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摘要：饮用水中的砷污染是一个令人担忧的问题，特别是在发展中国家。我们建议从饮用水中去除砷。尽管可以使用有效的除砷技术，但发展中国家和农村社区由于其高昂的成本和技术复杂性而无法使用其中的大多数技术。在砷污染严重的发展中国家里，需要一种低成本，易于使用的技术来保护人类。这项研究总结了除砷技术，并综述了低成本技术，确定了这些技术的优缺点，并研究了其应用范围和改进。将成本与发展中国家低收入人口的能力进行了比较。最后，为了让发展中国家的低收入人群所需成本降低，文献提出了未来的研究方向，

关键字：砷去除技术，处理成本，低成本技术，发展中国家，保护低收入人口

自从发现饮用水中的砷以来，它一直是一个严重的公共卫生问题。砷被定性为人类致癌物（IARC，2016）的数值是1.5 / mg / kg-day（USEPA，2016).砷污染的饮用水是30多个国家以及地区造成砷毒性的主要原因之一。在孟加拉国，印度，越南和柬埔寨的部分地区中，砷的皮肤损害普遍存在报道说，孟加拉国饮用水中的砷可能导致20万人至27万人死于癌症。很少有其他受砷影响的地区是伊朗的库尔德斯坦，越南南部与柬埔寨接壤的湄公河三角洲洪泛区，印度的西孟加拉邦，海得拉巴和阿萨姆邦，中国内蒙古和东克罗地亚.非洲的阿富汗北部，马里北部和赞比亚（;亚洲的泰国;美洲的墨西哥，萨尔瓦多，秘鲁和尼加拉瓜还报告了饮用水中砷的浓度较高。墨西哥报告说，大量分散人口接触了砷含量不健康的饮用水，而砷中毒则是墨西哥的公共卫生问题。

为了保护人类，全球各地的监管机构都对饮用水中的砷设定了最大限量。美国环境保护局（USEPA），世界卫生组织（WHO），加拿大卫生部和欧盟（EU）将饮用水中的砷浓度限制为0.01 mg / L。

地下水是许多发展中国家的主要饮用水来源，地下水中砷的含量取决于含水层的水文学特征和含水层的生物地质特征。微生物活动导致氢氧化铁在含水层中的还原溶解，这有助于砷与羟基氧化铁一起被吸收并释放到地下水中.据报道，黄铁矿的氧化是地下水中砷的另一种来源.沉积物埋藏时的缺氧状况会导致砷氧化铁氢氧化物的还原，并与HCO^-离子一起释放砷.尽管砷在自然界中可以具有不同的氧化态[例如，As（0），As（-III），As（III）和As（V）],As（III）和As（V）是水中的两种主要形式，pH对它们的状态起着非常重要的作用。As（V）（例如H₂AsO在地表水和As（III）中占主导地位）具有显着的热力学稳定性，可减少还原条件。

地下水中As（III）的毒性要比As（V）高，其次是砷酸甲酯（MMA）和砷酸二甲酯（DMA）（Jain和Singh2012).As（III）很难去除，可以通过氧化（例如，使用氯气，KMnO₄）将其转化为As（V），从而在去除过程中提高性能.从饮用水中去除砷是朝着安全饮用水和减少公共卫生问题迈出的重要一步。迄今为止，实践中有许多技术可以从饮用水中去除砷.其中，吸附是一种选择的方法.其他方法包括化学沉淀，物理分离，离子交换，膜过滤，膜蒸馏和混合方法。

过去，全世界范围建立了许多基于小型和农村社区的除砷技术，其中一些简单有效。但是，初始成本和运营成本是大多数此类方法（特别是对低收入人群）的限制因素。特别令人担忧的是，许多低，中低收入和中高收入国民总收入低于1025美元，1026-4035美元和4036-12475美元的国家/地区，可能由于砷的经济能力有限而面临着将砷降低到指导值以下的挑战.目前，低，中，高中类别中有31、52和56个国家和地区，分别约有638、29.27和25.94亿人口.中低等国家约有35.7亿人口，而大多数与砷有关的问题与其中许多国家有关（例如，孟加拉国，越南，巴基斯坦，印度，阿富汗，尼泊尔，马里，尼日利亚）

