基于反滲透技術(shù)的重金屬廢水處理研究

王雁行，何 瀟，王垂?jié)q

（1.浙江中清環(huán)保科技有限公司，浙江 杭州 310000；2.嵊州市環(huán)境保護監(jiān)測站，浙江 紹興 312400；3.天能控股集團有限公司，浙江 湖州 313000）

電鍍、采礦、化工作為工業(yè)發(fā)展中的代表企業(yè)，在生產(chǎn)過程中使用的金屬原材料以及各種化學藥劑，會產(chǎn)生一定的化學反應，所以都會帶來一定數(shù)量的重金屬廢水。而廢水中的重金屬離子在排放到自然環(huán)境中時，只能進行形態(tài)方面的變化或轉(zhuǎn)移，卻無法被自然環(huán)境自行降解。這些在未經(jīng)妥善處理而排放到自然環(huán)境后的廢水，不僅會帶來較為嚴重的水體污染以及水生環(huán)境被破壞的現(xiàn)象，還會通過食物鏈的持續(xù)積累直接危害人們的身體健康。目前，離子交換、電解以及反滲透等在重金屬廢水處理中都是十分常見的技術(shù)方法，但由于我國對重金屬廢水排放后的標準要求相對較高，所以，那些數(shù)量較大并且內(nèi)部重金屬元素成分組成較為復雜的工業(yè)廢水，就需要應用化學、吸附以及反滲透的技術(shù)進行處理。而作為傳統(tǒng)的重金屬廢水處理技術(shù)體系中的代表，化學法和吸附法在運用過程中不但需要較高的成本投入，而且還需要使用數(shù)量較多的化學藥劑，反應過程還較為緩慢，無法人為控制，最終的重金屬廢水處理效果也不理想。但反滲透技術(shù)則是完美規(guī)避了這些傳統(tǒng)重金屬廢水處理方法的弊端，不但能將廢水中的貴重金屬離子得以大范圍回收，還能將其他的有害物質(zhì)一并去除。本文通過研究反滲透技術(shù)在重金屬廢水處理中的實際應用領(lǐng)域以及流程，從而為我國今后在重金屬廢水處理中推廣、應用反滲透技術(shù)提供參考。

1 重金屬廢水的產(chǎn)生源頭以及帶來的環(huán)境污染現(xiàn)狀分析

目前，以我國有關(guān)污水排放方面的標準文件來看，重金屬為其中的第一類污染物，所以，需要遵循封閉零排放的基礎(chǔ)原則要求，禁止與其他廢水進行混合處理，且稀釋之后進行擴散的行為也是我國明令禁止的。同時，還需要由相關(guān)部門在車間或是處理設施的排出口進行水樣取樣分析，以確保重金屬廢水的排放標準能完全符合目前的相關(guān)標準要求。由于金屬行業(yè)的生產(chǎn)制造、電鍍、采礦等是當下重金屬廢水的主要來源。其中，又以冶金工業(yè)廢水為主；而礦山開采帶來的重金屬廢水整體偏酸性。經(jīng)相關(guān)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，重金屬廢水內(nèi)部的成分組成最為復雜，其中的重金屬元素含量以及種類相對較多，這對于自然生態(tài)環(huán)境以及水體環(huán)境的影響十分巨大[1]。這些偏酸性的重金屬廢水在尚未經(jīng)過妥善處理之后排放到自然水體環(huán)境中，會對原生水體環(huán)境及水生生物產(chǎn)生嚴重的影響，也會帶來水生生態(tài)內(nèi)部系統(tǒng)的惡性變化。而重金屬元素在水生生物中的持續(xù)積累也會借助食物鏈不斷在人體中進行積累，當重金屬元素含量累積到一定程度的情況下，將會對人體健康帶來極為嚴重的損害。

通常，重金屬廢水中的重金屬元素存在形態(tài)、含量和種類也會隨著工業(yè)廢水類型的變化而產(chǎn)生一定的不同，其能以氫氧化物、螯合狀態(tài)、絡合狀態(tài)等多種形式存在，而其中的重金屬以離子形態(tài)存在時有著最強的毒性[2]。在人類的歷史發(fā)展進程中，痛痛病、水俁病這類疾病是國際社會中最具代表性的重金屬集體中毒事件。在這種情況下，我國黨中央和政府部門高度關(guān)注工業(yè)生產(chǎn)過程中的重金屬廢水處理，并且早在“十二五”規(guī)劃中已經(jīng)出臺了與之相關(guān)的專項規(guī)劃。但由于地方政府部門在重金屬廢水治理過程中存在著資金方面的困難，直接影響了整體的污染廢水治理工作進程，并且，部分地方工業(yè)企業(yè)受經(jīng)濟效益和治理水平等方面的限制，使重金屬廢水的處理未能得到有效的成本投入，導致污水排放與標準要求存在較大的差距，甚至出現(xiàn)重金屬廢水偷排、亂排的現(xiàn)象。但隨著我國有關(guān)重金屬廢水排放以及處理的標準和法規(guī)的陸續(xù)出臺，國家、地方政府加強了在重金屬廢水技術(shù)處理等方面的經(jīng)濟和政策的支持，使重金屬廢水處理工作得到了明顯的進步和發(fā)展。

