综述：裂谷独特湖泊贝塞卡湖的砷浓度：来源、影响及建议的技术干预措施：一项系统性综述

本综述系统分析了裂谷湖泊贝塞卡湖砷污染的地球化学与人为来源、健康风险及修复技术。文章指出，湖区砷浓度（高达96.3 μg/L）远超WHO限值（10 μg/L），其来源包括火山活动（如火山灰）、岩石风化、工农业排放及地热活动。长期暴露于高砷环境可导致皮肤癌、内脏癌、心血管疾病及神经系统损伤。作者重点评估了吸附（使用当地材料如白蚁丘）、植物修复（如Lemna gibba）、混凝-絮凝-微滤及高级氧化工艺（AOPs）等技术的有效性，并建议采用组合修复策略以应对这一复杂的环境健康挑战。

　　

引言

水污染已成为全球性的环境挑战，其中重金属和类金属砷的污染尤为突出。位于东非大裂谷的埃塞俄比亚贝塞卡湖，作为一个独特的裂谷湖泊，正面临着严重的砷污染问题。这篇综述系统性地梳理了贝塞卡湖砷污染的来源、分布、环境影响以及对人类健康的潜在威胁，并评估了多种修复技术的可行性与效果，旨在为区域水安全与公共卫生管理提供科学依据。

地质过程与湖泊化学

埃塞俄比亚主裂谷是东非裂谷系统的一部分，其强烈的火山和构造活动塑造了独特的地质背景。年轻的火山岩，如熔结凝灰岩、流纹岩和玄武岩的风化产物，是环境中砷的重要初始来源。这些岩石及其风化产物中的砷，通过水-岩相互作用被活化并迁移至水圈。贝塞卡湖流域内广泛分布着火山灰和地热活动，进一步加剧了砷的释放。湖泊水化学类型以Na⁺和HCO₃^-为主，并呈现高pH值（8.5-10.4）和高盐度（电导率可达74000 μS/cm）的特征，这种偏碱性、氧化的环境有利于砷（尤其是以砷酸盐As(V)形式）的溶解和迁移。

湖泊扩张的来源

过去六十年来，贝塞卡湖经历了显著的湖面扩张和水量增加。这种变化并非单一因素所致，而是自然与人为活动共同作用的结果。主要驱动因素包括：构造活动导致裂隙发育，促进了地下水向湖泊的排泄；流域内大规模的灌溉农业（如Metahara甘蔗种植园）使得地下水水位抬升，间接增加了入湖水量；此外，湖泊西南部存在的地热泉（水温可达43°C）也是重要的水源和溶质（包括砷）输入途径。同位素（如δ¹⁸O, δ²H）和地球物理探测结果均证实，地下水贡献了湖泊总入流水量的一半以上。这种复杂的地表水-地下水交互作用，不仅影响了湖泊的水量平衡，也深刻影响着其水质，特别是重金属和砷的分布。

贝塞卡湖中砷的来源

贝塞卡湖中的砷具有双重来源：地球化学来源和人为活动来源。

人为来源：流域上游的城市（如亚的斯亚贝巴、莫乔）排放的工业废水和生活污水，以及农业区大量使用的化肥和农药，通过阿特贝拉、莫乔等河流最终汇入阿瓦什河并影响贝塞卡湖。农业径流是有机砷和部分无机砷的重要来源。尽管人为贡献不容忽视，但在该区域，地球化学过程被认为是更主要的砷来源。

地球化学来源：这是贝塞卡湖砷污染的主导因素。主要包括：

1. 1.
   火山活动与火山灰：流域内及周边的火山（如Fentale火山）喷发产生的火山灰富含砷等元素，其沉降和后续风化是砷进入环境的重要途径。
2. 2.
   岩石风化：裂谷内年轻的流纹质火山岩在风化过程中，会释放出可溶性的砷、钼、铀、钒等元素。
3. 3.
   地热活动：湖泊周边的热泉和湖底可能存在的 submerged springs（水下泉）将深部富砷的热液流体携带至地表水体中。
   研究表明，湖区和周边地下水中的砷与钠、碳酸氢根、铀、钼、硼、氟等元素呈现显著的正相关关系，这共同指示了它们源于相同的地球化学背景和水文地质过程。

砷的化学行为（迁移性与形态转化）

砷在水体中的毒性、迁移性和可处理性强烈依赖于其化学形态。在贝塞卡湖偏碱性、氧化的水体环境中，砷主要以无机五价砷酸盐（As(V)）的形态存在，例如H₂AsO₄^-（pH < 6.9时主导）和HAsO₄^2-（pH > 6.9时主导）。相比之下，三价亚砷酸盐（As(III)）在还原条件下更占优势。As(III)的毒性远高于As(V)，且在中性pH下主要以不带电的H₃AsO₃形式存在，不易被常规水处理工艺（如基于吸附或共沉淀的方法）去除，因此在实际处理前通常需要将其预氧化为As(V)。水体的pH值、氧化还原电位（Eh）、共存离子（如磷酸盐、硅酸盐、天然有机质）以及铁、锰等金属（氢）氧化物的含量，共同调控着砷在不同形态间的转化及其在固相（沉积物）和液相之间的吸附-解吸平衡，从而决定了砷在湖泊中的迁移性和生物可利用性。

