水體重金屬的污染及其處理方法

邱小香，朱海燕

（渭南師范學院化學化工系，陜西 渭南 714000）

隨著社會經濟的迅猛發(fā)展和工業(yè)化程度的不斷提高，污染物的排放已使環(huán)境日趨惡化，直接或間接給生物的生存帶來威脅，并危及人類健康。重金屬污染與其他有機化合物的污染不同：不少有機化合物可以通過自然界本身物理的、化學的或生物的凈化，使有害性降低或解除；而重金屬具有富集性，很難在環(huán)境中降解。近年來，隨著各種工業(yè)廢液排入水體，其中重金屬的含量越來越高，嚴重影響著人類及其它生物的健康與生存，如隨廢水排出的重金屬汞（Hg）、銅（Cu）、鉻（Cr），即使?jié)舛刃?，也可在藻類和底泥中積累，被魚和貝類體表吸附，產生食物鏈濃縮，人類一旦食用了這些食物，重金屬就會在人體內和蛋白質及各種酶發(fā)生強烈的相互作用，使蛋白質和酶失去活性，也可能在人體的某些器官中富集，如果超過人體所能耐受的限度，就會造成人體急性中毒、亞急性中毒、慢性中毒等。針對這種情況，筆者總結了水體中重金屬的來源和危害，并對如何防治水體重金屬污染進行了系統(tǒng)介紹。

1 水體重金屬的來源

重金屬是構成地殼的元素，含量還不足0.1%，但廣泛存在于各種礦物和巖石中。經過巖石風化，火山噴發(fā)，大氣降塵，水流沖刷和生物攝取等過程，重金屬元素在自然環(huán)境中完成遷移循環(huán)，使重金屬元素遍布于土壤、大氣、水體和生物體中。與人工合成的化合物不同，它們在環(huán)境的各個部分都存在著一定的本底含量。

近年來，由于部分礦產開發(fā)中選礦、冶煉工藝水平落后，個別礦區(qū)沒有環(huán)保治理設備，廢水、廢氣未經處理直接排放，其中的重金屬隨著自然的沉降、雨水的淋溶等途徑進入土壤，進入正常循環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)，在生物體內積累，改變了環(huán)境的本底濃度。其次，化石燃料（煤、石油）的燃燒也是重金屬的主要釋放污染源，在局部地區(qū)甚至可能出現(xiàn)高濃度重金屬嚴重污染。重金屬在水環(huán)境中可以經過水解反應生成氫氧化物，也可與一些無機酸（如H2S 、H2CO3）反應，生成硫化物、碳酸鹽等，而這些化合物的溶解度都比較小，易生成難溶的沉淀物。這一特性使重金屬污染物大量聚積于排污口附近底泥中，將成為長期的次生污染源，一旦環(huán)境條件改變，會重新形成可溶性物質而釋放到水體中。

2 水體重金屬污染的危害

2.1 重金屬污染給人體帶來的危害

重金屬對人體的危害，一方面通過直接飲用造成重金屬中毒而損害人體健康；另一方面是間接污染農產品和水產品，通過食物鏈對人體健康構成威脅。重金屬能抑制人體內酶的活動，使細胞質中毒從而傷害神經組織，還可導致直接的組織中毒損害人體具解毒功能的關鍵器官腎、肝等組織。重金屬通過水體直接或間接進入食物鏈后，能嚴重消耗體內儲存的鐵、維生素C和 其他必需的營養(yǎng)物質，導致免疫系統(tǒng)防御能力下降，子宮內胚胎生長停滯和其他一些疾病。

2.2 重金屬污染對水生植物的危害

重金屬對水生植物的毒害作用主要表現(xiàn)在改變細胞的細微結構，抑制光合作用、呼吸作用和酶的活性，使核酸組成發(fā)生改變，細胞體積縮小和生長受到抑制等。在水生生態(tài)系統(tǒng)及水生食物鏈中，作為其它浮游動物的食物及氧氣來源，藻類占據著重要的位置。研究發(fā)現(xiàn)：不同濃度的鋅（Zn） 等重金屬對羊角月牙藻的生長進度、蛋白質含量、ATP 水平等有明顯的影響，金屬離子對羊角月牙藻生長有抑制作用。還有研究表明，鎘（Cd ）能破壞某些綠藻的葉綠素，引起光合作用下降，還對斜生柵藻和蛋白核小球藻的呼吸作用產生影響；一定濃度的Cd 能誘導硝酸還原酶的活性，從而破壞抗氧化防御系統(tǒng)。

2.3 重金屬污染對水生動物的危害

重金屬進入水體后，將對水生動物的生長發(fā)育、生理代謝過程產生一系列的影響。海水重金屬離子含量超過一定的濃度便會引起文昌魚中毒，使其身體成彎曲狀而死亡。研究發(fā)現(xiàn)不同離子濃度的鉛（Pb）、Zn和Cu對中國鱉的胚胎發(fā)育有不良影響；Zn、Cu這些重金屬的積累對魚的性別、身長都存在一定的影響。此外，重金屬還會影響水生動物的遺傳表達，Cu、Zn等重金屬能影響鯉魚和羅非魚的金屬硫蛋白基因表達；鎳（Ni ）對淡水纖毛蟲有急性毒性作用。