2 反滲透技術(shù)的運作原理分析

目前，在我國工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的各種重金屬廢水中，以游離狀態(tài)存在的重金屬離子的數(shù)量相對較多，并且成分組成相對較為復雜，但應用反滲透技術(shù)能取得較為良好的處理效果。在重金屬廢水具體處理過程中，反滲透技術(shù)可以在外界施加作用力的影響下，確保廢水中的溶劑能順利通過半透膜，而重金屬離子則會被隔離在半透膜另一側(cè)[3]。由此可以看出，在使用這種技術(shù)進行重金屬廢水處理時，外界施加的作用力數(shù)值必須要遠遠超過溶液原有的滲透壓，并且還需要選擇在透水性方面有著明顯質(zhì)量優(yōu)勢的半透膜。通常，應用于重金屬廢水反滲透處理中的半透膜，其表面的微孔尺寸需要小于一納米，只有這樣才能將重金屬廢水中的重金屬離子和水分子完全隔離。此外，反滲透技術(shù)最早是在20世紀70年代開始引入到重金屬廢水處理工作中，最初只是針對電鍍廢水進行滲透處理，但因該技術(shù)有著良好的處理效果，并且成本投入相對較低，所以，在重金屬廢水處理行業(yè)中得到了廣泛擴展、應用。

3 反滲透技術(shù)在重金屬污染廢水處理中的應用領(lǐng)域分析

3.1 電鍍廢水處理中的技術(shù)應用分析

在工業(yè)企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程產(chǎn)生的電鍍廢水和金屬材料漂洗水中，重金屬離子的含量相對較高，尤其是以鉛、鉻、鎘、鎳這四種重金屬元素含量最高，并且其中存在的氰化物、氯化物會產(chǎn)生對自然生態(tài)環(huán)境和人體健康構(gòu)成威脅的化學物質(zhì)[4]。而作為反滲透技術(shù)在重金屬廢水處理中的首個應用領(lǐng)域，在電鍍廢水處理工作中，通常使用的是脫鹽以及局部滲透的處理方法，主要是針對廢水中游離狀態(tài)存在的重金屬離子進行回收處理。而電鍍鎳廢水中通常會含有數(shù)量較多的鎳離子，鎳作為帶有明顯劇毒性質(zhì)的重金屬離子，也是貴重金屬，因此，鎳的二次回收利用能進一步提高工業(yè)企業(yè)的經(jīng)濟效益。以現(xiàn)階段的反滲透技術(shù)發(fā)展看來，專門用于電鍍鎳廢水的反滲透處理裝置在理論、技術(shù)上發(fā)展都相對較為成熟，而通常使用的都是內(nèi)壓管式或卷式的反滲透組織裝件，所以，鎳金屬元素的回收率基本可以維持在99%左右。

3.2 在其他類型廢水處理中的技術(shù)應用分析

除了電鍍重金屬廢水之外，冶煉以及采礦行業(yè)在生產(chǎn)過程中也會帶來數(shù)量較多的重金屬廢水，通常包含銅、鉛、鎳、鉻、銀的此類金屬離子，而其中的鎳、銀作為較為貴重的重金屬離子需要進行回收利用。通常，在針對這些重金屬離子進行反滲透處理后，不但能進一步提高生態(tài)環(huán)境保護工作的成果，還很好地實現(xiàn)了這類貴重金屬離子的二次回收和利用，也會明顯提高工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)效益。而在偏酸性重金屬廢水的技術(shù)處理過程中，反滲透處理技術(shù)的應用會使銅離子的質(zhì)量濃度控制在0.5 mg/L以下[5]。而且，在處理后的重金屬元素的濃縮液中，銅離子也得到了有效的壓縮處理，回收率基本可以達到100%，這對于提高工業(yè)企業(yè)的經(jīng)濟效益有著明顯的促進作用。

4 反滲透技術(shù)在重金屬廢水處理領(lǐng)域中的應用流程分析

4.1 廢水的預處理環(huán)節(jié)

