探究重金屬?gòu)U水處理技術(shù)和資源利用

傅曉钘，吳雪綺

（1.北京華楊環(huán)?？萍加邢薰荆本?100000；2.杭州知時(shí)雨環(huán)?？萍加邢薰?，浙江 杭州 310000）

目前，我國(guó)面臨著重金屬?gòu)U水污染的問題，這種污染主要與化工生產(chǎn)、金屬加工、礦產(chǎn)開采等行業(yè)發(fā)展有關(guān)。受部分原材料特殊性的影響，這些行業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)排放大量污水、污物，尤其是這些污水中含有過(guò)量的重金屬元素，如砷、汞、鉛等，隨意排放會(huì)加劇我國(guó)環(huán)境污染問題，還有制革企業(yè)排放的含鉻廢水，也會(huì)通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體內(nèi)[1]，影響人體健康。因此，相關(guān)人員有必要對(duì)重金屬?gòu)U水處理技術(shù)進(jìn)行研究，這是實(shí)現(xiàn)我國(guó)資源可持續(xù)利用的重要手段。

1 重金屬?gòu)U水的來(lái)源和危害

1.1 重金屬?gòu)U水的來(lái)源

重金屬?gòu)U水的來(lái)源主要與化工生產(chǎn)、礦山開采等行業(yè)有關(guān)。另外，不同企業(yè)產(chǎn)生的廢水中重金屬元素含量及狀態(tài)也存在一定差異，導(dǎo)致水污染原因可能存在一些差別。

1.2 重金屬?gòu)U水的危害

重金屬?gòu)U水中含有如鋅、銅、鐵等人體必需的微量元素，如果元素含量超標(biāo)，就會(huì)對(duì)人體健康造成危害。這些微量元素還可以參與人體糖的代謝過(guò)程，不過(guò)在微量元素超標(biāo)的情況下會(huì)嚴(yán)重危害人體健康。比如，過(guò)量的Zn會(huì)導(dǎo)致人體免疫力下降，過(guò)量Fe會(huì)損傷人體肝臟系統(tǒng)，過(guò)量Cu會(huì)導(dǎo)致人體新陳代謝紊亂[2]。生活或工業(yè)污水中含有大量的重金屬元素，如果未經(jīng)處理就排放，這些重金屬元素很可能通過(guò)飲水、食品進(jìn)入人體，最終導(dǎo)致人體攝入的微量元素超標(biāo)，嚴(yán)重?fù)p害人體健康。

2 重金屬?gòu)U水處理的特點(diǎn)及必要性

重金屬?gòu)U水的濃度越高造成的危害越大。由于重金屬具有富集性且難以自然降解，因此重金屬?gòu)U水所造成的污染十分持久，并且重金屬多數(shù)可以被微生物甲基化，導(dǎo)致重金屬的毒性大幅提升，這些甲基化重金屬在生物的富集作用下，可能會(huì)通過(guò)食物進(jìn)入人體，從而對(duì)人體健康造成危害。重金屬常常會(huì)隨著微生物吸附、底泥富集等進(jìn)入人體，導(dǎo)致集體發(fā)生中毒反應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)對(duì)人類下一代的健康造成危害。在重金屬?gòu)U水中通常含有汞、鉛、銅、砷等元素及其他化合物，在水中可以通過(guò)魚類、水生植物沿著食物鏈進(jìn)行傳遞。通過(guò)對(duì)這些重金屬?gòu)U水進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，人體在發(fā)生重金屬中毒時(shí)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)體活性酶、蛋白質(zhì)失活，使機(jī)體代謝紊亂。由于重金屬離子無(wú)法自然降解和正常排出，必然會(huì)嚴(yán)重?fù)p害人體健康，因此相關(guān)部門必須要加強(qiáng)對(duì)重金屬?gòu)U水的管理，采用合適的處理方法，盡量降低水中重金屬離子的濃度。

3 常用的重金屬?gòu)U水處理技術(shù)分析

3.1 物理處理技術(shù)

物理處理技術(shù)有很多種，也是重金屬?gòu)U水處理技術(shù)中成本相對(duì)較低、靈活性較強(qiáng)且操作非常方便的處理技術(shù)。物理處理技術(shù)對(duì)廢水中有毒成分的敏感度較低，有助于去除廢水中的有毒有害物質(zhì)，在目前的重金屬?gòu)U水處理中頗受青睞。

