Загрязнение грунтовых вод мышьяком является формой загрязнения грунтовых вод , которое часто возникает из-за естественных высоких концентраций мышьяка в более глубоких слоях грунтовых вод . Это серьезная проблема из-за использования глубоких трубчатых скважин для водоснабжения в дельте Ганга , что приводит к серьезному отравлению мышьяком большого количества людей. Исследование 2007 года показало, что более 137 миллионов человек в более чем 70 странах, вероятно, страдают от отравления мышьяком питьевой воды. Проблема стала серьезной проблемой для здоровья после массового отравления воды в Бангладеш . [1] Загрязнение грунтовых вод мышьяком обнаружено во многих странах мира, включая США. [2]
Всемирная организация здравоохранения рекомендует ограничить концентрацию мышьяка в воде до 10 мкг/л, хотя это часто является недостижимой целью для многих проблемных зон из-за сложности удаления мышьяка из источников воды. [3]
Было зарегистрировано около 20 крупных инцидентов, связанных с загрязнением грунтовых вод мышьяком. [4] Из них четыре крупных инцидента произошли в Азии — в Бангладеш , Западной Бенгалии, Индия , Внутренней Монголии, Китай , и на Тайване . [5] Места расположения потенциально опасных скважин были нанесены на карту в Китае. [6]
Добыча золота может загрязнять грунтовые воды мышьяком, поскольку этот элемент обычно встречается в золотосодержащих рудах. Переработка золота высвобождает мышьяк из хвостов шахт , и загрязненные грунтовые воды могут быть небезопасны для питья в течение десятилетий. [7] Мышьяк, который встречается в природе, может загрязнять почву, так же как и грунтовые воды. Это представляет собой возможное воздействие мышьяка при использовании продуктов, содержащих табак, поскольку табачное растение растет из почвы и может быть пропитано мышьяком. [3]
Вода, загрязненная мышьяком, обычно содержит мышьяковистую кислоту и мышьяковую кислоту или их производные. Их названия «кислоты» — формальность; эти виды не являются агрессивными кислотами, а представляют собой просто растворимые формы мышьяка вблизи нейтрального pH. Эти соединения извлекаются из подстилающих пород, которые окружают водоносный горизонт. Мышьяковая кислота, как правило, существует в виде ионов [HAsO 4 ] 2− и [H 2 AsO 4 ] − в нейтральной воде, тогда как мышьяковистая кислота не ионизируется.
Анализ потребления воды и продуктов питания в Сокайре , сельской деревне в Чили , показал, что в период с ноября 2008 года по сентябрь 2009 года общее потребление мышьяка жителями деревни коррелировало с количеством потребляемой воды и местных продуктов. [8]
Центральная часть Аргентины страдает от загрязненных мышьяком грунтовых вод. В частности, Ла-Пампа производит воду, содержащую 4–5300 микрограммов на литр. [9]
Загрязнение мышьяком грунтовых вод в Бангладеш является серьезной проблемой. До 1970-х годов в Бангладеш был один из самых высоких показателей детской смертности в мире. Неэффективная очистка воды и системы канализации, а также периодические муссоны и наводнения усугубляли эти проблемы. В качестве решения ЮНИСЕФ и Всемирный банк выступали за использование скважин для доступа к более глубоким грунтовым водам. В 1970-х годах ЮНИСЕФ работал с Департаментом инженерии общественного здравоохранения над установкой трубчатых колодцев. Колодцы состоят из труб диаметром 5 см, вставленных менее чем на 200 м в землю и закрытых железным или стальным ручным насосом. В то время стандартные процедуры тестирования воды не включали тестирование на мышьяк . [10] Такое отсутствие мер предосторожности привело к одному из крупнейших массовых отравлений населения, поскольку грунтовые воды, используемые для питья, были загрязнены мышьяком. [11]
Трубчатые колодцы должны были извлекать воду из подземных водоносных горизонтов, чтобы обеспечить безопасный источник воды для страны. В результате были построены миллионы колодцев. В 1993 году было обнаружено, что грунтовые воды в значительной части Бангладеш были естественным образом загрязнены мышьяком . [12] [13] : 389 Проблема привлекла международное внимание в 1995 году. [14] [15]
В дельте Ганга затронутые скважины обычно имеют глубину более 20 метров и менее 100 метров. [16] Грунтовые воды, расположенные ближе к поверхности, обычно провели меньше времени в земле, поэтому, вероятно, впитали в себя меньшую концентрацию мышьяка; вода глубже 100 метров подвергается воздействию гораздо более старых отложений, которые уже были истощены мышьяком. [17]
Критика была направлена на агентства по оказанию помощи , которые отрицали проблему в 1990-х годах, в то время как миллионы трубчатых скважин были затоплены. Агентства по оказанию помощи позже наняли иностранных экспертов, которые рекомендовали очистные сооружения, которые не соответствовали условиям, регулярно ломались или не удаляли мышьяк. [18]В Бихаре грунтовые воды в 13 округах были загрязнены мышьяком в количествах, превышающих 0,05 мг/л. Все эти округа расположены недалеко от крупных рек, таких как Ганга и Гандак . [19]
В Западной Бенгалии , Индия, вода в основном поставляется из рек, открытых колодцев или прудов. Они могут быть заражены инфекционными заболеваниями, такими как дизентерия , тиф , холера и гепатит . С 1970-х годов неправительственные организации в Индии сосредоточились на бурении трубчатых колодцев для обеспечения питьевой водой, не загрязненной болезнями, с непредвиденным побочным эффектом в виде воздействия на некоторых людей грунтовых вод, загрязненных мышьяком. [20] [21]