在重金屬廢水的具體處理過程中，應用反滲透技術(shù)需優(yōu)先關(guān)注廢水的預先處理，這主要是因為在反滲透技術(shù)中運用到的滲透膜對于重金屬廢水中的離子濃度有著一定的數(shù)量要求。而且，只有在經(jīng)過完善的預處理之后，應用反滲透技術(shù)才能實現(xiàn)既定的重金屬離子濃度的控制和降低的目的，且反滲透膜的使用壽命也能夠得到有效延長。因此，在使用反滲透技術(shù)進行重金屬廢水處理時，主要是依靠反滲透膜在外界施加壓力的情況下，對水分和重金屬離子進行分離。但如果重金屬離子濃度極高，則會帶來滲透壓的升高，這時，反滲透膜的分離性能反而會出現(xiàn)下降問題。因此，相關(guān)技術(shù)人員需要在廢水正式處理之前，優(yōu)先針對重金屬離子的原有濃度進行檢測，并通過化學沉淀這類方式對重金屬離子濃度進行削減，隨后再進行反滲透處理。

4.2 操作工藝參數(shù)的合理調(diào)整

由于重金屬在化學和物理的性質(zhì)方面有著不同之處，所以，就要求相關(guān)技術(shù)人員結(jié)合重金屬的性質(zhì)來選擇科學的反滲透技術(shù)的工藝處理參數(shù)。如對鐵、銅、鋅這類重金屬元素而言，只有選擇最為合適的工藝操作參數(shù)，才能發(fā)揮出反滲透處理技術(shù)的效果，從而最終提高污水的排放水質(zhì)。通常而言，在重金屬廢水處理過程中應用反滲透技術(shù)，相關(guān)技術(shù)人員需結(jié)合重金屬廢水中的主要金屬離子含量濃度的檢測結(jié)果來科學選擇反滲透膜。簡單而言，反滲透膜在廢水處理中的重金屬離子和水分的分離效率與pH值之間會呈現(xiàn)出一種明顯的正相關(guān)關(guān)系，并且反滲透膜的類型差異也會在pH值的要求方面有所反應。一般重金屬廢水的整體pH值需要控制在4～7這一范圍內(nèi)，且使用的環(huán)境溫度要低于40 ℃[6]。但在溫度保持不變的情況下，應用反滲透處理技術(shù)會使重金屬廢水的處理濃度隨著膜壓得升高而有所降低。此外，在相關(guān)人員確定反滲透膜所用的膜質(zhì)材料后，還需要控制以及設計重金屬廢水處理過程中的流入量以及處理之后的廢水流出量，以有效削減重金屬元素在反滲透膜表面的堆積，從而避免重金屬元素的長時間積累對反滲透膜帶來的各種不利影響。

4.3 反滲透膜的清洗處理

工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)在進行重金屬廢水的處理工作時，還要考慮到企業(yè)自身經(jīng)濟效益最大化的目標，因此，在應用反滲透技術(shù)時不能頻繁更換反滲透膜。但在廢水的反滲透處理裝置長時間運行以后，反滲透膜的表面會持續(xù)積累無機污垢和金屬氧化物類污染物，而長期積累將會對反滲透裝置的性能產(chǎn)生明顯影響。在這種情況下，就需要工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)定期組織人員進行反滲透膜的化學清洗以及消毒處理。需要注意的是，相關(guān)技術(shù)人員需要結(jié)合選用的重金屬廢水處理反滲透膜的材質(zhì)，以及表面積累的污染物具體種類，來科學選擇清洗劑的類型以及使用的數(shù)量，并定期進行化學清洗和消毒處理，這樣既可以降低反滲透膜表面污垢積累數(shù)量，又能保障反滲透膜的重金屬廢水處理效率。

4.4 廢水的加工處理環(huán)節(jié)

在針對重金屬廢水進行預處理并合理調(diào)整工藝操作參數(shù)之后，就可以直接針對重金屬廢水進行處理。其流程是，重金屬廢水在經(jīng)過水箱、加壓泵以及反滲透膜之后，就可以形成符合我國標準要求的重金屬廢水。而對于二次回收利用的重金屬離子，在具體生產(chǎn)的過程中也會生成一定數(shù)量的濃縮重金屬液，可以在廢水處理完畢之后，再經(jīng)過一系列的化學反應提煉出其中的重金屬離子。需要注意的是，重金屬廢水在整體的工藝操作環(huán)節(jié)中，環(huán)境壓力需要維持在1～10 MPa之間，以確保重金屬廢水能最大程度的通過反滲透膜，并將重金屬粒子進行有效隔離[7]。

在具體的加工處理重金屬廢水過程中，反滲透處理技術(shù)的突出優(yōu)勢是能對帶有明顯放射性的重金屬廢水進行處理。在實際應用中，反滲透技術(shù)也可以視為重金屬廢水的終端處理環(huán)節(jié)，在有效去除廢水中所含有的重金屬離子的同時，還可以對其進行循環(huán)利用。如對于帶有重金屬離子的混合污水在經(jīng)過預先處理之后，可以使用反滲透處理技術(shù)裝置進行過濾處理，最終得到的水分可以用作冷卻水和清洗水源。這不僅能降低新鮮水源的使用數(shù)量，還會使污水的排放數(shù)量得到明顯控制。因此，對于我國水資源匱乏的地區(qū)而言，應用反滲透技術(shù)有著十分重要的意義。

5 反滲透技術(shù)在重金屬廢水處理工作中應用的發(fā)展趨勢分析

5.1 成本投入逐漸下降

隨著相關(guān)科研技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，反滲透技術(shù)逐漸在重金屬廢水處理過程中得到了推廣應用，但由于要考慮企業(yè)經(jīng)濟效益的最大化，所以，必須做到逐步削減應用反滲透技術(shù)的成本投入。其中，反滲透膜作為反滲透技術(shù)處理過程中投入較大的一個環(huán)節(jié)，其選擇的正確與否對反滲透技術(shù)的應用效果以及成本投入都會產(chǎn)生最直接的影響。目前，在我國材料科學持續(xù)發(fā)展的影響下，已研發(fā)出了上百種的反滲透膜，并且價格也較為均衡。這些反滲透膜在重金屬廢水處理的過程中，展現(xiàn)了抵抗重金屬污染等方面的能力差異。此外，隨著重金屬加工處理以及材料科學的持續(xù)發(fā)展，未來的反滲透膜的材料價格也會逐漸下降，這會使得部分規(guī)模較小的工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)也能夠在保障經(jīng)濟效益的前提下，合理的引入反滲透處理技術(shù)。

5.2 在技術(shù)方面的創(chuàng)新及組合應用

現(xiàn)階段，用于反滲透技術(shù)處理中的反滲透膜污染抵抗能力相對較差。但部分專家學者在認識到反滲透膜的缺陷之后，已開始著手研發(fā)污染耐性相對較強的反滲透膜，以及各種特殊的污水處理組件，以進一步降低在重金屬廢水處理過程中反滲透技術(shù)對于廢水水質(zhì)方面的要求，同時，也盡量降低生產(chǎn)成本和處理費用。此外，用于重金屬廢水處理的反滲透技術(shù)可以將相關(guān)的滲透膜系統(tǒng)與超濾、微濾、納濾等系統(tǒng)進行全方位的結(jié)合應用，以便在發(fā)揮不同膜分離技術(shù)優(yōu)勢的前提下，組成一個可用于重金屬廢水處理的完善的反滲透處理系統(tǒng)工程，再配合清洗劑、膏劑這類反滲透藥劑的合理應用，反滲透膜的利用率能得到明顯提高。目前，考慮到反滲透處理技術(shù)工藝的能耗投入相對較高問題，今后可通過反滲透膜的低壓化處理以及配置方面的優(yōu)化，并結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)在重金屬廢水處理方面的具體需求，開發(fā)出處理效果較高、能耗投入相對較低的工藝系統(tǒng)，從而使重金屬廢水的處理效果得到進一步提高。

6 總結(jié)

重金屬廢水作為我國工業(yè)生產(chǎn)過程中必然產(chǎn)生的一種污染副產(chǎn)物，其中的重金屬離子不可自然降解，有著劇烈的毒性，但鎳、銀、銅這類貴重金屬離子卻有著較高的二次回收價值。而反滲透技術(shù)作為我國重金屬廢水處理過程中的現(xiàn)代化技術(shù)成果，目前已在各個工業(yè)行業(yè)的重金屬廢水處理過程中展現(xiàn)出了優(yōu)良性能，同時，在通過完善的廢水預處理、工藝操作參數(shù)調(diào)整以及系統(tǒng)運行之后，重金屬廢水中的重金屬離子含量完全符合我國有關(guān)標準的具體要求。未來，在金屬處理和材料技術(shù)更新的背景下，重金屬廢水處理中的反滲透技術(shù)應用成本投入也會逐漸下降，再配合各種系統(tǒng)技術(shù)的組合應用以及升級優(yōu)化，重金屬廢水的處理效果以及重金屬離子的二次利用率都會得到明顯提高。