3.1.1 離子交換法

離子交換法是將廢水中的重金屬元素與離子發(fā)生交換和接觸，通過(guò)接觸樹脂膜上的活性基團(tuán)，使離子間產(chǎn)生可逆交換反應(yīng)，再通過(guò)離子交換的方式，達(dá)到有效去除廢水中重金屬元素的目標(biāo)。該技術(shù)有助于減少?gòu)U水中重金屬元素的含量，具有節(jié)省處理成本的作用。該方法還具有操作便捷、處理水量大、處理效果好等特點(diǎn)。但需要注意，在運(yùn)用離子交換法的過(guò)程中，離子交換劑存在被氧化的風(fēng)險(xiǎn)，這會(huì)導(dǎo)致離子交換劑失效，因而在離子交換法使用不當(dāng)?shù)那闆r下容易造成二次污染。因此，在實(shí)際處理重金屬?gòu)U水過(guò)程中，還需要了解廢水中重金屬元素的濃度，而重金屬濃度較高或水質(zhì)波動(dòng)較大的廢水不宜采用離子交換法。

3.1.2 溶劑萃取分離法

應(yīng)用溶劑萃取分離法，可以將廢水中的重金屬元素分離、富集和回收，該方法具有操作成本低、操作便捷、能源消耗低等特征，在分離污水中的重金屬元素過(guò)程中具有良好的表現(xiàn)。在實(shí)際萃取過(guò)程中，需要采用相應(yīng)的萃取劑，萃取劑的好壞決定了廢水處理的實(shí)際效果[3]。目前，常用的萃取劑包括酸性、中性、堿性和螯合類萃取劑。在實(shí)際應(yīng)用該方法時(shí)，需要認(rèn)識(shí)到該方法限制條件較多，這是因?yàn)檩腿》▽儆谝环N兩相間傳質(zhì)過(guò)程，因此必須選擇合適的萃取劑。

3.1.3 吸附法

采用吸附法對(duì)重金屬?gòu)U水進(jìn)行處理，大致可以分為兩個(gè)步驟。首先將廢水中的重金屬元素吸附至吸附劑表面，然后在沉淀池中對(duì)廢水中的重金屬元素進(jìn)行沉淀處理，從而去除廢水中的重金屬。在實(shí)際處理重金屬元素的過(guò)程中，往往會(huì)用到物理吸附和化學(xué)吸附兩種手段，而綜合應(yīng)用物化處理方法有助于提高重金屬?gòu)U水的處理效果。吸附法與溶劑萃取分離法有一定的相似之處，合理選擇吸附劑是該方法成功的關(guān)鍵。例如由于活性炭具有微孔數(shù)量多、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、吸附表面積大等特征，常用于作吸附劑，在處理重金屬?gòu)U水過(guò)程中能夠發(fā)揮出較強(qiáng)的吸附能力。另外，納米材料的表面積較大、表面原子較多，因此納米材料也具有較強(qiáng)的吸附能力，近年來(lái)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)。另外，生物吸附法不僅操作便捷，而且在實(shí)際處理過(guò)程中不容易對(duì)環(huán)境造成二次污染。

3.1.4 膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)主要是借助滲透膜具有的選擇透過(guò)性功能，利用膜截留重金屬?gòu)U水中的大分子物質(zhì)，處理重金屬?gòu)U水中的各類污染物，但是膜分離技術(shù)的使用比較有局限性，不能截留分子過(guò)小的污染物。膜分離技術(shù)通過(guò)反滲透、超濾、納濾、微濾等方式對(duì)重金屬?gòu)U水進(jìn)行處理，具有處理效果好、占地面積小、能耗相對(duì)低的特點(diǎn)。盡管這種技術(shù)還存在價(jià)格上的限制，但是整體的處理效果也彌補(bǔ)了其他技術(shù)的不足。但膜分離技術(shù)容易出現(xiàn)膜污染、膜堵塞等問題，因此相較于其他重金屬?gòu)U水處理技術(shù)，膜分離技術(shù)的應(yīng)用需要投入較高成本，在實(shí)際操作中還可能會(huì)受油污、微生物以及固體顆粒的影響，導(dǎo)致膜的性能下降，這些因素容易影響膜分離技術(shù)在重金屬污水處理中的應(yīng)用效果。

3.2 化學(xué)處理方法

重金屬?gòu)U水處理中的化學(xué)處理方法，可以分為吸附法、電解法、沉淀法幾類。其中，化學(xué)沉淀法的作用機(jī)理主要可以分為兩類，首先是重金屬元素的置換反應(yīng)，其次是重金屬元素的沉淀作用，可以使用各種沉淀劑對(duì)廢水中的重金屬元素進(jìn)行處理。電解法主要是通過(guò)兩極的氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水中重金屬元素的富集，達(dá)到分離和回收廢水中重金屬元素的目標(biāo)?；瘜W(xué)吸附法主要是利用吸附劑，使吸附劑表面的活性基團(tuán)與重金屬元素發(fā)生反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水中重金屬元素的處理[4]。需要注意的是，物理吸附法與化學(xué)吸附法在處理重金屬元素的過(guò)程中，雖然都是利用吸附劑實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬元素的處理，不過(guò)二者對(duì)重金屬?gòu)U水的作用機(jī)理存在明顯差異。

