砷是广泛存在于环境中的剧毒元素。目前，国内外许多研究者都在研究和开发新的高效除砷技术和除砷材料。水体砷污染的处理方法包括物理、化学以及生物等多种技术手段。由于传统的物理化学方法运行成本都很高，并且会造成二次污染，因此传统方法在工程中的应用和可持续发展方面存在着许多负面影响。地下渗滤系统是一种人工强化的水体生态处理技术，它具有不影响地面景观、投资少、运行费用低、管理简便、污水处理效果稳定等特点，地下渗滤被广泛应用于对生活污水中氮、磷及有机污染物的去除，但是研究地下渗滤系统对废水中砷的去除还鲜见报道。因此，笔者提出一种以石英砂或陶粒为填料的地下渗滤系统作为除砷装置，并考察此处理装置对砷的去除效果，对该系统处理砷污染水体的可行性进行初步探讨。
1 试验方法
1.1 实验材料
模拟污水 ： 向自来水中投加水合砷酸氢二钠（Na2HAsO4·7H2O），并投加一定比例的葡萄糖、氯化铵以及磷酸二氢钠，其水质为：As 0.05～0.5 mg/L，COD 30～40 mg/L，NH3-N 1～4 mg/L，TP 0.2～1.0 mg/L，pH 6.5～7.5，水温15～20 ℃。
土壤是昆明红壤，过8 mm 筛网，其容重1.16g/cm3，相对密度2.13，总孔隙度45%，毛管孔隙度34.8%，饱和含水量50.8%，有机质4.3%，颗粒含有质量分数为22.3%的粉粒和29.8%的砂粒。石英砂：SiO2质量分数99%，Zn 质量分数0.01%，容重1.75 g/cm3，相对密度2.67，可溶率0.40%，灰粉率0.25%，空隙率43%，耐强酸，耐碱度也良好。陶粒：粒径0.5～1.0 mm，孔隙率55%～78%，容重0.75～0.80 g/cm3，相对密度1.52，比表面积3 980m2/m3，滤速20～25 m/h，SiO2质量分数62%～68%，Al2O3质量分数18%～22%，Fe2O3质量分数6%～9%。
1.2 实验装置
根据填料层填料不同，将地下渗滤系统分为石英砂渗滤系统和陶粒渗滤系统，分别安装装置。试验装置如图 1 所示。
试验装置的材料均采用PVC 工程塑料，内部自上而下依次装填表层土壤、布水层（陶粒）、填料层（石英砂或陶粒）、排水层（砾石）等，高度分别为10、10、50、10 cm，总高度80 cm。布水层采用1～3 cm 的陶粒，其布水管采用直径为16 mm 的PVC 管，其水平长度为25 cm，每隔3 cm 在管两侧平行设置直径为1.5 mm 的出水孔，管表面用0.15 mm 纱网包裹，以防止土壤渗透到布水孔内，堵塞布水孔，布水管深度15 cm。两个装置的填料层分别装填的是石英砂和陶粒，粒径均为0.5～1.0 mm，填料层高度为50 cm。填料层底部为10 cm 砾石层，砾石直径为3～5 cm，出水口设在砾石层中部，距离地面高度为8 cm。系统装填容器尺寸为30 cm×30 cm×80 cm。
1.3 试验方法
系统运行前，先按5 cm3/（cm2·d）水力负荷投配自来水运行一周，使填料含水率达到饱和。然后在表面水力负荷5 cm3/（cm2·d），湿干比为1∶1 条件下试运行一个月（启动阶段）。接下来，在10、20、30cm3/（cm2·d）水力负荷下连续运行共40 d（运行阶段）。
1.4 分析测定方法
监测系统进出水项目包括：COD、氨氮、总磷、As（Ⅴ），分别使用高锰酸钾滴定法、纳氏试剂法、钼锑抗分光光度法和二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法。系统启动和运行期间，每隔30 d 测1 次土壤中总砷含量，方法按《土壤质量总砷的测定二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法》（GB/T 17134—1997）执行。另外还测定了土壤、石英砂和陶粒对As（Ⅴ）的吸附效果，结果表明土壤对As（Ⅴ）的最大吸附容量为0.91 mg/g，而石英砂和陶粒则基本不存在吸附。
2 结果与讨论
2.1 启动阶段
启动阶段是使系统出水达到稳定很重要的环节，因为系统去除污染物是依靠系统内微生物和填料共同作用，而不是仅靠填料物理化学性质能够达到的。本研究中，两个反应系统都采用自然启动方式，间歇式进水，污水投配12 h，落干12 h，以此来维持反应系统干湿交错的环境，为系统内微生物的生长繁殖提供良好条件。启动阶段两系统对废水中As（Ⅴ）的去除情况见图 2。
由图 2 可看出，两系统都表现出了较高的As（Ⅴ）去除率，在启动初期，去除率有较大的波动幅度，随着运行时间的增加，系统对As（Ⅴ）的去除率处于上升趋势，并于24 d 后两系统的去除率基本达到稳定，而且波动幅度逐渐减小，去除率趋于稳定。整个启动阶段去除率的上升和波动的减小是因为系统中微生物逐渐适应入水水质并逐渐繁殖直至稳定。比较两系统的As（Ⅴ）去除率可知，石英砂系统的去除率略高于陶粒系统。这是因为石英砂粒径小于陶粒，所以填料的空隙较小而孔隙率较大，污水在石英砂填料中的渗透速率小于陶粒系统，且污水与系统中的微生物接触更充分，发生生物化学反应也更彻底。后期稳定阶段，石英砂系统和陶粒系统对As（Ⅴ）的平均去除率分别为94.38%和92.89%。在整个启动阶段，进水中砷质量浓度在0.05～0.2 mg/L，而在此过程中，出水砷质量浓度基本都低于《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅰ类标准限值0.05 mg/L。
