Kontaminace podzemních vod arsenem - Arsenic contamination of groundwater

Oblasti kontaminace podzemních vod arsenem

Kontaminace podzemních vod arsenem je forma znečištění podzemních vod, která je často způsobena přirozeně se vyskytujícími vysokými koncentracemi arsenu v hlubších hladinách podzemních vod . Jedná se o problém s vysokým profilem v důsledku použití hlubokých trubkových studní pro zásobování vodou v deltě Gangy , což způsobuje vážné otravy arsenem velkému počtu lidí. Studie z roku 2007 zjistila, že otravou pitnou vodou arsenem je pravděpodobně postiženo více než 137 milionů lidí ve více než 70 zemích. Problém se stal vážným zdravotním problémem po hromadné otravě vodou v Bangladéši . Kontaminace podzemní vody arsenem se vyskytuje v mnoha zemích po celém světě, včetně USA.

Světová zdravotnická organizace doporučuje omezit arsenu koncentrace ve vodě na 10 ug / l, i když je to často nedosažitelným cílem pro mnoho problémových oblastech vzhledem k obtížné povaze odstraňování arzenu z vodních zdrojů.

Bylo hlášeno přibližně 20 velkých incidentů kontaminace arzenem podzemních vod. Z toho čtyři velké incidenty se staly v Asii- v Thajsku , na Tchaj-wanu a v Číně . V Číně byla zmapována umístění potenciálně nebezpečných vrtů.

Specifikace sloučenin arsenu ve vodě

Arsen kontaminovaná voda obvykle obsahuje kyselinu arsenitý a kyselinu arsenu nebo jejich deriváty. Jejich jména jako „kyseliny“ jsou formalitou; tyto druhy nejsou agresivní kyseliny, ale jsou pouze rozpustnými formami arsenu v blízkosti neutrálního pH. Tyto sloučeniny jsou extrahovány ze spodních hornin, které obklopují zvodně. Kyselina arsenová má tendenci existovat jako ionty [HAsO 4 ] 2− a [H 2 AsO 4 ] - v neutrální vodě, zatímco kyselina arsenitá není ionizována.

Kyselina arsenová (H 3 AsO 4 ), kyselina arsenitá (H 3 AsO 3 ) a jejich deriváty se typicky vyskytují v podzemní vodě kontaminované arsenem.

Kontaminace v konkrétních zemích a regionech

Pákistán

66% z 1200 testovaných vzorků obsahovalo arsen nad limit doporučený WHO , což ohrožovalo více než 60 milionů obyvatel. 50–60 milionů obyvatel konzumuje vodu s hladinami arsenu vyššími než 50 mikrogramů arsenu na litr, což jsou úrovně, které daleko přesahují přijatelné úrovně po celém světě.

Chile

Analýza spotřeby vody a potravin ve venkovské vesnici Socaire v Chile zjistila, že mezi listopadem 2008 a zářím 2009 celkový příjem arzenu vesničany koreloval s množstvím vody a spotřebované místní produkce.

Indie a Bangladéš

Kontaminace podzemních vod arzénem v Bangladéši je vážným problémem. Před 70. léty měl Bangladéš jednu z nejvyšších dětských úmrtností na světě. Neefektivní systémy čištění a kanalizace, periodická monzuny a záplavy tyto problémy ještě zhoršily. Jako řešení UNICEF a Světová banka prosazovaly použití studní pro napojení do hlubších podzemních vod. Výsledkem bylo vybudování milionů studní. Díky této akci byla úmrtnost kojenců a průjmová onemocnění snížena o padesát procent. Ve studních však byl nalezen arsen a v roce 2008 přibližně 57 milionů obyvatel použilo vodu kontaminovanou arsenem z těchto mělkých studní. 20% všech úmrtí souvisí s rakovinou související s arsenem. Bangladéšská vláda omezuje koncentraci arzenu ve vodě na 50 μg/l, což je 5krát více, než je limit doporučený WHO.