贝塞卡湖中砷的浓度

监测数据表明，贝塞卡湖湖水中的砷浓度存在时空变化，但普遍严重超标。文献报道的浓度范围可达2.14至405 μg/L，平均值远高于世界卫生组织设定的饮用水标准（10 μg/L）。例如，在湖区的不同采样点，砷浓度曾测得95.6 μg/L（LB1点）和61.2 μg/L（LB5点）。不仅地表水，湖区附近的钻孔地下水也受到严重污染，砷浓度范围在21.4至278 μg/L之间（如GW1点浓度高达170.18 μg/L）。这种高浓度的砷污染不仅使湖水不适宜直接饮用，也对灌溉、畜牧乃至水生生态系统构成了威胁。砷与钼、铀、钒等其他重金属元素的协同污染效应，进一步加剧了环境风险。

砷的毒性及环境影响

砷是公认的致癌物，长期通过饮用水或食物链暴露于无机砷，会对人体健康造成严重且多方面的危害。

• •
  致癌效应：可导致皮肤癌、肺癌、肝癌、膀胱癌、肾癌等多种癌症。
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  非致癌效应：包括皮肤病变（如色素沉着、角化过度）、心血管疾病、神经系统损伤、糖尿病以及生殖毒性。
  对于依赖阿瓦什河下游水体进行生活、灌溉和畜牧的社区而言，贝塞卡湖排放的高砷湖水是一个潜在的巨大公共健康威胁。虽然埃塞俄比亚尚未报告大规模急性砷中毒事件，但慢性、低剂量暴露带来的渐进性健康风险不容忽视，需要前瞻性的监测和干预。此外，高浓度砷对水生生物具有毒性，可能破坏湖泊及下游河流的生态系统平衡。

进一步启示（修复与技术）

面对贝塞卡湖的砷污染挑战，开发和应用有效的修复技术至关重要。综述评估了多种技术的原理、效果和适用性。

混凝与絮凝：该技术通过投加铁盐（如FeCl₃、Fe₂(SO₄)₃）或铝盐等混凝剂，使其水解产生的带正电的氢氧化物絮体与水中带负电的砷酸根离子（As(V)）发生电中和、吸附架桥作用，形成较大的矾花，随后通过沉降或过滤去除。该工艺对As(V)去除效果好，但可能产生大量含砷污泥，存在二次处置问题。对于As(III)，通常需要预氧化（如投加KMnO₄、H₂O₂）以提高去除率。

吸附：吸附法因其操作简单、成本相对较低且可利用当地材料而被视为一种有前景的技术。其核心是利用具有高比表面积和丰富表面官能团的吸附剂（如活性炭、金属氧化物、改性粘土、生物炭等）与砷离子发生物理或化学结合。研究显示，一些当地易得的材料，如白蚁丘土、改性火山岩等，对砷具有良好的吸附能力。吸附效率受pH值影响显著，通常在酸性条件下对As(V)的吸附效果更佳。将吸附与其他技术（如膜过滤）联用，可以进一步提升净化效果。

膜技术：反渗透（RO）、纳滤（NF）、超滤（UF）等膜分离技术能有效去除水中的离子和分子污染物，对砷的去除率很高。这些技术具有出水水质稳定、占地面积相对较小等优点。然而，其高昂的设备投资和运行维护成本，以及对进水水质要求较高（易发生膜污染），限制了其在资源有限地区（如埃塞俄比亚）大规模应用的可能性。

植物修复：这是一种生态友好、成本低廉的绿色修复技术。它利用特定植物（如Lemna gibba、Ceratophyllum demersum、Azolla caroliniana等水生植物）从水体中吸收、富集甚至降解砷等污染物。这些植物能够将砷富集于其组织内，通过收割植物体即可将砷从系统中移除。植物修复特别适用于处理大面积、中低浓度的污染水体，可与人工湿地技术结合，形成一种可持续的治理模式。

高级氧化工艺（AOPs）：AOPs（如UV/H₂O₂、臭氧氧化、电化学氧化等）主要通过产生强氧化性的羟基自由基（•OH）或其他活性物种，将毒性更大、更难去除的As(III)快速氧化为As(V)，从而为后续的混凝或吸附处理创造有利条件。AOPs通常作为预处理步骤与其他技术联用，但其本身能耗较高，且可能产生副产物。

结论与未来展望

贝塞卡湖的砷污染是一个由复杂的地球化学背景和不断增强的人类活动共同驱动的严峻环境问题。湖水及周边地下水中的砷浓度严重超标，对下游社区的供水安全、生态系统健康和农业发展构成了长期威胁。尽管全球在砷污染治理技术方面取得了显著进展，但在埃塞俄比亚等发展中国家，针对此类问题的实际应用和系统研究仍显不足。

未来，应优先关注以下几个方面：

1. 1.
   加强源头控制与监测：深入解析砷的迁移转化规律，建立长期的水质和健康监测网络。
2. 2.
   研发适合本地的高效低成本技术：重点探索基于当地材料（如粘土、工业废料、生物质）的吸附剂、发展低能耗的植物修复-吸附组合湿地系统等。
3. 3.
   推动技术集成与工程示范：将混凝、吸附、膜技术、AOPs等进行优化组合，并在贝塞卡湖出口或下游适宜地点开展中试或现场规模示范，验证技术的可行性和经济性。
4. 4.
   强化跨部门合作与公众意识：需要政府机构、科研院所、非政府组织和当地社区的紧密协作，共同制定和实施综合性的砷污染防控与管理策略。
   总之，通过采用可持续、低成本且环境友好的修复技术，并结合严格的管理措施，有望有效缓解贝塞卡湖的砷污染问题，保障区域水安全，促进人与环境的和谐发展。