Непал подвержен серьезной проблеме загрязнения мышьяком. Проблема наиболее серьезна в регионе Тераи , а самая серьезная ситуация наблюдается около округа Навалпараси , где 26 процентов неглубоких скважин не соответствуют стандарту ВОЗ в 10 ppb. Исследование, проведенное Японским агентством международного сотрудничества и окружающей среды в долине Катманду, показало, что 72% глубоких скважин не соответствуют стандарту ВОЗ, а 12% не соответствуют непальскому стандарту в 50 ppb. [22]
66% из 1200 протестированных образцов содержали мышьяк выше рекомендуемого ВОЗ предела, что угрожает более 60 миллионам жителей. 50–60 миллионов жителей потребляют воду с содержанием мышьяка более 50 микрограммов мышьяка на литр, что намного превышает допустимые уровни во всем мире. [23]
Стандарт питьевой воды 0,05 мг/л (равен 50 частям 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 предоставлено право устанавливать максимальные уровни загрязнения (MCL) загрязняющих веществ в системах общественного водоснабжения. В 1996 году Конгресс внес поправки в SDWA и создал Государственный оборотный фонд питьевой воды для предоставления кредитов 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 преимущества для здоровья. Чтобы максимизировать затраты и выгоды от установления новых MLC, EPA начало разрешать замену более доступной технологии, которая не полностью соответствовала стандартам MLC, потому что она была более доступной.
Агентство по охране окружающей среды изучало плюсы и минусы снижения ПДК мышьяка в течение многих лет в конце 1980-х и 1990-х годов. Никаких действий не было предпринято до января 2001 года, когда администрация Клинтона в свои последние недели обнародовала новый стандарт 0,01 мг/л (10 ppb), который вступил в силу в январе 2006 года. [24] Администрация Буша приостановила действие полуночного правила , но после нескольких месяцев изучения новый администратор Агентства по охране окружающей среды Кристина Тодд Уитман одобрила новый стандарт мышьяка 10 ppb и его первоначальную дату вступления в силу — январь 2006 года. [25] Во многих местах этот предел превышен. [26] Исследование журнала Lancet Public Health 2017 года показало, что это изменение правила привело к снижению смертности от рака. [27] [28]
Многие общественные системы водоснабжения в Соединенных Штатах получали воду из грунтовых вод, которые соответствовали старому стандарту мышьяка в 50 ppb, но превышали новый 10 ppb MCL. Эти коммунальные службы искали либо альтернативный источник, либо недорогой метод очистки, чтобы удалить мышьяк из своей воды. В Аризоне, по оценкам, 35 процентов скважин водоснабжения были выведены из-за нового регулирования; в Калифорнии этот процент составил 38 процентов. [29]
Надлежащая MCL мышьяка продолжает обсуждаться. Некоторые утверждают, что федеральный стандарт в 10 ppb все еще слишком высок, в то время как другие утверждают, что 10 ppb излишне строг. Отдельные штаты могут устанавливать более низкие пределы мышьяка; Нью-Джерси сделал это, установив максимум в 0,005 мг/л (5 ppb) для мышьяка в питьевой воде. [30]
Исследование частных скважин с водой в Аппалачских горах показало, что в шести процентах скважин содержание мышьяка превышает ПДК США, составляющую 0,010 мг/л. [31]
Фаллон, Невада, давно известен тем, что имеет грунтовые воды с относительно высокой концентрацией мышьяка (более 0,08 мг/л). [32] Даже некоторые поверхностные воды, такие как река Верде в Аризоне , иногда превышают 0,01 мг/л мышьяка, особенно в периоды низкого расхода, когда в речном стоке преобладает сброс грунтовых вод. [33]
Исследование, проведенное в смежной области из шести округов юго-восточного Мичигана, изучало связь между умеренными уровнями мышьяка и 23 исходами заболеваний. Исходы заболеваний включали несколько типов рака, заболевания сердечно-сосудистой и дыхательной систем, сахарный диабет, а также заболевания почек и печени. Повышенные показатели смертности наблюдались при всех заболеваниях сердечно-сосудистой системы. Исследователи признали необходимость повторения своих результатов. [34]
Различные исследования также показали, что воздействие мышьяка во время беременности может привести к смерти младенца, раку, сердечным приступам, почечной недостаточности, осложнениям со стороны легких, а также к снижению интеллекта, памяти и когнитивного развития у ребенка. [3]
Доступ к чистой питьевой воде чреват политическим, социально-экономическим и культурным неравенством. На практике многие стратегии очистки воды, как правило, являются временными решениями более масштабной проблемы, часто продлевая социальные проблемы при решении научных. [35] Научные исследования показали, что междисциплинарные подходы к очистке воды особенно важны для рассмотрения, а долгосрочные улучшения предполагают более широкие перспективы, чем строгие научные подходы. [36]
Обзор методов удаления мышьяка из грунтовых вод в Пакистане суммирует наиболее технически осуществимые недорогие методы. [37] Большинство мелкомасштабных методов обработки сосредоточены на воде после того, как она покинула место распределения, и, таким образом, больше ориентированы на быстрые временные решения.