V deltě Gangy jsou zasažené studny obvykle více než 20 metrů a méně než 100 metrů hluboko. Podzemní voda blíže k povrchu obvykle strávila v zemi kratší dobu, proto pravděpodobně absorbovala nižší koncentraci arsenu; voda hlubší než 100 metrů je vystavena mnohem starším sedimentům, které již byly ochuzeny o arsen.

Tato otázka se dostala do mezinárodní pozornosti v roce 1995. Jedna studie provedená v Bangladéši zahrnovala analýzu tisíců vzorků vody a také vzorků vlasů, nehtů a moči. Zjistilo to 900 vesnic s arsenem nad vládním limitem.

Kritika byla vznesena vůči humanitárním agenturám , které problém v 90. letech popřely, zatímco byly potopeny miliony studní . Pomocné agentury později najaly zahraniční odborníky, kteří doporučovali čistírny, které nebyly vhodné pro dané podmínky, pravidelně se rozpadaly nebo neodstraňovaly arsen.

V západním Bengálsku v Indii se voda dodává převážně z řek. Podzemní voda pochází z hlubinných studní, kterých je málo. Vzhledem k nízkému množství hlubokých trubkových vrtů je riziko otravy arsenem v Západním Bengálsku nižší. Podle Světové zdravotnické organizace „V Bangladéši, Západním Bengálsku (Indie) a některých dalších oblastech bývala většina pitné vody shromažďována z otevřených kopaných studní a rybníků s malým nebo žádným množstvím arsenu, ale s kontaminovanou vodou přenášející choroby, jako je průjem , úplavice , tyfus , cholera a hepatitida . Programy zajišťující „bezpečnou“ pitnou vodu za posledních 30 let pomohly tyto nemoci zvládnout, ale v některých oblastech měly neočekávaný vedlejší účinek vystavení populace jinému zdraví problém - arsen. " U sedmi z dvaceti okresů Západního Bengálska byla zaznamenána koncentrace arzenu podzemní vody nad 0,05 mg/l, což je limit arzenu stanovený vládou. Celková populace v těchto sedmi okresech je více než 34 milionů, zatímco počet vody bohaté na arsen je více než 1 milion (nad 0,05 mg/l). Pokud je koncentrace vyšší než 0,01 mg/l, toto číslo se zvýší na 1,3 milionu. Podle studie British Geological Survey z roku 1998 o mělkých trubkových vrtech v 61 ze 64 okresů v Bangladéši bylo 46 procent vzorků nad 0,01 mg/l a 27 procent nad 0,050 mg/l. V kombinaci s odhadovanou populací z roku 1999 bylo odhadnuto, že počet lidí vystavených koncentracím arsenu nad 0,05 mg/l je 28–35 milionů a počet osob vystavených více než 0,01 mg/l je 46–57 milionů.

V celém Bangladéši, když jsou trubkové studny testovány na koncentrace arsenu, ty, u nichž bylo zjištěno, že mají koncentrace arsenu nad množství považované za bezpečné, jsou natřeny červeně, aby varovaly obyvatele, že voda není bezpečná k pití.

V Biharu bylo zjištěno, že podzemní voda ve 13 okresech je kontaminována arsenem v množství přesahujícím 0,05 mg/l. Všechny tyto okresy se nacházejí v blízkosti velkých řek, jako jsou Ganga a Gandak .

Argentina

Centrální část Argentiny je ovlivněna podzemní vodou kontaminovanou arsenem. La Pampa konkrétně produkuje vodu obsahující 4–5300 mikrogramů na litr.