3 防治水體重金屬污染的措施

水體重金屬污染修復治理采用以下兩條基本途徑：一是降低重金屬的生物可利用性和在水體中的遷移能力；二是將重金屬從受污染水體中徹底清除。主要有以下方法：

3.1 物理和化學法

3.1.1 沉淀和絮凝 沉淀作用通過提高水體pH 值使重金屬以氫氧化物或碳酸鹽的形式從水中分離出來，也有加入硫化物沉淀劑使重金屬離子生成硫化物沉淀而被去除。絮凝作用也應用于常規(guī)的污水處理中，普遍采用鐵鹽和鋁鹽等絮凝劑，通過與具有凈化功能的天然礦物聯(lián)合，改進后可形成性能更優(yōu)的絮凝材料。木質素磺酸鹽也是一類性能優(yōu)良的綠色絮凝劑，引入羧酸基、磺酸基等基團后，其絮凝沉降效果更佳。

3.1.2 吸附法 吸附法是利用多孔性固態(tài)物質吸附水中污染物來處理廢水的一種常用方法，按吸附劑的分類可分為如下3種：一是活性炭吸附，是一種較早地被應用于生產的凈水技術，有顆?；钚蕴?、粉狀活性炭、活性炭纖維、炭分子篩、含碳的納米材料等類型之分。二是礦物吸附劑，是通過對具有一定吸附、過濾和離子交換功能的天然礦物進行合理改性，從而提高環(huán)境礦物材料吸附性能的一種新形式。目前，作為一種天然易得且高效廉價的吸附劑，礦物材料在環(huán)境治污領域的開發(fā)得到了很高的重視。膨潤土就是一種礦物材料，可以通過活化和添加無機或有機化合物來進行改性。改性后得到的鈣基膨潤土對Cu2+的吸附率可以提高到94%。通過鐵氧化物改變石英砂的表面性質，所得到的吸附劑對Cu、Pb的去除率達99%；另發(fā)現(xiàn)精煉油頁巖產生的固體副產品能夠有效去除水溶液中的Pb2+、Cu2+和Zn2+等。三是天然吸附劑，殼聚糖、木質素等天然吸附劑也是常用的吸附材料，利用懸浮交聯(lián)和復合制備得到殼聚糖樹脂吸附劑和殼聚糖活性炭復合吸附劑，對Pb2+的去除率可達90%以上；牛皮紙木質素對Cu2+的吸附率為27.1%。

3.1.3 離子交換法 以泥炭、木質素、纖維素等為原材料制成各種離子交換樹脂和螯合樹脂也可去除水體中的重金屬離子，其中螯合樹脂不僅保有一般離子交換樹脂的優(yōu)點，又具備有機試劑高選擇性的特點；離子交換纖維是一種新型纖維狀吸附與分離材料，具有比表面積大、傳遞距離短、吸附和解吸速度快等優(yōu)點，如引入了磺酸基團的強酸性陽離子交換纖維最大Pb2+吸附容量可達105.5 mg /L 。

另外，還有電解法、反滲透法、膜分離法等，但這些方法都不同程度地存在著成本高、能耗大、操作困難、易產生二次污染等缺點。

3.2 生物法

3.2.1 微生物法 用于重金屬離子吸附的微生物主要有細菌和真菌等，主要原理是利用水體中的微生物或是經馴化的高效微生物，在優(yōu)化的條件下通過生物還原反應將重金屬離子還原或吸附成團沉淀。有研究表明，短桿菌株HZM-1對Zn2+的最大吸附容量為0.64 mmol/g（干細胞），大量被吸附的Zn2+能利用鹽酸或EDTA 等處理解吸，解吸后的菌株用氫氧化鈉溶液進行處理可恢復吸附能力。但是這種方法有一點不足之處，就是吸附了重金屬離子的菌體與溶液分離成本比較高、效率比較低。為了克服這一缺陷，固定化技術被引用到這一方法中，其主要是通過對微生物進行固定，制備成生物吸附劑，使其具有其它商用吸附劑的特性。如芽孢桿菌可被固定化制成無生命的顆粒狀產品，用于廢水中金屬離子的回收。生物吸附技術在吸附性能、吸附效率、運行成本和對環(huán)境影響等方面都優(yōu)于其它方法，且在理論上和技術上都有較成熟的發(fā)展，已應用于工業(yè)廢水處理。未來，隨著基因工程、細胞工程等先進生物技術的加入，生物吸附技術將在處理水體重金屬污染方面擁有廣闊的應用前景。

3.2.2 植物修復法和動物法 植物修復法是利用綠色植物來轉移、容納或轉化污染物使其對環(huán)境無害，主要通過植物吸收、揮發(fā)、吸附和根際過濾等方式來積聚或清除水體中的重金屬。植物修復技術自產生以來，在世界范圍內得到了迅速地發(fā)展。已發(fā)現(xiàn)的重金屬超積累植物有455多種，如鳳眼蓮、水芹菜、香蒲、蘆葦、香根草等都對重金屬具有良好的吸收積累效果。利用水生植物凈化重金屬污水應用較多的是人工濕地技術和生物塘工程。在凡口鉛鋅礦，用“寬葉香蒲人工濕地穩(wěn)定塘”系統(tǒng)來處理尾礦廢水，Pb、Cd、Cu 的含量都有顯著下降，凈化效果明顯。

另外，水體底棲動物中的貝類、甲殼類、環(huán)節(jié)動物等對重金屬具有一定富集作用，如三角帆蚌、河蚌對重金屬（Pb2+、Cu2+、Cr2+等）具有明顯自然凈化能力。但此法處理周期長，費用高，目前水生動物主要是用作環(huán)境重金屬污染的指示生物，用于污染治理的不多。

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