孟加拉国农村地区浅水井饮用水中地下铁和砷的去除外文翻译资料

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孟加拉国农村地区浅水井饮用水中地下铁和砷的去除

D. van Halem, S. Olivero, W.W.J.M. de Vet, J.Q.J.C. Verberk , G.L. Amy，J.C. van Dijk

关键词：

砷、孟加拉国、饮用水处理、地下水除铁

摘要：

地下铁和砷的去除可能是一个具有成本效益的技术，这项技术通过现有的浅水管井在农村地区提供安全的饮用水。一个大规模的试验设施在孟加拉国建立，该试验在含高浓度的铁（0.27mmol/L）和砷（0.27umol/L）的缺氧含水层中注射充气水。由试验设备周期性的注射和抽出充气水，并且同时在实验室内模拟缺氧柱实验。

相比于原来的地下水，无量纲延迟因素被定为在井中铁和砷延时出现。在试验设备中，在每次周期性的注射和抽离之后铁的去除因素大大增加，此时延迟因子（无量纲延迟因素）上升到17。这些高的去除效果不能被吸附催化氧化的理论解释，因此其他过程有助于该系统的功效。这一发现在缺氧柱实验中被证实，因为在每次的周期性循环中，吸附催化氧化机制并没有改变。在多次的周期性循环后，延迟因子没有继续增加，它保持稳定在2左右，说明了影响了铁的去除效率的过程没有促使砷的同时去除。柱实验表明地下水中砷的去除是一个吸附过程，只有新鲜的氧化铁的吸附的同时才能同时吸附砷。这表明地下处理过程中砷的吸附被氧化铁的吸附量控制着，而不是被去除铁的量。对于实验目的来说，这是一个重要的发现，很明显，因为注射水中氧的浓度不能控制地下水中砷的去除，而是注射量的大小。另外，在这项研究中表明，在不同浓度的铁摩尔含量的溶液中地下水中砷的去除量是没有关联的。有提议说砷的去除受制于其他阴离子的存在，如磷酸盐，因为它们竞争相同的吸附点位。

1. 介绍

孟加拉国浅管井的砷污染严重影响了该国发展和健康，在不同的农村贫困地区影响效果不同，即，那些最依赖于这一水源的地区。在本文中提到了地下水中铁和砷去除的水处理设备，该设备依赖于现有的基础设备——一个手动泵或者浅管井，并将铁和砷保留在地下。因此，它有着比其他的家庭和社区除砷系统更加明显的优势，比如声纳和加铝：

-不需要昂贵的过滤介质和维护管理费用；

-管井是在孟加拉国农村地区饮用水的优先选择；并且在他们的家庭中，大多数农村贫困人口可以得到并使用管井；

-除了现有的手动泵以外，额外的硬件设施是可以负担的，并且该设施在局部地区可以得到使用和维修；

-铁也被去除，并且改善了水的颜色和味道；大大提高了社会接受的能力；

-铁可能是砷存在的一个可见指标（并且有助于在部署后的水质监测）；

-地下水灌溉导致农作物（水稻）的砷积累也可能得到缓解；

地下水中铁去除的原理是，通过一个管井将碳酸水周期性的注射入缺氧含水层中，取代了含铁的地下水（图1的左侧）。注射的水氧化了吸附在土壤颗粒中的亚铁，导致铁的氢氧化物表面有地方吸附可溶性亚铁离子和阴离子，比如砷。在流动过程中，地下水中的可溶性铁被吸附到涂了一层土壤颗粒的三价铁中，得到了减少了铁浓度的水（图1右侧）。注射开始后又一次将铁浓度提升到原始浓度。在这篇文章中，在该管周围受影响的区域被称为的氧化区。

图1 小规模地下水中铁和砷的去除原理

通过将富氧水注入缺氧的含水层中，在含水层中会出现铁的均相和非均相氧化。二价铁的均相氧化反应发生在溶液中，主要发生在刚开始注入水的界面处，即缺氧的地下水。因为地下土壤颗粒中的铁的氢氧化物有着大的表面积，铁的氢氧化物表面发生的亚铁离子的非均相的氧化反应占主导地位。在本文中，系统的效能是通过吸附催化氧化解释的，其中吸附的亚铁氧化形成新的吸附位点。在进入含水层的过程中，注射的水氧化吸附亚铁，在抽离的过程中再次吸附：