Spojené státy

Nařízení

Standard pitné vody 0,05 mg/l (rovnající se 50 částem na miliardu , neboli ppb) arzenu byl původně zaveden ve Spojených státech veřejnou zdravotnickou službou v roce 1942. Po přijetí zákona o nezávadné pitné vodě z roku 1974 (SDWA) , Agentura pro ochranu životního prostředí (EPA) dostala pravomoc stanovit maximální úrovně zadržování (MCL) kontaminantů ve veřejných vodovodech. V roce 1996 Kongres pozměnil SDWA a vytvořil Státní revolvingový fond pro pitnou vodu, který měl poskytovat půjčky na zlepšení zásobování vodou, což zvýšilo pravomoc EPA stanovovat mandáty. Tato novela vytvořila „pravidlo nákladů a přínosů“, aby určila, zda náklady na implementaci nových MCL převažují nad zdravotními přínosy. Aby se maximalizovaly náklady a přínosy při nastavování nových MLC, EPA začala nahrazovat dostupnější technologii, která plně nesplňovala standardy MLC, protože byla cenově dostupnější.

Koncem osmdesátých a devadesátých let EPA roky studovala klady a zápory snižování MCL arsenu. Do ledna 2001, kdy Clintonova administrativa ve svých posledních týdnech vyhlásila nový standard 0,01 mg/L (10 ppb), aby vstoupil v platnost v lednu 2006, nebyly podniknuty žádné kroky . Bushova administrativa pozastavila půlnoční regulaci , ale po několika měsících studia, nová administrátorka EPA Christine Todd Whitman schválila nový standard arzenu 10 ppb a jeho původní datum účinnosti v lednu 2006. Mnoho lokalit tento limit překračuje. Studie veřejného zdraví Lancet z roku 2017 zjistila, že tato změna pravidel vedla k menšímu počtu úmrtí na rakovinu.

Mnoho veřejných vodovodních systémů po celých Spojených státech zásobovalo vodou podzemní vodu, která splňovala starou normu 50 arbenu na 50 ppb, ale překračovala novou 10 ppb MCL. Tyto společnosti hledaly buď alternativní zásobování, nebo levnou metodu úpravy k odstranění arsenu z jejich vody. V Arizoně bylo podle nového nařízení vyřazeno z souladu s odhadem 35 procent studní pro zásobování vodou; v Kalifornii bylo toto procento 38 procent.

O správném arzenu MCL se nadále diskutuje. Někteří tvrdili, že federální standard 10 ppb je stále příliš vysoký, zatímco jiní tvrdili, že 10 ppb je zbytečně přísný. Jednotlivé státy mohou stanovit nižší limity arsenu; New Jersey tak učinilo a stanovilo maximum 0,005 mg/l (5 ppb) pro arsen v pitné vodě.

Studie soukromých vodních studní v Apalačských horách zjistila, že šest procent studní mělo arzen nad americkým MCL 0,010 mg/l.

Případové studie a incidenty

O Fallonu v Nevadě je již dlouho známo, že má podzemní vody s relativně vysokými koncentracemi arsenu (přesahujícím 0,08 mg/l). Dokonce i některé povrchové vody, jako je řeka Verde v Arizoně , někdy překračují 0,01 mg/l arzenu, zejména v obdobích s nízkým průtokem, kdy toku řeky dominuje vypouštění podzemních vod.

Studie provedená v souvislé oblasti šesti krajů na jihovýchodě Michiganu zkoumala vztah mezi mírnými hladinami arsenu a 23 výsledky onemocnění. Mezi následky onemocnění patřilo několik typů rakoviny, onemocnění oběhového a dýchacího systému, diabetes mellitus a onemocnění ledvin a jater. Zvýšená úmrtnost byla pozorována u všech nemocí oběhového systému. Vědci uznali potřebu replikovat svá zjištění.

Nepál

Nepál je vystaven vážnému problému s kontaminací arsenem. Problém je nejzávažnější v oblasti Terai , nejhorší je poblíž okresu Nawalparasi , kde 26 procent mělkých vrtů nesplnilo standard WHO 10 ppb. Studie japonské agentury pro mezinárodní spolupráci a životní prostředí v údolí Káthmándú ukázala, že 72% hlubinných vrtů nesplňuje standard WHO a 12% nesplňuje nepálský standard 50 ppb.

