у имеющихся составов. Сотни единиц были испытаны в мышьяковом поясе Индии, которые непрерывно работают в полевых условиях в течение нескольких лет. Реализованы комплектные водоочистные установки различной мощности от десятков литров до миллионов литров. AMRIT применялся в различных формах коммунальных водоочистителей, которые просты в использовании, имеют низкую стоимость обслуживания и не образуют осадка. Он может работать при расходе от 300 л / ч (литров в час) до 100 000 л / ч. Стоимость чистой воды с использованием этой технологии в районах, пораженных мышьяком, составляет менее 2,5 пайсы (0,0006 долларов США) за литр, что включает в себя расходы на оператора, управляющего установкой, необходимые расходные материалы и электроэнергию, используемую для перекачивания и распределения. Для фильтрации не требуется электричество. Его можно реализовать на любом уровне - домашнем, общественном или муниципальном - в любой точке мира и легко интегрировать с другими технологиями.

Адсорбционные свойства CM2LF и механизм его поглощения были тщательно изучены. Сообщалось о последующих исследованиях, направленных на то, чтобы сделать эту технологию более экологичной с дальнейшим улучшением способности удаления и включения показателей устойчивости при производстве и эксплуатации. В целом AMRIT представляет собой убедительное решение для достижения поставленной в Декларации тысячелетия Организации Объединенных Наций цели устойчивого доступа к безопасной питьевой воде.

Диетическое потребление

Исследователи из Бангладеш и Соединенного Королевства заявили, что потребление мышьяка с пищей значительно увеличивает общее потребление там, где загрязненная вода используется для орошения.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки