Mobilization of natural arsenic in groundwater: targeting low arsenic aquifers in high arsenic occurrence areas

研究表明饮用水中微小数量的砷会对人类健康产生不利影响.世界上居住在贫穷地区的人数超过了100万,目前他们正直接饮用来自含水层中砷离子含量(>10μg/L)非安全标准的地下水.砷有时称为毒中之王,在水环境中常常以五价氧化物形式出现.自2000年以来,许多国家开始执行更为严格的10μg/L(WHO认可的居民安全饮水标准)饮用水标准,可以确定地说,在世界范围内的饮用水中检测到砷的情况越来越多.亚洲地区砷中毒的人数比世界其他地区总和还多.最受影响的地区位于南亚和东南亚富砷带,环绕恒河一雅鲁藏布江-梅克纳河三角洲及恒河平原上游的冲洪积扇含水层、红河三角洲、湄公河和伊洛瓦底江;在中国境内包括内蒙黄河冲积盆地,山西大同盆地、新疆准噶尔盆地,其中的地下水富含砷和氟化物而引发砷中毒和氟中毒.尽管还未完全掌握其中的水文地质及生物地球化学作用的详细过程,但对大多数沉积介质含水层,在还原条件下砷离子容易从沉积介质转移到地下水中.孟加拉研究实例表明地质时期尺度的冲刷降低了沉积介质中的As和有机物含量从而形成低砷地下水.这一认识为孟加拉国的降砷策略提供了科学指导,是未来水文学,矿物学,地质学和生物地球化学方面很有意义的研究方向,并有利于地砷病区低砷地下水的可持续利用.     

孟加拉国砷污染回顾

目前，孟加拉国居民的健康正面临着严重威胁，8，500，000人的饮用水和粮食作物受到了砷污染。孟加拉国的地下水砷污染问题在世界上是最严重的。由于孟加拉国对地表水管理不当，97％居民的饮用水和家庭用水来源于地下水。在孟加拉国，地下水严重受到砷污染引起大量砷中毒事件。砷污染回顾着重于综述近年来砷污染的调查结果和统计数据，尤其是土壤、水和食物的砷污染。世界卫生组织（WHO）规定的饮用水中砷的额定浓度为10μg/L。现有勘查着重于孟加拉国64个地区深水井的地下水中砷的浓度。调查结果显示：59个深水井的地下水中砷的浓度大于10μg／L；43个深水井的地下水中砷的浓度大于50μg／L。受砷污染的地下水常被用于浇灌水稻（居民主要的粮食作物）。这种农业习惯（把受污染的地下水用于灌溉）引起土壤中砷的浓度增加。现有研究显示，稻米和蔬菜中85％-95％的砷是无机砷。在孟加拉国，土壤、地下水和植物中砷的浓度（基于孟加拉国4％的地区）超过报导的最大允许浓度或者正常范围，这（砷浓度大于最大允许浓度）对孟加拉国居民和家畜的健康造成了严重威胁，强调了开展科学研究的必要性，例如，较好地描述自然环境中砷的存在形态以及确定所有潜在的砷污染途径的科学研究。     

河套平原西部地下水砷富集机制研究

干旱内陆盆地高砷含量的地下水威胁着当地饮用水安全，其形成机制尚不完全清楚。为厘清这类高砷地下水的形成机制，本文以河套平原西部地下水为研究对象，分析其中As等部分氧化还原敏感元素含量和氢、氧同位素组成(δD和δ¹⁸O)。结果表明，地下水样的As的质量浓度为1.5～155μg/L(均值为36.7μg/L),超半数样品超过10μg/L,主要分布于盆地中部的浅层含水层。水样的氢、氧同位素组成和离子间的相关性分析表明，虽然蒸发浓缩作用导致地下水富集Na⁺和Cl^-,但对As的富集影响不显著；在偏碱性环境中因解吸附作用产生的As进入地下水，对As的富集有一定贡献；负载As的铁氧化物还原性溶解和沉积物中的As(V)还原性解吸附是地下水中As富集的主要原因；强还原环境中，硫酸盐还原作用形成的硫代砷可能会促使As在地下水中高度富集。     

