重金屬廢水處理技術(shù)的原理綜述

唐彬（湖南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 湖南 長沙 410004）

彭英湘（湖南省環(huán)境監(jiān)測中心站 湖南 長沙 410004）

胡立瓊（中南林業(yè)科技大學(xué) 湖南 長沙 410004）

水體是人類生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，對環(huán)境具有一定的敏感性。由于人類活動影響，進(jìn)入水體環(huán)境中的污染物質(zhì)越來越多，特別是采礦、冶煉、化工、電鍍、電子等行業(yè)的發(fā)展。以及民用固體廢棄物不合理填埋堆放，重金屬污染物事故性排放等使得各種重金屬污染物進(jìn)入水體[1]。重金屬污染問題已經(jīng)成為危害最大的水污染問題之一[2]。重金屬一般是指密度大于4.5g/cm3的一類金屬，具體是指元素周期表中位于原子序數(shù)24之后的60多種金屬元素。在環(huán)境生態(tài)學(xué)上，從毒性及元素遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的角度考慮，一般把含As，Se和Al等的廢水也包括在重金屬廢水范疇內(nèi)[3]。由于重金屬本身的生化特性，使得廢水中重金屬有著區(qū)別于傳統(tǒng)污染物的特點(diǎn)：1）不可降解性，無法用物化法或生化法降解，只能改變其存在價(jià)態(tài)；2）可富集性，可通過食物鏈向高營養(yǎng)級進(jìn)行大量的富集，最終危害人類；3）污染具有持續(xù)性，可與多種物質(zhì)形成絡(luò)合物或螯合物，可能又被重新溶解釋放。4）水體中的重金屬可能在微生物作用下轉(zhuǎn)變成毒性更強(qiáng)的物質(zhì)，通過生物作用，改變了其價(jià)態(tài)或形態(tài)，毒性更強(qiáng)，對環(huán)境危害更大。因此重金屬廢水處理一直以來就頗受研究者關(guān)注。本文簡要介紹了重金屬廢水的來源和危害，主要綜述了幾大廢水處理技術(shù)及其原理。旨在對重金屬廢水處理技術(shù)的研究和發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

一、重金屬廢水的來源和危害

重金屬廢水來源于電鍍、采礦、化工等部門。主要來自礦山排水、廢石場淋浸水、選礦廠尾礦排水、有色金屬冶煉廠除塵排水、有色金屬加工廠酸洗水、電鍍廠鍍件洗滌水、鋼鐵廠酸洗排水，以及電解、農(nóng)藥、醫(yī)藥、油漆、顏料等工業(yè)的廢水[4]。

在生理學(xué)上，有些重金屬對維持人體正常活動有積極作用。比如Cu、Zn、Ni、Cr都是人體所必需的微量元素，其中Cu、Zn、Cr參與人體糖代謝過程。Cu對紅血球的形成十分重要，Zn有助于人體生長發(fā)育和骨骼成長，有助于避免動脈硬化和皮膚病[5]。Ni與人體催化激素調(diào)節(jié)有關(guān)，防治人體生長緩慢，同時(shí)可增強(qiáng)造血功能[6]。Cr參與葡萄糖和脂類代謝。但是過量攝入這些金屬，會對人體產(chǎn)生重大危害。Cu過量會傷害消化系統(tǒng)，長期過量會導(dǎo)致肝硬化[7]。Zn過量會引起發(fā)育不良、新陳代謝失調(diào)、腹瀉等癥狀。Ni過量初期會出現(xiàn)頭暈、頭痛等癥狀，有時(shí)伴有惡心嘔吐；長期過量則會導(dǎo)致高燒、呼吸困難，甚至中樞神經(jīng)障礙，一時(shí)精神錯(cuò)亂等嚴(yán)重病癥[8]。過量的Cr3+易積存在肺泡中，引起肺癌，進(jìn)入血液中引起肝和腎的障礙[5]。Cr6+有很大的刺激性和腐蝕性，會引起潰瘍、喉炎和腸炎。流行病學(xué)研究表明：Cr6+化合物是常見的致癌物質(zhì)，會奪取血液中部分O2，使血紅蛋白變成高鐵血紅蛋白，致使紅細(xì)胞攜氣機(jī)能障礙，發(fā)生內(nèi)息[9]。