3.3 生物處理法

通常情況下，微生物或植物能有效處理廢水中的重金屬元素，一些生物具有很強(qiáng)的富集性，能有效吸附重金屬，并具有絮凝的功能。生物處理方法可以分為植物修復(fù)、生物絮凝和生物吸附。

3.3.1 植物修復(fù)法

植物修復(fù)法是利用高富集植物對(duì)重金屬元素進(jìn)行處理，常用于土壤中重金屬元素的處理，處理重金屬?gòu)U水也有良好的效果。利用高富集植物對(duì)廢水中的重金屬元素進(jìn)行吸收、富集和沉淀，可以降低廢水中重金屬元素的活性，有助于控制重金屬元素向周邊環(huán)境擴(kuò)散，隨后通過(guò)對(duì)重金屬進(jìn)行富集、萃取、輸送等一些操作，可以將重金屬元素富集于植物的根系部位，然后對(duì)植物進(jìn)行收割，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬?gòu)U水的處理，這樣不僅可以降低重金屬?gòu)U水給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)的污染，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬元素的回收和利用，而且該方法不易對(duì)環(huán)境造成二次污染，屬于一項(xiàng)環(huán)境友好型的技術(shù)。該技術(shù)還具有凈化、美化環(huán)境的效果，通過(guò)植物還可以回收大量貴重的重金屬，有助于提高重金屬?gòu)U水處理的經(jīng)濟(jì)效益，屬于一種兼具經(jīng)濟(jì)、環(huán)保特征的技術(shù)手段。

3.3.2 生物絮凝法

生物絮凝法主要是利用微生物對(duì)重金屬元素具有較強(qiáng)的絮凝和沉淀作用，生物絮凝法的運(yùn)用過(guò)程幾乎不會(huì)造成二次污染，且具有較高的處理效率，屬于一種無(wú)毒無(wú)害的處理方式，而且對(duì)絮凝物的分離也十分便捷，當(dāng)然選擇合適的生物絮凝劑也非常重要。

3.3.3 生物吸附法

生物吸附法相較于傳統(tǒng)吸附法具有較強(qiáng)的吸附能力，相較于其他物化處理技術(shù)，生物吸附法屬于一項(xiàng)環(huán)境友好型的處理技術(shù)，目前受到許多國(guó)家和地區(qū)的青睞，比如花生、蛋殼、甜菜渣、向日葵等已經(jīng)開始被研究制成生物吸附劑，可以去除廢水中的重金屬元素[5]。

4 重金屬?gòu)U水處理中的資源利用

目前，我國(guó)在重金屬?gòu)U水處理過(guò)程中，應(yīng)盡可能使重金屬?gòu)U水排放達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還需要做好重金屬?gòu)U水的循環(huán)利用，提高資源利用率。當(dāng)前，在處理和應(yīng)用重金屬?gòu)U水的過(guò)程中，沉淀法、膜處理技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛，在廢水處理和資源回收等方面具有較強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，有助于提高水資源以及重金屬的回收率，大幅降低廢水中重金屬元素的濃度，快速實(shí)現(xiàn)集約利用資源、綠色化發(fā)展等目標(biāo)。

由于重金屬?gòu)U水的組成成分十分復(fù)雜，選擇并應(yīng)用科學(xué)化的處理方式，不僅可以對(duì)廢水中的重金屬進(jìn)行回收利用，還可以起到改善水文生態(tài)環(huán)境的作用。比如，在有色金屬加工酸洗過(guò)程中，其工業(yè)廢水中可能會(huì)含有大量的Fe、Hg、Cd等重金屬元素；礦山開采過(guò)程產(chǎn)生的廢水中會(huì)含有大量的礦物質(zhì)和重金屬元素；部分輕工業(yè)在生產(chǎn)農(nóng)藥、制造顏料的過(guò)程中，也會(huì)排放大量含有超標(biāo)重金屬元素的廢水。為了進(jìn)一步保護(hù)生態(tài)環(huán)境，采用各種重金屬?gòu)U水處理技術(shù)，不僅可以降低重金屬?gòu)U水對(duì)環(huán)境帶來(lái)的危害，還可以通過(guò)絮凝、吸附、沉淀等方式回收利用重金屬。比如，化學(xué)處理法主要是將廢水中的重金屬元素通過(guò)與堿發(fā)生反應(yīng)形成鹽沉淀；物理法主要是通過(guò)在廢水中添加吸附劑，實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水中重金屬元素的吸附。在實(shí)際處理重金屬?gòu)U水的過(guò)程中，需要綜合考慮各種條件，選擇最合適的處理技術(shù)[6]。在企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，如果大量含有重金屬元素的廢水未經(jīng)處理就排入水中，其中的大量重金屬元素就會(huì)聚集在水底。由于生物法無(wú)法對(duì)重金屬元素進(jìn)行降解，在水體外部環(huán)境發(fā)生變化的情況下，容易對(duì)水生態(tài)環(huán)境造成危害。在水生態(tài)環(huán)境遭受嚴(yán)重污染的情況下，會(huì)導(dǎo)致可用的水資源大幅減少，因此加強(qiáng)對(duì)重金屬?gòu)U水的排放和處理，在降低廢水對(duì)自然生態(tài)造成污染的同時(shí)，還可以加強(qiáng)對(duì)水資源的利用率，避免重金屬元素通過(guò)飲水、食品等途徑進(jìn)入人體，對(duì)人體健康造成損害。在對(duì)重金屬?gòu)U水進(jìn)行回收處理的過(guò)程中，不同處理技術(shù)具有不同的優(yōu)勢(shì)，都可以顯著提高水資源與重金屬的回收和利用率，有助于將水中重金屬元素的濃度控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，因而更符合我國(guó)綠色發(fā)展的要求。