基于随机森林建模预测河套盆地高砷地下水风险分布

河套盆地浅层地下水砷污染严重,对当地居民健康造成严重影响。当前对河套盆地浅层地下水高砷分布的研究受限于采样时间和样本数量,难以从宏观角度对河套盆地高砷地下水的空间分布作出较为全面的评价。本文基于研究区506个浅层地下水样品,以9个地表环境参数为初始预测变量,经过最佳变量组合筛选,采用随机森林建模来产生风险概率,评价了预测变量的重要性以及对高砷地下水的影响。以气候因子为动态预测变量,根据模型识别不同季节地下水高砷的概率分布并制作了风险区专题图。结果表明：研究区的地下水样品砷含量为0.05~916.7μg/L,超标率（砷浓度>10μg/L）为50%;地下水高砷风险区主要分布在河套盆地的沉积中心地带,但冬季高砷风险区面积减少1907km²,占研究区总面积14.14%;降水、干旱指数、排灌渠影响、潜在蒸散、温度是影响高砷地下水最重要的指标。研究认为,河套盆地的气候变量（降水、干旱指数）与含水层砷含量显著相关,控制高砷地下水在河套盆地的沉积中心地带发生季节性变化。     

西安周边地区饮用水砷含量及来源初探

通过对西安周边地区11个采样点饮用水中砷含量的调查分析,结果表明西安南部秦岭地区和西安东部的饮用水中砷含量较低,西安西部户县地区砷的含量明显高于其他地区,达到了0.047 mg/L,已基本上接近了轻度污染的标准.综合分析认为,造成这一地区砷相对富集的原因并非单一因素,而是自然因素和人为因素综合作用的结果.户县地区地处秦岭造山带,位于商丹断裂带以北,岩浆侵入体和金矿床的存在可能是高砷环境的主要原生物源.位于商丹断裂带以南的镇安地区同样岩浆侵入体普遍存在,岩石地层中砷含量相对较高,但秦岭地区饮用水中砷含量并没有表现出异常现象,进而说明含金矿床带的存在可能是影响户县地区饮用水含砷量异常的原因之一.     

大同盆地地下水砷异常及其成因研究

大同盆地是中国典型的原生高砷地下水分布区。笔者对大同盆地高砷地下水的分布特征、水化学演化过程、砷的来源以及控制高砷地下水形成的地球化学过程等近期研究成果进行了总结。盆地周边石炭—二叠纪煤系地层是盆地高砷环境的主要原生物源,含水层系统中铁磁性矿物为砷的主要载体,盆地内富含有机质的湖相沉积物是次生富砷介质。在盆地中心,地下水径流受阻,蒸发成为主要的排泄方式,浓缩作用使得地下水中TDS含量增大。在富含有机质的地层中,有机质在细菌或微生物作用下不断发生分解,使得地下水环境呈还原性。在高pH、低Eh条件下,由于铁锰氧化物或氢氧化物等水合物或粘土矿物对砷的吸附性降低,一部分被吸附的砷从这些矿物表面解吸;同时部分铁锰氧化物可被还原为低价态可溶性铁锰,从而使与其结合的砷也得以释放进入地下水中。在还原条件下,水中的SO24-和有机碳可被还原成H2S和CH4等低价态化合物,尽管生成的硫化物达到一定浓度时可与水中的亚铁离子和砷反应生成FeAsS沉淀,降低了地下水中砷含量,但由于地下水中Fe和硫酸盐含量有限,Fe普遍含量较低,硫酸盐耗尽后,CH4生成细菌就会成为主导力量,砷就会继续在地下水中积聚。此外,由于pH的升高,还可引起其他不同的酸根离子的解吸,如磷酸根、钒酸根、铀酰和钼酸根等也趋向于在溶液中积累,这些被吸附的阴离子以竞争吸附方式,进一步促进砷的解吸。     

内蒙古河套平原高砷地下水赋存环境特征

内蒙古河套平原是世界地方性砷中毒较为严重的地区之一。笔者以平原西部的重病区杭锦后旗为研究区,对高砷地下水赋存环境进行了调查研究。研究表明:高砷区沉积物中As的含量为7.7～34.6mg/kg,其中粘性土和亚粘性土中As含量相对较高。高砷地下水的pH值为7.0～8.3,平均Eh值为-155.1mV,平均矿化度为1.58g/L,主要的水化学类型包括:Cl-HCO3-Na型、Cl-Na型、HCO3-Cl-Na型,As的含量为15.5～1093μg/L,且主要以As(Ⅲ)形态存在,水中DOC(0.73～35.76mg/L)、HCO3-(283.75～1290.48mg/L)、NH4+(0.27～10.48mg/L)的浓度较高,硝酸盐和硫酸盐含量较低。研究区的氟中毒现象也较严重,高氟地下水中氟含量为1.11～6.01mg/L。绝大多数高氟水中砷含量也超标,出现了一种高砷水与高氟水并存的现象。综合判断,河套平原的高砷地下水赋存环境处于还原性环境。还原条件下,高砷区沉积物中的铁/锰氧化物的还原溶解易使吸附的砷释放到地下水中。这是研究区高砷地下水形成的主要原因。     