Roztoky na čištění vody

Přístup k čisté pitné vodě je plný politických, socioekonomických a kulturních nerovností. V praxi bývá mnoho strategií úpravy vody dočasným řešením většího problému, často prodlužuje sociální problémy a zároveň řeší ty vědecké. Vědecké studie ukázaly, že je obzvláště důležité zvážit interdisciplinární přístupy k čištění vody a dlouhodobá zlepšení zahrnují širší perspektivy než přísné vědecké přístupy.

Drobná úprava vody

Přehled metod k odstranění arsenu z podzemních vod v Pákistánu shrnuje technicky nejschůdnější a nejlevnější metody. Většina drobných ošetření se zaměřuje na vodu poté, co opustila distribuční místo, a jsou tedy více zaměřena na rychlé dočasné opravy.

Jednodušší a levnější forma odstraňování arsenu je známá jako arsenový filtr Sono s použitím tří džbánů obsahujících litinové třísky a písek v prvním džbánu a dřevěného aktivního uhlí a písku ve druhém. Plastové vědra lze použít také jako filtrační nádoby. Tvrdí se, že tisíce těchto systémů se používají a mohou trvat roky, aniž by docházelo k odstraňování toxického odpadu, který je vlastní konvenčním závodům na odstraňování arsenu. Ačkoli je tento filtr nový, nebyl certifikován žádnými hygienickými normami, jako jsou NSF, ANSI, WQA, a nevyhýbá se likvidaci toxického odpadu podobnému jakémukoli jinému procesu odstraňování železa.

Ve Spojených státech byly k odstranění arzenu z pitné vody použity malé jednotky „pod dřezem“. Tato možnost se nazývá léčba „místem použití“. Nejběžnější typy domácí léčby využívají technologie adsorpce (s použitím médií jako Bayoxide E33, GFH, aktivovaný oxid hlinitý nebo oxid titaničitý) nebo reverzní osmózy . Ionová výměna a aktivovaný oxid hlinitý byly zvažovány, ale nejsou běžně používány.

Bylo hlášeno, že filtry na bázi plev snižují obsah arzenu ve vodě na 3 μg/l (3 ppb). To je zvláště důležité v oblastech, kde je pitná voda poskytována filtrací vody extrahované z podzemní zvodně .

Při elektrokoagulaci železa (Fe-EC) se železo rozpouští nepřetržitě pomocí elektřiny a výsledné hydroxidy, oxyhydoxidy a oxidy železité tvoří absorbent snadno přitahovaný k arsenu. Aktuální hustota , množství vsázky dodávané na litr vody, je často manipulováno, aby se dosáhlo maximálního vyčerpání arsenu. Tato léčebná strategie byla primárně používána v Bangladéši a ukázala se jako velmi úspěšná. Ve skutečnosti se použití elektrokoagulace železa k odstranění arsenu ve vodě ukázalo jako nejúčinnější možnost léčby.

Úprava vody ve velkém

Na některých místech, například ve Spojených státech, musí veškerá voda dodávaná do rezidencí ze strany veřejných služeb splňovat primární (na zdraví založené) standardy pitné vody. Předpisy mohou vyžadovat rozsáhlé systémy úpravy k odstranění arsenu z vodovodu. Účinnost jakékoli metody závisí na chemickém složení konkrétního vodního zdroje. Vodní chemie arsenu je složitá a může ovlivnit rychlost odstraňování, které lze dosáhnout konkrétním procesem.

Některé velké podniky s více studnami pro zásobování vodou by mohly tyto studny s vysokými koncentracemi arsenu uzavřít a vyrábět pouze ze studní nebo zdrojů povrchové vody, které splňují normu pro arzen. Jiné nástroje, zejména malé podniky s pouze několika studnami, však nemusí mít k dispozici žádné zásoby vody, které by splňovaly standard arzénu.

