重金屬水體污染與防治對策

高 松

(宿遷市泗洪縣生態(tài)環(huán)境局，江蘇 泗洪 223800)

1 引言

人類生活和工業(yè)活動導(dǎo)致自然水體遭受了多重的污染，其中重金屬污染危害尤其突出。常見的污染性重金屬包括汞、鎘、鉻、砷、鉛等，通常來源于采礦業(yè)、冶煉業(yè)、一般性化學(xué)工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及人類的生活垃圾。重金屬在水體等環(huán)境中蔓延，會逐步在周圍的植物中富集，因為不能有效地排出到體外，會在生態(tài)系統(tǒng)中逐漸向高級別的生物中靠攏，而人類也難有效規(guī)避，體內(nèi)積存重金屬，會對多種器官、血管、神經(jīng)造成傷害，使得人類深受其害[1]。對此探討通過物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)方法來消除水體中的重金屬污染，是十分必要的。

2 物理方法治理重金屬水污染

對于重金屬污染的水體來說，常見的物理治理方法包括離子交換、吸附、膜分離等技術(shù)。相對來說，污染較輕的水體建議采用物理方法進行處理。

2.1 離子交換法

該方法的基本原理是，利用電鍍作為“外力”，使得交換劑中置入的大量離子，與污染水體中的重金屬離子進行交換，從而達到將重金屬離子脫離水體的目的。業(yè)界已經(jīng)研制并應(yīng)用了大型的離子交換設(shè)備，能夠?qū)νㄟ^的污水進行快速有效地處理。不僅能夠有效地治理污水，也可以將其中的重金屬進行回收，一舉兩得。胡鳴鳴通過實驗表明，果皮基吸附材料對重金屬離子有吸附作用[2]。

2.2 吸附法

該方法的基本原理是利用一些具有多孔的材料，對重金屬進行吸附。其中最早被納入視野的吸附劑是活性炭，其優(yōu)點是吸附能力強，高效，但缺點是成本比較高，性價比低，因此很難在工業(yè)中得到普及地應(yīng)用[3]。對此人們開始逐步尋求替代品，包括果膠、膨潤土等都備受青睞[4]。相對于離子交換，吸附方法的優(yōu)勢能夠消除更高濃度的重金屬離子，且在吸附后，往往能夠使得水體達到國家排放標準，由此獲得了業(yè)界的認可。另一方面，所采用的吸附劑，多數(shù)是可以繼續(xù)循環(huán)使用的，由此也一定程度上使得該方法得到更廣泛的使用[5]。在實踐中，一些化學(xué)家以及企業(yè)研發(fā)部通過一些技術(shù)優(yōu)化來選擇更為合適的吸附劑，使得其在吸附中更有針對性，適合某些領(lǐng)域的需求。比如利用硫酸氫鈉作為還原劑的吸收劑，或者尹蕊提出的磁性銅離子印跡聚合物，就可以對多種金屬離子進行吸收，而以有機高分子為主原料的吸收劑，就能夠大量吸收鉛離子[6]。

2.3 膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)是指基于分子層面利用半透膜篩選不同粒徑分子的混合物，該方法所采用的裝置也比較簡單，具體操作相對便捷。在具體的環(huán)境下，根據(jù)不同的形式，分為納濾、液膜隔離、電滲析等類別[7]。根據(jù)其技術(shù)原理可知，可以根據(jù)不同的處理對象，設(shè)置不同孔徑的膜，由此單層或者多層地達到分離的效果。在實踐中，該方法也會遇到結(jié)垢、腐蝕、電極極化等問題。魏棲梧所設(shè)計的磁性多壁碳納米管就遇到了相應(yīng)的問題[8]。

3 化學(xué)方法治理重金屬水污染

利用化學(xué)方法治理重金屬污染，主要有化學(xué)沉淀和氧化還原兩種方法。

3.1 化學(xué)沉淀法

利用化學(xué)反應(yīng)的方式，使得重金屬離子生成難以融于水的固體，冷卻沉淀，與水分離[9]。不同的反應(yīng)形式，對應(yīng)不同的沉淀方法，包括中和反應(yīng)、硫化反應(yīng)、鋇鹽化等。但在實踐中發(fā)現(xiàn)，利用該方法進行重金屬的治理，效果并不理想，通常會留有殘余，甚至所得到的水體并不符合國家標準，需要進一步處理[10]。而如果沉淀的固體得不到有效地回收，還會造成固體廢棄物污染。對此近年來業(yè)界進行了沉淀方法的升級，比如利用高分子有機物對銅離子進行沉淀，消除后的污水含銅離子量低于國家標準；而利用含鈣磷酸鹽對鉛離子進行沉淀，也具有較好的處理效果[11]。

3.2 氧化還原法

該方法的原理是基于重金屬離子的價態(tài)，施加一定的氧化劑或者還原劑，通過化學(xué)反應(yīng)，實得重金屬離子能夠變?yōu)楣腆w，或者變?yōu)閷Νh(huán)境危害輕的物質(zhì)。在實踐中，一般會將Fe、Cu、FeSO4、NaHSO3、NaBH4作為還原劑，而會將Cl2、O2、O3等作為氧化劑。例如郝漢舟將FeSO4·7H2O作為還原劑，能夠?qū)t離子進行很好地清除[12]。