Более простая и менее затратная форма удаления мышьяка известна как фильтр мышьяка Sono , в котором используются три кувшина, содержащие чугунную стружку и песок в первом кувшине и древесный активированный уголь и песок во втором. [38] Пластиковые ведра также можно использовать в качестве контейнеров для фильтров. [39] Утверждается, что тысячи таких систем используются и могут служить годами, избегая при этом проблемы утилизации токсичных отходов, присущей обычным установкам по удалению мышьяка. Несмотря на новизну, этот фильтр не был сертифицирован никакими санитарными стандартами, такими как NSF, ANSI, WQA, и не избегает утилизации токсичных отходов, как любой другой процесс удаления железа.
В Соединенных Штатах небольшие установки «под раковиной» использовались для удаления мышьяка из питьевой воды. Этот вариант называется очисткой «в точке использования». Наиболее распространенные типы бытовой очистки используют технологии адсорбции (с использованием таких сред, как Bayoxide E33, GFH, активированный оксид алюминия или диоксид титана) [40] или обратного осмоса . Ионный обмен и активированный оксид алюминия рассматривались, но не использовались повсеместно.
Фильтры на основе шелухи , как сообщается, снижают содержание мышьяка в воде до 3 мкг/л (3 ppb). Это особенно важно в районах, где питьевая вода поставляется путем фильтрации воды, извлеченной из подземного водоносного слоя . [41]
При электрокоагуляции железа (Fe-EC) железо непрерывно растворяется с использованием электричества, а полученные гидроксиды железа , оксигидроксиды и оксиды образуют абсорбент, легко притягиваемый мышьяком. Плотность тока , количество заряда, подаваемого на литр воды, процесса часто регулируется для достижения максимального истощения мышьяка. [42] Эта стратегия обработки в основном использовалась в Бангладеш, [43] и оказалась весьма успешной. Фактически, использование электрокоагуляции железа для удаления мышьяка из воды оказалось наиболее эффективным вариантом обработки. [44]
В некоторых местах, например в Соединенных Штатах, вся вода, поставляемая в жилые дома коммунальными службами, должна соответствовать первичным (основанным на здравоохранении) стандартам питьевой воды. Правила могут требовать крупномасштабных систем очистки для удаления мышьяка из водоснабжения. Эффективность любого метода зависит от химического состава конкретного водоснабжения. Водная химия мышьяка сложна и может влиять на скорость удаления, которая может быть достигнута с помощью определенного процесса.
Некоторые крупные коммунальные службы с несколькими скважинами водоснабжения могут закрыть эти скважины с высокой концентрацией мышьяка и производить только из скважин или поверхностных источников воды, которые соответствуют стандарту мышьяка. Однако другие коммунальные службы, особенно небольшие коммунальные службы с несколькими скважинами, могут не иметь доступного водоснабжения, которое соответствует стандарту мышьяка.
Коагуляция/фильтрация (также известная как флокуляция ) удаляет мышьяк путем соосаждения и адсорбции с использованием железных коагулянтов. Коагуляция/фильтрация с использованием квасцов уже используется некоторыми коммунальными службами для удаления взвешенных твердых частиц и может быть скорректирована для удаления мышьяка. [45]
Адсорбция оксида железа фильтрует воду через гранулированную среду, содержащую оксид железа. Оксид железа имеет высокое сродство к адсорбции растворенных металлов, таких как мышьяк. Среда оксида железа со временем становится насыщенной и должна быть заменена. Утилизация шлама здесь также является проблемой.