equiv;Fe^ⅢOFe^ⅡOH(s)＋0.250₂＋0.5H₂O→equiv;Fe^ⅢOFe^ⅡOH(s)＋OH^- 方程（1）

由于在注射充满气体的水程中氧消耗的很快，有氧气的地方会滞后于刚开始注入水的地方。当亚铁不均匀氧化完成时，地下水的抽取过程中氢氧化铁表面可用于铁和含氧阴离子的吸附，如砷：

equiv;Fe^ⅢOH（s）＋Fe^Ⅱ＋H₂O→equiv;Fe^ⅢOFe^ⅡOH(s)＋2H^＋ 方程（2）

equiv;Fe^ⅢOH（s）＋H₃AsO₃→Fe^ⅢH₂AsO₃（s）＋H₂O 方程（3）

一旦铁的氢氧化物的表面被用完，没有更多的铁和砷可以被吸附，铁和砷将会在产生的水中被观察到。每个周期性的注射和抽取被称为一个周期，第一次的注射和抽取称为第一个周期。减少了铁/砷浓度比的水被提取的数量多于被注射的数量，他们的体积比称为系统的效率。

地下水除铁已在欧洲中部使用了几十年，但地下处理的应用中，从地下水中去除砷是一个相对较新的方法。这项技术有可能是一个具有成本效益的技术，该方式用来在农村地区提供安全的饮用水。该技术在现有的基础设施（手动泵和管井）被改为在注射和抽离条件下操作。在本文中，砷浓度的减少从最大的40ug/L降低到10ug/L，砷浓度的减少是通过将含气水注入含水层中来实现。在孟加拉国中地下高浓度砷的去除是由萨卡和拉赫曼调查的，高浓度的砷含量为500-1300ug/L。在该项研究中砷的浓度还没有被降低到10ug/L，尽管如此，也有超过50%的去除率。在缺少自然形成的可溶性亚铁的情况下，其他的研究人员研究了同时注入含有二价铁和含有三价铁的充气水。初步结果为将100ug/L的砷浓度降低到10ug/L。虽然这些结果是有可利用价值的，但在孟加拉国，这项技术的局限性还知道的很少。本文的重点是确定地下水中铁和砷去除的主导过程，以评估该项技术在孟加拉国农村的适用性。该方法包括：（1）在曼尼康地区实行社区规模实验的实地研究，孟加拉国评估地下铁和砷去除的潜在性；（2）在去除地下水中铁和砷的过程中，天然地下水的缺氧柱实验模拟改变了在氧化区的氧化还原条件。鉴于试验设备能够测试在复杂的地下环境中的地下处理设备，柱实验提供可控性条件来调查吸附催化氧化机理。

1. 材料和方法

2.1孟加拉国的社区规模试验装置

家用吸入式手泵浅管井广泛分布在孟加拉国，它以使用现有的基础设施来去除地下水中铁和砷为目标。马尼格甘杰县，在达卡的西边40公里处，被选为这项研究的地点，因为该地区以高的地下水中的铁和砷的浓度闻名。一个地点被选定来作为实验地点，该地点有着0.27mmol/L的地下水中的铁浓度，有着1.94umol/L的地下水中的砷浓度。和马尼格甘杰县的其他地区不同，在这个特殊的位置，地下锰的浓度不是很高（5.46umol/L）。然而，对于磷酸盐来说，也没有达到很高的浓度水平（52.6umol/L）。该地区的OR被测出是平均水平-170mV，地下水的PH为6.85。

实验装置（图2）连接到现有的手泵上，在上含水层中有管井分布。1.5英寸的管井有31米深，射孔井有3米长。作为额外的预防措施，设备被放置在一个家庭中，该家庭从2001年以来已经做过砷处理。为了达到地下处理的目的，对现有的情况进行了修改，用管道和阀门进行注射。表面处理后，地面的水被泵（电泵吸）吸到西德克系统曝气、并进行铁（沙粒和颗粒状）的氢氧化物过滤。处理后的水，砷和铁的含量降低，被收集到一个1m³的储存罐中，被用来注射到含水层中。因此最大的注射量限制为1m³。采用测试盒对水样进行分析并且在实验室进行验证。复制品被拿去检测采样的方法和分析准确性。砷的形态在一个特定的区域被处理，采用阴离子交换树脂的方法。哈希仪器（HACH 340i）与实验设备连接用来监测PH值（WTW Sentix 41），溶解氧（wtwcellox 325），OR值 (WTW SenTix ORP) ，和电导率（tetracon 325）。计算的结果通过电脑软件记录在电脑上。注射量和抽取量由水表监测。实施行动开始于2008年10月，在季风季节之后，并持续到2009年5月。这个家庭和他们的社区一起分享他们的砷处理设施，每周的耗水量为2.4-2.9立方米。操作条件，如注射频率和排放量，由于不规则的运行一直在变化。在正常情况下，装置用于家庭水的生产，然而，在研究期间装置被加强。注射是在夜间进行的，抽取开始的时间比注射的时间至少晚12个小时。