5 重金屬?gòu)U水處理的未來(lái)展望

隨著納米技術(shù)、新型介孔技術(shù)、基因工程等現(xiàn)代技術(shù)的快速發(fā)展，這些技術(shù)的發(fā)展對(duì)推動(dòng)我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)工作有著重要意義。不過(guò)我國(guó)當(dāng)前采取的重金屬?gòu)U水處理技術(shù)還存在一些問題，如經(jīng)濟(jì)效益不高、投資成本較大或存在較高二次污染的風(fēng)險(xiǎn)。雖然部分技術(shù)具有較好的處理效果，但對(duì)于使用環(huán)境要求非常嚴(yán)格，因而目前在重金屬?gòu)U水處理中的應(yīng)用還局限于實(shí)驗(yàn)研究階段。

在對(duì)重金屬?gòu)U水進(jìn)行處理過(guò)程中，除了要加強(qiáng)對(duì)廢水排放末端的處理，還需要加強(qiáng)對(duì)污染排放源頭的把控，因而各企業(yè)要不斷改進(jìn)或引進(jìn)先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，利用清潔生產(chǎn)方式進(jìn)行生產(chǎn)，盡量減少在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排放廢水，降低重金屬?gòu)U水處理的難度。針對(duì)不同行業(yè)產(chǎn)生的重金屬?gòu)U水，還需要有針對(duì)性地選擇處理技術(shù)。例如，如果重金屬?gòu)U水的濃度較高，可以選擇離子交換法、膜分離技術(shù)，也可以采取化學(xué)沉淀法和電化學(xué)方法等綜合手段。

為了進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)重金屬?gòu)U水處理技術(shù)的研究，技術(shù)人員需要不斷改進(jìn)重金屬?gòu)U水的處理方法，研發(fā)新材料，綜合考慮重金屬?gòu)U水處理的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益。同時(shí)，可以綜合采取多種技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬?gòu)U水的綜合治理，最大限度地減少?gòu)U水中的重金屬離子等污染物，盡可能減少二次污染，為后續(xù)廢水的資源化利用創(chuàng)造良好條件。

在經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的背景下，不可再生資源的消耗進(jìn)一步加劇，尤其是重金屬等價(jià)格比較昂貴的資源，在國(guó)際形勢(shì)不斷變化的過(guò)程中，重金屬等礦產(chǎn)資源的價(jià)格也在不斷上升。由于工業(yè)生產(chǎn)以及人們的生活始終離不開重金屬，因此未來(lái)在重金屬資源儲(chǔ)備量不斷下降的過(guò)程中，工業(yè)生產(chǎn)將逐步向著節(jié)約、集約、循環(huán)的方向發(fā)展。在對(duì)重金屬?gòu)U水進(jìn)行處理的過(guò)程中，除了要實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水的資源化利用外，還需要考慮對(duì)重金屬的回收和利用。現(xiàn)階段，重金屬?gòu)U水處理采用的各種技術(shù)方法，如電滲析法、離子交換法、反滲透法等主要是通過(guò)在不改變重金屬離子化學(xué)形態(tài)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水中重金屬離子的濃縮與分離，并實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬離子的資源化利用。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)重金屬?gòu)U水處理和資源回收中的各項(xiàng)技術(shù)手段進(jìn)行分析可知，不同類型的處理技術(shù)具有不同的優(yōu)勢(shì)和弊端，因此，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，要綜合考慮成本、效果、效率及回收等條件，選擇合適的重金屬污水處理工藝，避免在實(shí)際處理中造成二次污染，最大限度地避免重金屬?gòu)U水對(duì)生態(tài)環(huán)境以及人體健康造成的傷害。