Koagulace/filtrace (také známá jako flokulace ) odstraňuje arsen koprecipitací a adsorpcí pomocí koagulantů železa. Koagulaci/filtraci pomocí kamence již některé nástroje používají k odstranění nerozpuštěných látek a lze ji upravit tak, aby odstranila arsen.

Adsorpce oxidu železa filtruje vodu přes zrnité médium obsahující oxid železitý. Oxid železitý má vysokou afinitu k adsorpci rozpuštěných kovů, jako je arsen. Médium oxidu železa se nakonec nasytí a musí být vyměněno. Likvidace kalu je i zde problémem.

Aktivovaný oxid hlinitý je adsorbent, který účinně odstraňuje arsen. Sloupy aktivovaného oxidu hlinitého připojené k mělkým trubkovým vrtům v Indii a Bangladéši odstranily z podzemních vod po celá desetiletí As (III) i As (V). Dlouhodobý výkon kolony byl možný díky úsilí komunálních volených vodních výborů, které vybírají místní daň z vody za financování operací a údržby. Byl také použit k odstranění nežádoucích vysokých koncentrací fluoridu .

Iontová výměna se již dlouho používá jakoproces změkčování vody , i když obvykle na bázi jednoho domova. Tradiční anexové pryskyřice jsou účinné při odstraňování As (V), ale ne As (III) nebo oxidu arsenitého , který nemá čistý náboj. Účinné dlouhodobé odstranění arzenu iontovou výměnou vyžaduje vyškolenou obsluhu, která kolonu udržuje.

Oba reverzní osmózy a elektrodialýzou (také nazývané elektrodialýza obrácení ) může odstranit arsen s čistým iontového náboje. (Všimněte si toho, že oxid arsenitý, As 2 O 3 , je běžná forma arsenu v podzemních vodách, která je rozpustná, ale nemá čistý náboj.) Některé nástroje v současné době používají jednu z těchto metod ke snížení celkových rozpuštěných pevných látek a tím ke zlepšení chuti. Problémem obou metod je výroba vysoce slaných odpadních vod, zvaných solanka , nebo koncentrátů, které je poté nutné zlikvidovat.

Technologie odstranění podzemního arzénu (SAR) Technologie SAR

Při odstraňování podzemního arsenu se provzdušněná podzemní voda dobíjí zpět do zvodně, aby vytvořila oxidační zónu, která může adsorpčním procesem zachytit železo a arsen na částice půdy. Oxidační zóna vytvořená provzdušněnou vodou zvyšuje aktivitu mikroorganismů oxidujících arsen, které dokáží oxidovat arsen od +3 do +5 stavu technologie SAR . Během provozní fáze se nepoužívají žádné chemikálie a téměř se nevytváří kal, protože sloučeniny železa a arsenu jsou ve zvodně samotné neaktivní. Je tak zabráněno likvidaci toxického odpadu a riziku jeho budoucí mobilizace. Má také velmi dlouhou životnost, podobně jako dlouhotrvající trubkové studny čerpající vodu z mělkých zvodněných vrstev.

V Západním Bengálsku funguje šest takových závodů SAR, financovaných Světovou bankou a postavených misí Ramakrishna Vivekananda Mission, Barrackpore & Queen's University Belfast, UK. Každá rostlina dodává venkovské komunitě denně více než 3 000 litrů vody bez arzenu a železa. První komunální čistírna vody založená na technologii SAR byla zřízena v Kashimpore poblíž Kalkaty v roce 2004 týmem evropských a indických inženýrů pod vedením Bhaskara Sen Gupty z Queen's University Belfast pro TiPOT.