重金屬污染廢水排入水體會影響魚類和水生生物生長，危及漁業(yè)生產(chǎn)。據(jù)資料報(bào)道，江蘇某廠每年向附近水庫排放含重金屬的電鍍廢水47000余噸，造成該水庫魚產(chǎn)量從15萬斤降至2萬斤左右；昆明市每年排放大量含重金屬廢水進(jìn)入滇池，導(dǎo)致滇池水體經(jīng)常發(fā)生死魚，珍貴魚種金線魚、桂花魚及草海的海菜花已趨于絕跡[8,10]。重金屬廢水污染土壤，土壤上生長的植物體內(nèi)重金屬逐漸積累，會使植物受毒害，葉片退綠發(fā)黃，甚至死亡，造成農(nóng)、林、牧業(yè)減產(chǎn)[11]。

二、重金屬廢水的處理方法及原理

1.物理方法

物理法是使廢水中的重金屬離子在不改變其化學(xué)形態(tài)的條件下進(jìn)行吸附、濃縮、分離的方法；物理方法有溶劑萃取法、離子交換法、吸附法、膜分離技術(shù)等。

溶劑萃取法是分離和凈化物質(zhì)常用的方法[12]。其主要是通過高選擇性的萃取劑，在液-液接觸的條件下，使萃取劑與廢水中重金屬離子與萃取劑發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，將重金屬從水相萃取到有機(jī)相，然后在堿性條件下再被反萃取，使溶劑再生循環(huán)利用。

離子交換法以離子交換樹脂為介質(zhì)，將溶液中的重金屬離子吸附在樹脂中，從而被去除。其主要是樹脂的吸附、離子交換作用。樹脂中含有活性基團(tuán)，如羥基、羧基、氨基等，能與金屬離子螯合，形成穩(wěn)定的螯合物，從水相中脫離。

低濃度的重金屬離子，尤其大量排放物中的重金屬離子無法用傳統(tǒng)的化學(xué)沉淀法、離子交換法去除。這是廢水處理的一大難題，而吸附法是解決這個(gè)問題的有效方法之一[13]。該方法主要是通過加入高比表面積、結(jié)構(gòu)蓬松或具有特殊能基團(tuán)，對水中的重金屬進(jìn)行物理或化學(xué)吸附[14]。該方法所用吸附劑主要有活性碳、腐殖質(zhì)樹脂、麥飯石、沸石、紋石、硅藻土、膨潤土等。

膜分離技術(shù)是處理效果較好的一種廢水處理工藝。其主要是利用某種環(huán)境中混合物各組分性質(zhì)的差異進(jìn)行分離。所使用的膜具有高度的選擇透過性，在兩側(cè)加以某種推動力（如液壓差，電位差等）使廢水中的目標(biāo)離子透過，而其他的物質(zhì)被阻隔在另一側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)分離。該技術(shù)主要包括電滲析法、液膜法、納濾法、超低壓反滲透膜、膠束增強(qiáng)超濾法和水溶性聚合物絡(luò)合超濾法等[15]。該方法不但處理效果好，而且還可以資源回收利用。

3.化學(xué)方法

化學(xué)法，即廢水中重金屬離子通過發(fā)生化學(xué)反應(yīng)除去的方法；化學(xué)法有化學(xué)沉淀法、氧化還原法、鐵氧化沉淀法、氣浮法、電解法等?；瘜W(xué)沉淀法處理的對象主要是重金屬離子（銅、鉻、汞、鉛、鋅等)以及兩性元素(砷)。其原理是向廢水中投加化學(xué)沉淀劑，使重金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成難溶的化學(xué)物質(zhì)，或調(diào)解pH使污染物形成難溶的氫氧化物沉淀，最后通過凝聚、沉淀、浮選、過濾、吸附等方法將難溶物從溶液中分離出來。氧化還原法目前一般作為廢水處理的預(yù)處理使用[12]。其主要原理是投加氧化劑或還原劑，將廢水中的有毒物質(zhì)氧化或還原成無毒或低毒的物質(zhì)。氧化法主要用以處理廢水中的CN-，S2+，F(xiàn)e2+，Mn2+，Cr3+，等。鐵氧化沉淀法的主要是向廢水中投加含鐵物質(zhì)，廢水中的各種重金屬離子與形成的鐵氧化晶粒發(fā)生吸附、化學(xué)沉淀等反應(yīng)，一起沉淀析出，使廢水得以凈化。能一次脫除廢水中的多種金屬離子，對脫除Cr3+、Pb2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、Cu2+等離子均有很好的效果。