吉林西部地区高砷地下水砷的阈值分析及风险评价

高砷地下水导致的砷中毒是吉林西部地区近年来新发现的地方病。为评价饮用水中砷对人体健康产生的潜在危害,在野外调查、采样分析的基础上,开展了水砷安全阈值分析 ,确定了砷的总质量浓度0.05 mg/L为研究区的水砷安全阈值,建立了地下水健康风险评价模型,进行了地下水砷健康风险评价。结果表明:研究区地下水砷引起的个人年均风险度最高达2.11×10^-3 a^-1,其中高砷的第四系承压水中97.06%的采样点水砷对人体的个人年均致癌风险度,大于国际辐射防护委员会(ICRP)推荐的最大可接受值5.0×10^-5 a^-1;作为备用水源的第三系大安组、泰康组承压水69.57%采样点砷的致癌风险度也超过最大可接受风险水平。通过对风险度评价结果与砷中毒病情等资料的对比分析,风险评价结果与砷中毒病情基本一致,验证了评价结果的合理性。     

富砷地下水研究进展

原生高砷地下水已对人类健康构成了极大威胁，许多国家和地区对此进行了较深入的研究。在阅读国内外大量文献资料的基础上，全面系统地总结了世界范围内原生高砷地下水概况、砷富集环境和砷来源、分析方法和技术、砷富集机理以及高砷区水源安全保障技术等。提出了高砷地下水研究的主要发展方向，包括：含水介质中砷形态研究、微生物影响下含水层中砷的释放研究、同位素技术在高砷地下水研究中的应用以及高砷饮用水安全保障技术研究等。     

江汉平原高砷含水层沉积物地球化学特征

选取江汉平原典型地下水砷中毒区仙桃市沙湖原种场为研究区,对3个长50m的钻孔沉积物砷含量与赋存形态及其他化学组成进行了分析。结果表明区内沉积物砷质量分数为1.35~107.5mg/kg(平均值为12.8mg/kg)。黏土或亚黏土层中砷含量较高,这与细粒沉积物中铁锰氧化物、黏土矿物对砷的吸附有关。地下20m左右深度内含水层沉积物中砷含量最高,相应地下水中砷质量浓度高达到1 000μg/L。草酸-草酸铵选择性提取结果指示沉积物中10%~77%(平均38%)的As与无定形铁氢氧化物结合,表明无定形铁氢氧化物还原性溶解可能是控制砷释放与还原的主要地球化学过程,并且有机质生物氧化机制极大地促进了该过程。然而,沉积物中仅1.2%~23%的铁被草酸-草酸铵提取,含水层中砷浓度主要受铁的氢氧化物还原性溶解影响,但其他形式的铁、有机物的吸附作用亦控制着砷的含量。     

吉林省饮水型砷中毒区地下水砷的分布规律与成因研究

吉林省饮水型砷中毒区是继中国内蒙古和山西病区后发现的新病区。该病区主要分布在吉林省西部的通榆县和洮南市,其水文地质单元属于松嫩平原大型蓄水盆地的西部,是由第四系潜水、承压水和新近系承压水组成的多层结构的含水系统。采用瞬时采样法采集了区内潜水和承压水样品,共194份;通过GIS的空间叠加技术、化验与测试技术,进行了区域水化学环境特征与饮水型砷中毒的关系研究。结果表明：受区域地质构造控制,在低洼地带堆积了巨厚的粉砂淤泥质冲积物和富含有机质的湖积物,为地下水砷的赋存提供了空间。区域地下水砷含量的范围值为0.001~0.339 mg·L-1,水砷价态以As(V)为主,高砷水主要分布在由若干隆起形成的中间低洼地带中地下水埋深大于10 m的潜水、第四系和新近系承压水含水层中。高砷地下水的形成与特定的水文地质条件和水化学环境有关,氯化物重碳酸钠型水中的砷含量最高。臭葱石（FeAsO4·2H2O）等含铁、含锰矿物在进入地下水的溶解过程中,形成铁、锰的氧化物和砷的化合物,如砷酸盐和亚砷酸盐。伴随着水环境中Eh的降低,氧化物被还原形成更为活泼的离子组分,吸附在氧化物表面的含砷化合物进而解吸,使砷从含水层的沉积物中向水中溶解和迁移。     