图2 孟加拉国的小规模试验装置

2.2天然地下水的缺氧柱实验

在荷兰的Oasen饮用水公司的原始地下水被用来作为柱实验的进水。另外，加入一种药剂来模拟孟加拉国那边的高砷浓度。此外，为了评估不同铁浓度下的影响：根据地下水的比例，几个低浓度砷的水被计量出来。在研究期间，地下水的平均PH值为7.1，温度为恒温的12℃，铁的浓度为94.9umol/L，锰的浓度为11.1umol/L，磷酸盐浓度为33.3umol/L。在每个循环的抽取阶段，地下水被抽到柱中。饮用水的含氧量为0.28mmol/L，PH值为7.4，铁、锰、砷的浓度均低于检测限制。

实验装置（图3）包括重复透明的聚氯乙烯柱，长度为80cm，内径约为36mm（壁厚2mm）。塔被洗过的过滤砂（粒径为0.6-1.2mm，D10为0.75mm）充填。在测试设施中注射和抽取的推-拉操作模型在柱中的2D塞流环境中模拟。流动方向的转变，不需要模拟吸附催化氧化，因为在注射阶段氧突破的C/C₀大于0.8是被允许的。在实验开始时，柱里保持着地下水的条件，直到完全突破的铁的出现。柱中的缺氧条件是由一个密封的FESTO系统以及和其相对应的连接器和阀门保持的。柱中的流速通过一个多通道的泵（具有较低的气体渗透性）和聚氯乙烯管来控制的，设置保持恒定的正压静水压力。一个注射-抽取周期开始于1.5孔体积的（好氧）注射水和其后变为缺氧的进水。电导率被用作一个保守的示踪剂，通过它孔隙体积可以被计算为0.37L。对于柱实验来说，体积比由产生的水除以一个孔隙的体积，因为后者相当于塔中的砂的实际氧化体积。水质参数被监控着，直到铁和砷的C/C₀达到0.8（C为实测浓度，C₀为原始浓度），柱里每个循环的运行时间在9.2和11.6孔体积之间变动。

图3 荷兰的柱实验装置

在实验中样品被拿来做铁分析和砷分析。砷的形态通过一个特地的区域得到（克利福德等，2004），使用阴离子交换树脂。通过在线测量得到溶解氧(WTW Cellox 325），OR值(WTW SenTix ORP)，pH值 (WTW SenTix 41)，和电导率WTW（Tetracon 325）。计算结果通过电脑软件记录在电脑上。

1. 结果与讨论

3.1砷和铁的穿透曲线

3.1.1社区规模试验设备

相比于原来的地下水，一个无量纲的相位差因子已被定义为代表在井中延迟出现的铁和砷。这个因子为V/V_i，当铁或砷的C/C₀（C为实测浓度，C₀为原始浓度）等于0.5时与V/V_i区分开来作为追踪剂，例如，电导率C/C₀=0.5。测定的延迟因子被插入图4中所示，该图为在马尼格甘杰社区规模试验设备的第六个周期。在这种情况下铁的延迟因子为4.5。

图4 导电性、溶解氧和铁的穿透曲线

图5描述了在孟加拉国的试验设备在第20个周期时的总砷、砷和铁的穿透曲线。图清楚地表明，铁的突破是明显滞后的，因为背景浓度为0.27mmol/L，没有达到V/V_i=7.5。铁的延迟因子估值为13。我们可以计算出，铁的总的去除量在那种情况下约为2.6mol。这个特殊周期的注射水的体积为827L，氧浓度为0.17mmol/L。在所有注射的氧气都被地下吸附的铁消耗完了的情况下，从而用于形成新的铁氢氧化物的表面，在此时测出的铁的去除量与方程不是很吻合，1mol的氧能氧化4mol的二价铁。换句话说，在这个特殊的情况下铁的去除效果要比吸附催化氧化理论解释的更为有效。

图5在 测试设备中砷和铁的突破

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