4.生物方法

生物法借助微生物或植物的絮凝、吸收累積、富集等作用使廢水中的有機(jī)污染物和無機(jī)微生物營養(yǎng)物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、無害的物質(zhì)[16]。生物法有生物吸附法、生物沉淀法、生物絮凝法等。

生物吸附法是通過游離或固定化的活微生物體、死微生物體或生物質(zhì)，選擇性地除去廢水中有毒物質(zhì)、回收有價(jià)成分。生物吸附法去除重金屬的機(jī)理主要有細(xì)胞外積累、沉淀、細(xì)胞表面吸附和細(xì)胞內(nèi)積累[17]。生物沉淀法指的是利用微生物新陳代謝產(chǎn)物使重金屬離子沉淀固定。其中硫酸鹽還原菌處理重金屬廢水近幾年研究較多。其機(jī)理主要是硫酸鹽還原菌在厭氧條件下產(chǎn)生H2S和廢水中的重金屬反應(yīng)，生成金屬硫化物沉淀，從而去除重金屬離子。該技術(shù)對含鉛、銅、鋅、鎳、汞、鎘、鉻(IV)等的廢水處理實(shí)驗(yàn)室研究方面取得了較好的效果。

生物絮凝法是利用微生物或微生物產(chǎn)生的代謝物進(jìn)行絮凝沉淀的一種除污方法[18]。許多微生物具有一定的線性結(jié)構(gòu)，有的表面具有較高的電荷和較強(qiáng)的親水性或疏水性，能與顆粒通過離子力、吸附等作用相結(jié)合[19]，從而起到絮凝劑作用。

亦可用植物修復(fù)重金屬污染廢水。金屬污染植物修復(fù)的內(nèi)容主要包括植物萃取、植物穩(wěn)定、植物揮發(fā)、根系過濾和種苗過濾等。利用植物處理重金屬，主要由部分組成：一是利用金屬積累植物或超積累植物從廢水中吸取、沉淀或富集有毒金屬；二是利用金屬積累植物或超積累植物降低金屬活性，從而可減少重金屬被淋濾到地下或通過空氣載體擴(kuò)散；三是利用金屬積累植物或超積累植物將土壤中或水中的重金屬萃取出來，富集并搬運(yùn)到植物根部可收割部分和植物地上枝條部分[20]。通過收獲或移去已積累和富集了重金屬的植物的枝條，降低土壤或水體中的重金屬濃度，達(dá)到治理污染、修復(fù)環(huán)境的目的。

三、結(jié)論與展望

因化學(xué)方法主要是根據(jù)化學(xué)沉淀或吸附、氧化還原等將重金屬去除，因此其具有速度快、工藝工程簡單等優(yōu)點(diǎn)，是目前治理重金屬廢水最常用的方法。但化學(xué)法存在出水重金屬濃度偏高，易產(chǎn)生二次污染，廢水回用等困難。而物理方法采用膜分離、溶劑萃取、離子交換等作用去除水中重金屬。因此其成本普遍較高，較難于適應(yīng)大規(guī)模的廢水處理。而生物處理技術(shù)主要是利用生物本身的吸收或代謝產(chǎn)物與重金屬反應(yīng)從而降低水中重金屬含量。但其時(shí)間長、效率較低。因此，我們可以根據(jù)各方法不同的除重金屬機(jī)理，結(jié)合各自的優(yōu)缺點(diǎn)將各種方法結(jié)合起來聯(lián)用，如將膜技術(shù)與生物處理技術(shù)結(jié)合，或效果更佳。

[1]李琳,楊旭.重金屬廢水處理技術(shù)及其發(fā)展方向[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù).2010,30(2):61-63.

[2]孟多,周立岱,于常武.水體重金屬污染現(xiàn)狀與治理技術(shù)[J].遼寧化工,2006,35(9):534-536.

[3]成末紅.含重金屬廢水處理技術(shù)[J].能源與節(jié)能,2011,4(67):88-89.

[4]王紹文.重金屬廢水治理技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1993.

[5]樊幫堂.環(huán)境化學(xué)(下)[M].杭州:浙江大學(xué)化學(xué)系,1987.