Активированный оксид алюминия — это адсорбент, который эффективно удаляет мышьяк. Колонны из активированного оксида алюминия, подключенные к неглубоким трубчатым скважинам в Индии и Бангладеш, удаляли как As(III), так и As(V) из грунтовых вод на протяжении десятилетий. Долгосрочная работа колонны стала возможной благодаря усилиям избираемых общиной водных комитетов, которые собирают местный налог на воду для финансирования эксплуатации и обслуживания. [46] Он также использовался для удаления нежелательно высоких концентраций фторида .
Ионный обмен давно используется как процесс смягчения воды , хотя обычно на однодоменной основе. Традиционные анионообменные смолы эффективны для удаления As(V), но не As(III) или триоксида мышьяка , который не имеет чистого заряда. Эффективное долгосрочное ионообменное удаление мышьяка требует обученного оператора для обслуживания колонки.
Как обратный осмос , так и электродиализ (также называемый реверсированием 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 растворима, но не имеет чистого заряда.) Некоторые коммунальные службы в настоящее время используют один из этих методов для снижения общего количества растворенных твердых веществ и, следовательно, улучшения вкуса. Проблема обоих методов заключается в производстве сточных вод с высокой соленостью, называемых рассолом или концентратом, которые затем необходимо утилизировать.
Технология подземного удаления мышьяка (SAR) Технология SAR
При удалении подземного мышьяка аэрированные грунтовые воды заряжаются обратно в водоносный горизонт для создания зоны окисления, которая может улавливать железо и мышьяк на частицах почвы посредством процесса адсорбции. Зона окисления, созданная аэрированной водой, повышает активность микроорганизмов, окисляющих мышьяк, которые могут окислять мышьяк от состояния +3 до +5 Технология SAR. Не используются химикаты, и на этапе эксплуатации практически не образуется шлам, поскольку соединения железа и мышьяка становятся неактивными в самом водоносном горизонте. Таким образом, предотвращается утилизация токсичных отходов и риск их будущей мобилизации. Кроме того, он имеет очень длительный срок эксплуатации, аналогичный долговечным трубчатым скважинам, забирающим воду из неглубоких водоносных горизонтов.
Шесть таких установок SAR, финансируемых Всемирным банком и построенных Ramakrishna Vivekananda Mission, Barrackpore & Queen's University Belfast, UK, работают в Западной Бенгалии. Каждая установка ежедневно поставляет более 3000 литров воды без мышьяка и железа в сельскую общину. Первая общественная установка очистки воды 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 Queen's University Belfast для TiPOT. [47] [48] [49] [50]
Технология SAR была удостоена премии Dhirubhai Ambani Award, 2010 от IChemE UK за химические инновации. SAR снова стала победителем премии St. Andrews Award for Environment, 2010. Проект SAR был выбран Blacksmith Institute – New York и Green Cross – Switzerland как один из «12 случаев очистки и успеха» в отчете World's Worst Polluted Places Report 2009. (См.: www.worstpolluted.org).
В настоящее время крупномасштабные поисково-спасательные установки устанавливаются в США, Малайзии, Камбодже и Вьетнаме.
Используя наноматериалы, можно эффективно уничтожать микроорганизмы, адсорбировать мышьяк и фторид, удалять тяжелые металлы и разлагать пестициды, обычно содержащиеся в воде. [51] [52] Исследователи изучили новые методы синтеза составов оксида/гидроксида/оксигидроксида железа в лабораторных условиях и использовали их для очистки воды. Продукт под названием AMRIT, что на индийских языках означает «эликсир», разработанный Индийским технологическим институтом Мадраса, представляет собой доступную технологию очистки воды на основе современных материалов, которая была подтверждена в научных статьях [53] [54] и патентах [55] и одобрена для национального внедрения в Индии. Технология может удалять из воды несколько анионов, особенно арсенат и арсенит (два распространенных вида, присутствующих в воде, загрязненной мышьяком), а также фторид. В настоящее время эта технология ежедневно поставляет воду без мышьяка примерно 10 000 000 человек. [56]
В 2008 году Швейцарский институт водных исследований Eawag представил новый метод, с помощью которого можно создавать карты опасностей для геогенных токсичных веществ в грунтовых водах. [57] [58] [59] [60] Это обеспечивает эффективный способ определения того, какие скважины следует проверить. В 2016 году исследовательская группа сделала свои знания общедоступными на платформе оценки грунтовых вод (Groundwater Assessment Platform, GAP). Это дает специалистам по всему миру возможность загружать собственные данные измерений, визуально отображать их и создавать карты рисков для областей по своему выбору. GAP также служит форумом для обмена знаниями, позволяющим осуществлять дальнейшую разработку методов удаления токсичных веществ из воды.
Исследователи из Бангладеш и Соединенного Королевства утверждают, что потребление мышьяка с пищей значительно увеличивает его общее потребление в тех случаях, когда загрязненная вода используется для орошения. [61] [62] [63]