饮用水中的砷含量高于指导值（世界卫生组织2011），是由于先进处理技术的高昂成本以及水资源的选择有限。在这项研究中，根据方法的优点，缺点和应用总结了除砷技术的主要类别。确定了低成本技术，并研究了改进范围。评估了获得低成本和高性能技术的关键差距。通过考虑中低收入国家和低收入国家的经济生存能力，确定了实现低成本和高性能技术的未来研究需求。

水中的砷含量

天然水中砷的主要种类是As（III）和As（V）。在水中，砷以颗粒（gt; 0.45mu;m），胶体（3000 Da，0.45mu;m）和溶解态（lt;3000 Da）的形式存在，而只有10–20％的砷以胶体或颗粒状态存在.溶解态和胶态态的砷随着地下水中溶解性有机物的增加而增加。腐殖酸和铁（Fe）与碳（C）之比的分子分布影响砷的胶体部分。砷的微粒形式随pH值而变化，

天然水中的砷通常发生以下反应：

砷酸盐的解离[As（V）]

H3AsO4harr;H2AsO4 minus;thorn; Hthorn;;pK1 frac14; 2:2

H2AsOminus;harr;HAsO2minus; thorn; Hthorn;;pK2 frac14; 7

HAsO2minus;harr;AsO3minus;thorn; Hthorn;;pK 3frac14; 11:5

砷的解离[As（III）]

H3AsO3harr;H2AsOminus; thorn; Hthorn;

H2AsOminus;harr;HAsO2minus; thorn; Hthorn;

HAsO3 2minus;harr;AsO3minus;thorn; Hthorn;

氧化还原反应

H3AsO4 thorn; 2Hthorn; thorn; 2eminus;harr;H3AsO3 thorn; H2O

砷溶解在地下水中的概念模型如图1所示。迄今为止，据报道，在这些国家中，有超过1亿人口是砷污染的受害者。

砷吸附到 采矿氧化

和超过提款

羟基氧化铁

地下水（AsFeOOH）

作为轴承黄铁矿矿物，毒砂（FeAsS）

掺入有机物和

碳酸

人为来源（农业和工业排放）

砷[As（III）]

砷酸盐[As（V）]

厌氧微生物

除砷技术

沉淀

在沉淀过程中，添加化学药品以使溶解的砷化合物不稳定并将其转化为不溶的沉淀物。这些过程中经常使用明矾凝结，铁凝结，铁离子与粗方解石的增强凝结，石灰软化，与锰和铁的共沉淀以及电凝。表1 总结了这些过程的方法，应用，成本，优势和局限性。这些方法可有效处理高浓度砷的大量水（表1），同时清除几种金属是可能的。在大多数情况下，添加氧化剂（例如Cl2，KMnO4）可将砷去除效率提高到90％以上，而pH则起着重要的作用。这些过程的处理成本约为每m3水1.0美元（表1).按照监管机构的建议，这些过程不适用于砷浓度不超过10mu;g/ L的废水。这些过程可以与其他技术（例如低成本吸附）结合使用，以满足WHO的10mu;g/ L指南。在基于沉淀的过程中，可能会产生大量有毒金属负载污泥，需要安全处置和/或资源回收，这是一个挑战。此外，基于沉淀的技术中的总砷去除效率会受到沉淀物过滤方法的显着影响.在中试工厂和现场规模技术中，发现絮凝物或沉淀物颗粒的有效过滤可提高整体砷去除效率（Hering等2017).选择最佳凝血剂量pH值很重要，尽管这可能对种植植物构成挑战（Hering等人，2017).此外，发现同时存在的污染物的存在会显着影响除砷性能，这需要现场规模的优化（Hering。2017).

近年来，据报道电凝在pH的工作范围内（例如pH = 6–8）将砷从高初始浓度降低到10mu;g/ L以下，估计费用在US $范围内。每m3水0.22-0.31。该过程需要供电或安装小型太阳能电池，这可能与额外的初始成本和技术问题相关。除这些限制外，电凝可能会在将来成为中小规模治疗的潜在低成本方法。但是，在这些过程中，有毒的污泥处理也是一个问题。

膜工艺

膜分离通过两个过程进行：基于孔径的尺寸排阻和通过电荷排斥的Donnan排阻。饮用水广泛使用的膜工艺包括反渗透（RO），电渗析（ED），纳滤（NF），超滤（UF），微滤（MF）和多孔陶瓷膜（PCM）。表2 总结了用于饮用水的各种基于膜的工艺。在源自地下水的饮用水中，砷大部分仍处于溶解状态，这表明MF可能会限制成功（0.08 –

mu;m）和UF（0.005–0.02mu;m大小）膜，将砷降至10mu;g/ L以下.虽然使用超滤时，壳聚糖和溶解的有机物的组合可以从水中去除高达65％的砷，但这不能使砷降至10mu;g/ L以下。在RO，NF和PCM工艺中，大约90-99％的砷被去除，流出物中的砷含量通常低于10mu;g/ L。反渗透膜的孔径为0.0005mu;m，具有（接下）