大同盆地地下水中砷的富集规律及成因探讨

大同盆地地下水中砷主要富集在黄水河与桑干河的河间洼地及洪积-冲湖积平原的交接洼地,盆地中心的山阴一带是砷的主要富集区。垂向上,富集在2 0～2 0 0m承压孔隙水中。其中,2 0～40m及10 0～15 0m是主要富集段。盆地周边广布的太古界变质岩及中生界煤系地层是砷的原生物源,盆地内富含有机质的湖相沉积物为次生富砷介质,水化学还原环境是砷由沉积物向地下水中溶解的主要因素。断裂凹陷、低洼地形及细粒的含水介质是形成砷富集的有利条件。     

长江中游河湖平原浅层地下水中砷空间异质性的同位素指示

近年来陆续有报道发现长江中游河湖平原广泛分布着高砷地下水,鄱阳湖平原与江北平原（古彭蠡泽）作为长江中游南北两岸典型的河湖平原,其地下水资源丰富,但砷的空间分布规律尚不清楚,区域供水安全存在风险.本研究在两个区域系统采集98个浅层地下水（< 40 m）样品和8个地表水样品,通过水化学、氢氧稳定同位素分析,查明地下水中砷的空间分布异质性及其影响因素.研究发现江北平原浅层地下水砷含量为0.65~956.72 μg/L（平均值210.78 μg/L）,高砷地下水集中分布于长江古河道;鄱阳湖平原浅层地下水砷含量为0.09~267.45 μg/L（平均值11.85 μg/L）,高砷地下水仅分布于赣江三角洲局部地区.江北平原地下水δD与δ18O值相对鄱阳湖平原更偏负,且与地表水的差异更大.地下水化学及主成分分析结果表明物源和含水层结构差异是影响鄱阳湖平原和江北平原砷空间分布异质性的关键因素,来自长江物源的古彭蠡泽区域沉积物为高砷含水层的形成提供了物质来源,湖相含水层中含砷铁氧化物的还原性溶解是地下水砷富集的主要过程.地下水氢氧稳定同位素指示江北平原较鄱阳湖平原地下水赋存环境更封闭,地下水循环交替速度缓慢,有利于砷的富集.      

山西山阴、应县一带砷中毒区砷的环境地球化学研究

通过对山西省大同盆地砷中毒区的环境地球化学调查,对病区环境中砷的来源、价态及砷的迁移、富集、转化规律进行了研究。结果表明,盆地周边岩石、煤系地层为富砷岩系,构成砷的原生物源。自然和人为作用将环境中的砷释放出来,在第四系含水层湖冲积物中富集成次生富砷储集层,为水砷的直接来源。由于含砷水在黄水河构造凹地的深层滞留,加之干旱蒸发使水中砷进一步浓集成高砷水,富炭质含水层的还原环境促使Ａｓ５＋向Ａｓ３＋转化,提高了水的毒性,加剧了砷中毒的发生。     

内蒙古河套平原典型高砷区地下水中砷的演化规律

通过对高砷地下水典型区完整地质单元不同深度含水层地下水进行监测,分析了与砷释放、迁移和富集有关的敏感因素（水位、Eh、总铁、亚铁等）的时间和空间变化规律,探讨了高砷地下水的形成机理。结果发现,地下水灌溉区和黄河水灌溉区,地下水水位均受人为灌溉活动的影响。地下水砷含量在空间和时间尺度上发生有规律的变化。在空间尺度上,地下水中砷含量随着深度的增加而升高,井深小于10 m的地下水砷含量在1.88～2.58 μg/L;井深在10~15 m之间的地下水中砷含量在18.2～217 μg/L;井深在15~25 m之间的地下水中砷含量在38.3～226 μg/L。受人为灌溉影响,地下水中砷的含量会随着地下水位的抬升而升高。地下水砷含量随时间变化的原因是水位抬升使水位变化造成氧化还原环境改变。地下水系统中含砷铁氧化物矿物的还原性溶解、脱硫酸作用等是控制地下水砷含量的主要水文地球化学过程。     