2.2 运行阶段
运行阶段两系统在不同水力负荷下对As（Ⅴ）的去除率见图 3。
由图 3 可知，随着水力负荷增加，石英砂系统和陶粒系统的As（Ⅴ）去除率均有不同程度的下降，且波动的幅度均有所提高。比较两系统的去除率得出，在水力负荷分别为10、20 cm3/（cm2·d）条件下，石英砂系统去除率和稳定性都较陶粒系统高。因此，可推断在水力负荷较低的条件下，石英砂系统由于其孔隙率的优势，对污水中的As（Ⅴ）去除得更彻底。当水力负荷提高到30 cm3/（cm2·d）时，陶粒系统的As（Ⅴ）去除率和稳定性较石英砂系统高，这说明陶粒系统相比石英砂系统对水力负荷具有较强的抗冲击能力。其原因可能是因为随着水力负荷的提高，石英砂系统渗流速率不够，污水长时间停留于填料内，对系统中微生物的正常生长造成了一定的影响，所以去除率大幅下降。而对于陶粒系统，由于其孔隙较大，提高水力负荷仅仅是提高了其渗透速率，缩短了污水在系统中的停留时间，所以去除率的下降幅度相对较小。
本研究除考察了两系统对砷的去除能力外，还考察了两系统对进水中COD、氨氮和总磷的去除情况，见表 1。
表 1 两系统进出水水质监测结果
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mg/L | ||||||||
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监测项目 |
As （ Ⅴ ） |
COD |
NH 3 -N |
TP |
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进水 |
0.05 ～ 0.5 |
30 ～ 40 |
1 ～ 4 |
0.2 ～ 1 |
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石英砂系统出水 |
0.013 |
4.79 |
0.012 |
0.025 |
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陶粒系统出水 |
0.019 |
5.28 |
0.090 |
0.039 |
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注：水力负荷 10 cm 3 / （ cm 2 ·d ）；湿干比 1 ∶ 1 。 | ||||||||
由表 1 可知，石英砂系统各项出水水质指标要略好于陶粒系统，并且在几项出水指标中，两系统的As（Ⅴ）、COD 和氨氮出水水质指标均达到地表水环境质量标准Ⅰ类水质标准，总磷达到地表水环境质量标准Ⅱ类水质标准。石英砂系统对于氨氮和总磷的去除能力要优于陶粒系统，可能是氨氮和总磷通过石英砂的毛管作用转移到上层土壤，并通过土壤的作用和植物吸收而从污水中去除。由此可见，依赖于系统中的微生物的活动及系统的微环境，这两个地下渗滤系统不仅对As（Ⅴ）具有良好的去除效果，而且对水中COD、氨氮和磷都有很好的去除率。
2.3 土壤中砷的累积
系统启动和运行期间，每隔30 d 测1 次土壤中总砷含量，土壤中砷的初始质量分数为7.03×10-6 ，使用30 d 后，两套系统对应的土壤中砷质量分数分别为8.27×10-6 、7.17×10-6 ，60 d 后两套系统对应的土壤中砷质量分数分别为1.004×10-5 、7.32×10-6 。结果表明：石英砂系统表层的土壤对砷累积较大，而陶粒系统表层土壤对砷的累积较小。但是两系统的土壤中总砷的质量分数均低于《土壤环境质量标准》（GB15618—1995）Ⅰ类土壤标准砷的标准限值1.5×10-5 。。
单从两个系统土壤中砷的积累来看，陶粒系统明显好于石英砂系统，土壤中砷的积累程度不大，究其原因，可能是由于陶粒系统的空隙较大，污水在布水层的停留时间较短，毛管浸润作用没有石英砂系统明显，不利于污水通过毛管浸润作用向土壤表层扩散。根据土地毛管浸润装置的原理来看，污水在布水层停留时间越长越有利于污水向表层土壤中扩散，扩散到表层土壤中的污水，可以通过植物吸收、微生物分解以及土壤自身物理化学作用降解得到净化。
3 结论
初步研究了石英砂和陶粒为填料的两套地下渗滤系统对低浓度含砷废水的去除效果，发现这两套系统对废水中As（Ⅴ）的去除效果较好，处理后水质达到地表水环境质量标准Ⅰ级标准。石英砂系统对As（Ⅴ）的去除率较陶粒系统高，但是石英砂系统的抗水力负荷能力较陶粒系统低，陶粒系统的表层土壤对砷的累积较石英砂系统小。这两套地下渗滤系统对废水中COD、氨氮和总磷也有较好的去除效果。综上所述，石英砂系统适合于水力负荷较低的含砷废水，而对于水力负荷较高的含砷废水，使用陶粒系统较为合适。