表1 不同降水方法之间的比较

SL号混凝剂 描述 类型 优点 坏处 成本 参考

• • 1. 明矾沉淀 pH lt;6.5时的最佳性能 实验室规模300mu;g/ L后处理和污泥去除率高达90％ lt;1.0美元/平方米3 卡丁宁和马丁1995

当使用氧化剂（例如Cl₂）时，明矾剂量为30 mg / L

初始浓度

高

水量

管理问题，不能降低

砷lt;10mu;g/ L

• • 1. 石灰软化 pHgt; 10.5时的最佳性能 实验室规模400mu;g/ L时去除率高达90％ lt;1.0美元/平方米3 卡丁宁和马丁1995

使用氧化剂（例如Cl₂）时

• • 1. 合并沉淀去除40–90％，pHgt; 7，添加

的初始浓度，以相对较低的成本获得大量的水

实验室规模的助凝剂和

化学品，污泥处理问题

污泥管理 US$ 1.21–1.70/m3Kartinen and Martin1995

砷与铁和锰 氧化剂（Cl₂） 有机聚合物增强性能

• • 1. 铁沉淀 pH lt;（6–8），去除率高达95％

初始浓度为300mu;g/ L

在Cl₂和pH为8.5的情况下

不需要实验室规模的后处理，

添加有机聚合物（例如，阴离子，阳离子，非离子电解质）

作为助凝剂提高效率

添加氧化剂（Cl₂），去除60％无需

Cl₂和90％的Cl₂

lt;1.0美元/月3 卡丁宁和马丁1995;

Zouboulis和Katsoyiannis2002

• • 1. 电凝 pH = 6–8，去除As（V）和

As（III）在

铁电极电凝

实验室规模去除至10mu;g/ L以下

可以100％清除

污泥管理 US $ 0.22-0.31 / m3Kumar等。2004;

爱德华兹1994

• • 1. 铁离子与粗方解石增强混凝

表2 不同膜方法之间的比较

Sl.没有。方法 描述 类型 优点 坏处 成本 参考

1. 电渗析 电流通过膜吸引溶解的固体离子

实验室规模

95％的去除率，有效去除了As（V）和As（III）。与RO相似的效率，在含高TDS的水中有效

浪费了10％的进水，需要添加氧化剂（Cl₂）

US $ 3.40 /平方米3 卡丁宁和马丁

1995;艾哈迈德2006;

垃圾等。2010

1. 多孔陶瓷膜化学惰性，热学

和结构稳定的铁氧化物吸附剂与陶瓷膜的微颗粒和纳米颗粒形式

实验室规模

去除率达99％，从1 mg / L降至10mu;g/ L以下

砷酸盐的制备，经济有效的方法，高生产率

需要研究共离子（例如磷酸盐，硫酸盐或氯化物）的影响

膜

成本US $ 600 / m2

Zaspalis等。2007;朱等。2009;贾娜（Jana）等人。2011

1. 纳滤 平均孔径为1 nm，pHgt; 10，带负电荷的过滤器，压力为10–20bar

实验室规模

整体去除率达到98％ 砷（III）去除率gt; 87％

在pH 10

US $ 1.41-1.84 / m31998;

偶数2015

1. 微滤 与凝血有关的工作

工艺，pH lt;6，压力小于5 bar，去除量随凝结剂剂量的增加和过滤器孔径的减小而增加

1. 反渗透 优先扩散是去除

机理，去除效率随溶质浓度，压力和进水流量变化，需要超过20 bar的压力

中试规模

中试规模

减少至5mu;g/ L以下，仅减少2 mg / L FeC1₃混凝剂最初的一半，空气反冲洗可防止过滤器结垢

去除率达99％，去除率低于2mu;g/ L，提高pH值可提高砷（III）去除

集中污水处理

成本高，废水处理集中

布兰德休伯和艾米2001

US $ 3.72 /平方米3 艾哈迈德2006;宁2002

1. 超滤 温度20°C，pHgt;

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