還有一種氧化還原方式，是為重金屬離子的陰極提供電子，使得其能夠分離為金屬物質(zhì)，由此實現(xiàn)重金屬的回收，但因為需要較大的電能提供，成本較高。對于锎離子來說，基于微電解的方式進行處置，并利用鐵與碳形成電位差，將陽極的锎離子進行還原，基于氧化絮凝使得其形成沉淀，效果較好[13]。但無論如何，化學(xué)方法的整體成本依然不夠理想，如果回收的重金屬有較高的價值，則可以抵消這種成本[14]。

4 生物方法治理重金屬水污染

采用生物學(xué)方法，包括植物修復(fù)、微生物修復(fù)兩種常見的方式。

4.1 微生物修復(fù)法

微生物的修復(fù)原理為，微生物的細胞表膜利用自身的電荷，直接對一些重金屬離子進行吸附；或者微生物所產(chǎn)出的代謝物對金屬離子進行固定[15]。通常微生物能夠產(chǎn)出糖蛋白、多聚糖、可溶性氨基酸等物質(zhì)，被稱為細胞外聚合物，即EPS，其能夠?qū)饘匐x子結(jié)合，固定為沉淀物質(zhì)。為了提升微生物的修復(fù)效率和針對性，也可以對微生物進行定向培養(yǎng)[16]。

4.2 植物修復(fù)法

植物修復(fù)的原理為，植物通過根部固定、吸收富集、揮發(fā)等方式將水體中的重金屬轉(zhuǎn)移到其他位置和植物體內(nèi)。其中最有效的方式，是植物通過自身的新陳代謝，將根部周邊水體中的重金屬吸附到植物體內(nèi)，并通過內(nèi)部新陳代謝的各種生化反應(yīng)，使得金屬在體內(nèi)富集[17]。對于廣泛被污染的水體，比如湖泊，在物理、化學(xué)方法難以根除的情況下，適合采用植物與微生物結(jié)合的方式進行修復(fù)，但需要較長的時間[18]。

5 重金屬水污染處理方法的選擇與展望

5.1 方法的選擇

不同的污水處理需求，有不同的處理方法選擇。根據(jù)前文的分析可以看出，對于重金屬濃度較低的水體，可以采用膜分離技術(shù)進行處置，該方法具有成本低的優(yōu)勢。如果重金屬濃度較高，則建議采用物理吸附方法，雖然有一定的成本，但效果顯著。而對于較高濃度的污水，利用膜分離技術(shù)則很難一次性根除污染。對于自然界被嚴重污染的、面積大的水體，為保持生態(tài)環(huán)境不受二次破壞，往往會優(yōu)先選擇生物修復(fù)方式[19]。

同時對于多數(shù)污水處理來說，因為情況復(fù)雜，會對多種技術(shù)進行結(jié)合，比如處理的重金屬具有回收價值，而單獨采用化學(xué)方法處理效果不達標，就建議采用膜分離技術(shù)與之相結(jié)合[20]。而針對污染物比較多的水體，單一的吸附、過濾等方式不能有效治理時，則需要多種方式輪流治理，最終實現(xiàn)治理效果。

5.2 處理技術(shù)的發(fā)展展望

重金屬的污染類型多樣，處理的要求也不一樣，對此現(xiàn)有技術(shù)也需要創(chuàng)新發(fā)展。在物理方法中，離子交換和吸附法的創(chuàng)新之處在于交換劑和吸附劑的不同，比如利用秸稈進行炭化，所生成的生物炭在炭化時間、炭化溫度、原料粒徑的影響下有不同的吸附效果，但預(yù)期創(chuàng)新前景有限；膜分離技術(shù)則可以通過有機新材料技術(shù)的不斷創(chuàng)新，研制具有多種功能與性能的膜，比如孔徑可控可變等，使得重金屬離子能夠分批回收。在化學(xué)方法中，最好的創(chuàng)新方向是利用絮凝劑對重金屬離子進行沉淀。在生物方法中，應(yīng)當有效地利用微生物定向繁衍技術(shù)、遺傳工程甚至基因工程技術(shù)，使得菌株對重金屬的吸附和富集能力更強，更符合需求。相對其他技術(shù)，生物學(xué)處理技術(shù)的前景更加廣闊，更值得期待。

6 結(jié)論

重金屬污染的危害是極其深遠的，現(xiàn)階段人們已經(jīng)可以利用多種方法來進行防治，其中物理學(xué)方法包括離子交換、吸附、膜分離等技術(shù)，化學(xué)方法包括化學(xué)沉淀法和氧化還原法，生物學(xué)方法包括微生物修復(fù)和植物修復(fù)等。對此應(yīng)當根據(jù)污染的具體情況，比如水體面積、重金屬種類和濃度、有無其他污染等，選擇合適的治理方法，有必要的情況下還需要結(jié)合多種方法來處理。而在未來隨著新材料技術(shù)、基因工程技術(shù)的進一步拓展，再結(jié)合信息技術(shù)的數(shù)據(jù)分析與智能控制，人們對重金屬污染的處理將更從容。