Technologie SAR byla oceněna cenou Dhirubhai Ambani Award, 2010 od IChemE UK za chemické inovace. SAR byla opět vítězem St. Andrews Award for Environment, 2010 . Projekt SAR byl vybrán Blacksmith Institute- New York & Green Cross- Švýcarsko jako jeden z „12 případů vyčištění a úspěchu“ ve zprávě o nejhorších znečištěných místech světa za rok 2009. (Viz: www.worstpolluted.org ).

V současné době se v USA, Malajsii, Kambodži a Vietnamu instalují rozsáhlé závody SAR.

Sanace arzenu na bázi nanotechnologií

Nanomateriály s přirozeně vysokou povrchovou energií připravené pomocí přirozeně bohatých přísad mohou být nápomocny při vytváření zelených produktů. Pomocí nanomateriálů je možné účinně ničit mikroorganismy, adsorbovat arsen a fluorid, odstraňovat těžké kovy a degradovat pesticidy, které se běžně nacházejí ve vodě. Vědci se podívali na nové metody syntézy kompozic oxidu/hydroxidu/oxyhydroxidu železa v laboratoři a použili je k čištění vody. Výrobek s příhodným názvem AMRIT, což znamená elixír v indických jazycích, vyvinutý Indickým technologickým institutem v Madrasu, je cenově dostupná technologie čištění vody založená na pokročilých materiálech, která byla ověřena prostřednictvím výzkumných článků a patentů a byla schválena pro národní implementaci v Indie. Tato technologie může z vody odstranit několik aniontů, zejména arseničnan a arsenit (dva běžné druhy přítomné ve vodě kontaminované arsenem) a fluorid. V současné době tato technologie dodává vodu bez arzenu přibližně 10 000 000 lidem každý den. AMRIT používá adsorbent založený na jednoduché metodě k udržení metastabilní 2-liniové ferrihydritové fáze (pojmenované jako CM2LF) při pokojové teplotě uzavřením do biopolymerních klecí. Dokáže zvládnout koncentrace arsenu a koloidního železa dosahující až 100-800 µg/l, respektive 50 mg/l a snižuje výstupní koncentraci pod přípustný limit stanovený EPA 10 µg/l, respektive 200 µg/l. Adsorpční kapacita kompozitu na arsen je 1,4 až 7,6krát lepší než dostupné kompozice v polních podmínkách. V indickém pásu arsenu byly testovány stovky jednotek, které v poli nepřetržitě běží již několik let. Byly implementovány kompletní jednotky na čištění vody v různých kapacitách od desítek litrů do milionů litrů. AMRIT byl použit v různých formách společných čističek vody, které se snadno používají, mají nízké náklady na údržbu a vytvářejí nulový kal. Může být provozován při průtoku 300 LPH (litrů za hodinu) až 100 000 LPH. Náklady na čistou vodu využívající tuto technologii v oblastech zasažených arzenem jsou pod 2,5 paisa (0,0006 USD) za litr, což zahrnuje náklady na provozovatele závodu, nezbytný spotřební materiál a elektřinu použitou na čerpání a distribuci. K filtraci není potřeba žádná elektřina. Lze jej implementovat na jakékoli úrovni - domácí, komunitní nebo komunální - kdekoli na světě a lze jej snadno integrovat s jinými technologiemi.

Adsorpční vlastnosti CM2LF a jeho absorpční mechanismus byly důkladně prozkoumány. Byl hlášen následný výzkum, jak učinit tuto technologii ekologičtější s dalším zlepšením odstraňovací kapacity a zahrnutím metrik udržitelnosti do výroby a provozu. AMRIT jako celek poskytuje přesvědčivé řešení pro dosažení rozvojového cíle tisíciletí OSN o udržitelném přístupu k nezávadné pitné vodě.

Dietní příjem

Vědci z Bangladéše a Spojeného království tvrdili, že dietní příjem arsenu významně přispívá k celkovému příjmu tam, kde se k zavlažování používá kontaminovaná voda.

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy