工業(yè)廢水中重金屬離子的處理方法探析

莊 園，孔德超，薛 楠

（1.山東魯金環(huán)境工程有限公司，山東 濟南 250000；2.山東省環(huán)境保護科學研究設計院有限公司，山東 濟南 250109；3.江蘇中車華騰環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇 常熟 215500）

引言

在世界經(jīng)濟高速發(fā)展的今天，各個國家都在大力發(fā)展工業(yè)經(jīng)濟，而在工業(yè)生產(chǎn)過程中，會使用大量水資源。此外，由于人類的過度破壞，自然環(huán)境中的水資源處于逐年下降的趨勢，再加上干旱以及人口快速增長等因素，最終使水資源短缺問題更加突出。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量廢水會排放到自然環(huán)境中，這些廢水中包含無機污染物與有機污染物。無機污染物中存在的重金屬離子會隨著食物鏈進入人體，如果人體中的重金屬含量超過某一數(shù)值，則會誘發(fā)程度不等的疾病。比如，當人體中的鋅含量大于標準限值時，會出現(xiàn)嘔吐、胃痙攣等癥狀，并且會誘發(fā)腎癌、肺癌等疾病。所以如果不能有效地處理工業(yè)廢水中的重金屬離子，就會加劇人體患病的幾率，不利于人體健康以及城市的發(fā)展?？傊瑸榱烁玫匕l(fā)展經(jīng)濟、保障人體健康，相關部門和企業(yè)需要采取措施妥善處理工業(yè)廢水中的重金屬離子，確?？梢杂行У厝コ渲杏卸?、有害的重金屬離子，從而促進工業(yè)經(jīng)濟的良性發(fā)展[1]。

1 重金屬離子概述

在工業(yè)體系中，化工行業(yè)、冶金行業(yè)以及電鍍行業(yè)的快速發(fā)展，使得工業(yè)廢水的排放量增加。由于工業(yè)廢水中含有重金屬離子，會對生態(tài)水環(huán)境造成嚴重污染。另外，部分工業(yè)企業(yè)為了提高經(jīng)濟收益，不重視廢水處理工作，導致大量未經(jīng)處理的工業(yè)廢水直接排放至自然環(huán)境中，不僅破壞了土壤，水資源與空氣質(zhì)量也每況愈下，從而導致生態(tài)發(fā)展受到了極大的影響。另外，與其他離子相比，重金屬離子不易在自然環(huán)境下降解，而且隨著時間的推移還會逐漸累積，并具有很強的滲透性，一旦進入食物鏈，就會對人類以及其他動物的健康造成威脅。隨著我國不斷加大對工業(yè)廢水中重金屬離子的處理力度，使水環(huán)境治理工作逐漸取得成效，但是工業(yè)廢水中重金屬離子的去除將成為一項長期的任務，這無疑會增加水環(huán)境保護部門的工作強度[2]。

2 重金屬離子的危害

在工業(yè)生產(chǎn)中，重金屬離子會隨著工業(yè)廢水排放到自然環(huán)境中。如果將重金屬離子釋放到大氣環(huán)境中，則重金屬離子會在大氣環(huán)境中長久存在。當人體中的重金屬離子濃度達到一定量時，就會出現(xiàn)重金屬中毒的情況，嚴重危害人體健康。在地殼環(huán)境中，鉛、銅、鋅等元素大量存在，并且隨著近年來人類活動的增加，采礦作業(yè)以及冶煉工作等均會導致重金屬離子加速進入到自然環(huán)境中，如果人體中積累了大量鉛元素，不僅會影響腎臟器官，而且也會誘發(fā)高血壓。此外，在城市化高速推進的今天，鎘元素在環(huán)境中的含量也在不斷增加，當人體吸入鎘元素后，將會影響正常的化合物代謝，同時也會損害腎臟與肝臟。當農(nóng)作物中有鎘元素侵入時，不僅會影響農(nóng)作物的正常生長，由于鎘元素會隨著食物鏈進入人體，還會威脅人體健康。因此，為了保護人類健康，相關部門和企業(yè)應高度重視重金屬離子的處理工作[3]。

3 傳統(tǒng)工業(yè)廢水中重金屬離子處理技術

3.1 電化學處理技術

電化學處理技術是常見的工業(yè)廢水處理手段，但是該技術需要耗費大量的電力資源，因而增加了工業(yè)廢水的處理成本。另外，在降解工業(yè)廢水時，電化學處理技術有著不可替代的地位，其可以加快工業(yè)廢水的降解速度。電化學處理技術主要有三種類型，即：電浮選技術、電沉積技術與電絮凝技術。

3.1.1 電絮凝技術

與其他電化學處理技術相比，電絮凝技術具有操作便捷、處理高效等優(yōu)勢。該技術作為工業(yè)廢水處理的手段之一，所需要的電流強度比較小，并且在反應池的幫助下，可以實現(xiàn)對工業(yè)廢水的有效電解，電絮凝反應器示意圖見圖1。

圖1 電絮凝反應器示意圖

在電解池中，陽極材料可使用多種性質(zhì)類似的金屬材料，例如鋁或鐵等。在一定強度的電流作用下，工業(yè)廢水中的重金屬離子會聚集在一起，并且會在廢水中懸浮，隨著通入電流時間的增加，最終所有的重金屬離子會發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象，粘合為一個重金屬顆粒，從而使工業(yè)廢水得到有效處理。電絮凝技術具有良好的穩(wěn)定性，可以形成較大體積的絮凝物質(zhì)，因而降低了重金屬離子的處理難度；缺點則是需要較高的處理成本[4]。在應用電絮凝技術時，不需要額外添加化學試劑，因而不會對環(huán)境造成二次污染，屬于一種環(huán)境友好型技術。在應用電絮凝技術時，技術人員要注意其不能處理無限可溶的污染顆粒，但是對微小膠體粒子具有較高的處理效率。

3.1.2 電浮選技術

在處理工業(yè)廢水中的重金屬離子時，電浮選技術的作用十分重要。該技術通常應用于礦山廢水處理領域，另外還可以有效地處理低濃度廢水，且具有較強的適應性，同時操作便捷，處理成本低，不會對環(huán)境造成二次污染，處理設備的占地面積較小。電浮選技術主要包括以下步驟：（1）由一個電源和兩個電極組組成反應器，污染物則會在反應器中被吸附。在電解水反應的作用下，溶液會釋放大量氧分子與氫分子，使重金屬離子在此過程中形成絮凝體。（2）利用沉降方式從工業(yè)廢水中分離絮凝體。（3）利用過濾手段，完成污染物的收集工作。在反應器的幫助下，可以有效地去除工業(yè)廢水中的重金屬離子，而反應器的功耗則會直接影響重金屬離子的去除效率。因此，在設計反應器時，需要合理選擇電極材料，并合理控制電流密度，嚴格控制操作條件，以確保工業(yè)廢水中的重金屬離子可以有效且安全地去除干凈[5]。

3.1.3 電沉積技術

該技術可以將工業(yè)廢水中的重金屬離子轉(zhuǎn)化為固體顆粒，并且可以在離子導體中沉積，從而成為離子導體的保護膜，保證了離子導體能夠長時間且安全地使用。與其他技術相比，電沉積技術在使用過程中不會有污泥產(chǎn)生，并且可以控制工業(yè)廢水的處理成本，同時也不需要添加任何試劑，所以不存在二次污染問題。電沉積技術所使用的反應器由四部分組成，即：陽極、陰極、電解液與電源，重金屬離子可以在反應器中進行氧化還原反應，并電鍍到陰極表面，從而完成對重金屬離子的處理。工業(yè)廢水中重金屬離子的處理效率與廢液的溫度、濃度以及酸堿度有關，可以通過嚴格控制上述影響因素加快重金屬離子的處理速度。

3.2 物理化學處理技術

3.2.1 化學沉淀法

為了處理工業(yè)廢水中的重金屬離子，可以采用化學沉積法降低工業(yè)廢水中重金屬離子的濃度，確保所處理的工業(yè)廢水可以達到國家排放標準要求。通過化學沉積法可以使重金屬離子與沉淀劑發(fā)生反應并形成固體顆粒，這種固體顆粒具有不溶于水的特性[6]。隨后，利用沉淀及過濾等手段，將重金屬離子與工業(yè)廢水分離。但是在應用化學沉淀法前，需要對工業(yè)廢水的化學成分進行分析，然后再利用有針對性的處理手段加快重金屬離子轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w顆粒的速度，具體反應流程如圖2所示。

圖2 化學沉淀法重金屬去除過程示意圖

3.2.2 離子交換法

所謂離子交換法，是指在一定條件下，離子可逆交換在液相與固相之間發(fā)生，其交換速度與溶液的溫度、酸堿度以及接觸時間等參數(shù)有關。通常來說，利用離子交換法可以將重金屬離子從無機廢水中吸附出來，并且在合適試劑的作用下，可以對重金屬離子進行分離與回收，從而有利于提升重金屬離子的利用率。與其他處理技術相比，離子交換法具有使用成本低、處理效率較高等特點，并且不會產(chǎn)生污泥。圖3為離子交換水處理塔。

3.2.3 吸附法

吸附法是在化學吸附與物理吸附的共同作用下將重金屬離子從工業(yè)廢水中分離出來。在應用吸附法時，吸附劑的作用具有以下作用：（1）在吸附劑的作用下，重金屬離子可以從溶液中滲透到吸附劑表面；（2）吸附劑可以有效地吸附重金屬離子。（3）重金屬離子可以滲透到吸附劑中。

吸附劑不僅可以從農(nóng)業(yè)廢料中提取，也可以從天然材料中提取，所以吸附劑的來源十分廣泛。

4 工業(yè)廢水中重金屬離子處理的新興技術

4.1 膜過濾技術

膜過濾技術包括超濾、微濾、納濾、反滲透與電滲析。超濾膜、微濾膜屬于多孔膜，可以在小于0.2 MPa的壓力下工作。納濾膜的孔徑為1 nm，其工作壓力最大可以為2 MPa。對于反滲透膜來說，由于其為無孔結(jié)構，所以需要與納米孔膜配合使用。電滲析膜屬于分離膜，由陽離子或陰離子交換材料構成，通常在不大于0.3 MPa的條件下使用[7]。

4.2 光催化技術

作為一項新型技術，光催化技術可以利用一定波長的光，在無毒半導體的幫助下完成重金屬離子的處理工作。光催化技術不僅可以高效率地完成重金屬離子去除作業(yè)，而且使用成本低廉，因而具有廣闊的應用潛力。光催化反應是光催化技術的核心，光催化半導體包括硫化物型與氧化物型，光催化半導體具有良好的抗腐蝕性，并且不會破壞環(huán)境[8]。

4.3 納米技術

隨著材料技術的不斷發(fā)展，應用納米材料同樣可以有效去除工業(yè)廢水中的重金屬離子。在處理工業(yè)廢水過程中，可借助納米材料出眾的化學反應特性以及極高的比表面積，加快重金屬離子的去除效率。

近年來，納米磁性氧化物的出現(xiàn)，進一步提升了納米材料的吸附特性。與其他納米材料相比，納米磁性氧化物的穩(wěn)定性更好，比表面積更大，所以成為了工業(yè)廢水處理領域主要使用的納米材料。此外，在納米顆粒材料中，納米零價鐵同樣可以加快工業(yè)廢水中重金屬離子的去除效率，并對重金屬離子進行轉(zhuǎn)化，降低其危害程度。最后，隨著納米技術的不斷發(fā)展，磁性納米顆粒憑借其低廉的價格，成為工業(yè)廢水處理工作中主要使用的納米材料，并且磁性納米顆粒去除重金屬離子的效率同樣十分顯著。

5 結(jié)語

綜上所述，重金屬離子在工業(yè)廢水中大量存在，如果僅依靠自然條件進行處理是非常困難的，并且隨著重金屬離子在自然水環(huán)境中濃度的逐漸提升，將會對人體健康以及水環(huán)境穩(wěn)定發(fā)展帶來負面影響。因此，為了改善水環(huán)境質(zhì)量，消除重金屬離子帶來的風險，相關研究人員要重視工業(yè)廢水中重金屬離子處理方法的研究，不斷提升重金屬離子處理效果，從而確保水環(huán)境質(zhì)量可以持續(xù)變好。