地下水砷污染分析

阐述了含砷黄铁矿等含砷矿物以及岩石矿物附着砷等天然来源,同时从气候、环境地质以及水化学环境等方面分析了砷在地下水中的迁移和富集规律。研究表明：干旱、半干旱地区、封闭的地形地貌、断裂凹陷等外部环境有利于高砷地下水的形成,同时含水介质性质、地下水径流条件以及地下水中pH值、Eh值、不同的无机和有机组分对砷在地下水中迁移富集起着重要作用。在此基础上从砷的“来源—影响因素—影响过程—高砷形成”角度提出了地下水砷污染的成因模式,对砷中毒病区的环境问题调查与地下水砷污染的防治具有重要参考价值。     

中国内蒙古河套平原砷污染地下水勘探技术方法(英文)

1990年报道了在中国内蒙古河套平原由于饮用污染的地下水而患砷中毒的病例。估计目前内蒙受到砷中毒影响的居民已超过41万人。从1997年至2004年,在长达8年的时间里,我们进行了水文地质调查、地质调查和医学调查,并装置了管道输送的供水系统。这些调查揭示了河套平原地下水受砷污染的机理:由于被吸收的砷释放进入地下水,蓄水层中不断加强的还原环境造成铁氢氧化物的溶解。为了防止砷中毒病人数量的进一步增加,停止饮用污染过的水和供应安全的饮用水是重要的。我们需要根据当地的地质和水文地质条件来了解砷污染的机理。     

氢氧化铁-纸浆复合吸附剂处理饮用水中砷的实验室研究

本文讨论了在实验室条件下用氢氧化铁-纸浆复合吸附剂处理饮用地下水以降低砷含量的方法。当砷含量为67.5μg/1时,用20ml上述复合吸附剂可处理301水使之达到饮用水卫生标准。作者所提出的复合吸附剂具有易制备、价廉、后处理容易的特点。     

大同盆地砷、氟中毒地方病生态地球化学研究

山西大同盆地属干冷荒漠景观条件的半封闭型断陷盆地。区内有害元素的聚集导致氟中毒等多种地方病肆虐,20世纪90年代因开发和饮用深层地下水爆发了水砷中毒病。经地球化学调查发现:地下潜水高含F,超标1.3～12倍;深层承压地下水富As,砷含量超标2～20倍。砷中毒发病率与饮水中As3+/∑As比值呈正相关关系。盆地周边分布多层富含As和F的地层和火成岩体,处于富As、F的区域地球化学省内。由于大同盆地的不均匀沉降,在其边缘部分形成深凹陷带,含砷下渗地下水经有机碳质层的还原作用,使砷还原为三价,提高了地下水的毒性并滞留聚集。探讨了F、As富集和中毒的机理和生态地球化学危害评价,提出了治理和外围调查预测建议。     

墨西哥地下水中的砷和氟化物

墨西哥各区含水层的监测结果表明,地下水砷浓度和氟浓度都高于饮用水标准,调查表明,污染物是原生的;而少数区域的监测结果表明,污染主要是由于对水特殊处理后,将一些有毒元素释放到地下水中所致。在墨西哥北部Comarca Lagunera,就砷对健康的影响进行了大量的研究,而且在这些区域还发现了高氟水。这些地方砷的来源问题仍有争议。天然的和人为排放的砷污染了采矿活动频繁区域的地下水。墨西哥中部Zimapan裂隙石灰岩含水层被富砷矿物污染。尾矿和富含烟气的沉积物的冶炼污染了浅层小颗粒含水层（granular aquifer）。在SanAntonio-El Triunfo采矿区、加利福尼亚南部Baja和San Luis Potosi州的Santa Maria de la Paz也报道砷污染的情况。水文地球化学和统计学手段调查表明,即便不采矿,毒砂氧化也可能污染水体,如墨西哥高原的Independencia含水层就是这样的实例。在Los Azufres、Los Humeros和Acoculco地热区也有高浓度的砷检出,在Aguascalientes、Los Azufres、Los Humeros和Acoculco州调查了氟斑牙的发病率。水中的氟化物导致酸性的火山岩分解。墨西哥大部分居民都饮用地下水。目前对墨西哥地质概况的调查表明,在所有的水富集区,必须把测定地下水砷和氟化物浓度的工作提到日程上来,进行学科间的研究,评价污染物的来源。