含重金屬?gòu)U水處理工藝說(shuō)明
含重金屬?gòu)U水處理：為使污水中所含的重金屬達(dá)到排水某一水體或再次使用的水質(zhì)要求，對(duì)其進(jìn)行凈化的過(guò)程。
重金屬指比重大于4或5的金屬，約有45種，通常的重金屬污染，主要是指汞、鉛、鎘、鉻以及砷等生物毒性顯著的重金屬的環(huán)境污染，還包括具有一定毒性的重金屬如鋅、銅、鈷、鎳、錫、釩等。重金屬污染物難以治理，它們?cè)谒w中積累到一定的限度就會(huì)對(duì)水體一水生植物一水生動(dòng)物系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重危害，并可能通過(guò)食物鏈影響到人類(lèi)的自身健康。在礦冶、機(jī)械制造、化工、電子、儀表等工業(yè)中的許多生產(chǎn)過(guò)程中都產(chǎn)生重金屬?gòu)U水，這些廢水嚴(yán)重影響著兒童和成人的身體健康乃至生命，如人體若攝取了過(guò)多的鉬元素會(huì)導(dǎo)致痛風(fēng)樣綜合癥，關(guān)節(jié)痛及畸形，腎臟受損，并有生長(zhǎng)發(fā)育遲緩，動(dòng)脈硬化，結(jié)蒂組織變性等病癥。當(dāng)前，兒童鉛中毒，重金屬致胎兒畸形，砷中毒等事件也屢有發(fā)生，使重金屬污染成為關(guān)系到人類(lèi)健康和生命的重大環(huán)境問(wèn)題。
處理方法
目前，重金屬?gòu)U水處理的方法大致可以分為三大類(lèi)：(1)化學(xué)法；(2)物理處理法；(3)生物處理法。
化學(xué)法
化學(xué)法主要包括化學(xué)沉淀法和電解法，主要適用于含較高濃度重金屬離子廢水的處理，化學(xué)法是目前國(guó)內(nèi)外處理含重金屬?gòu)U水的主要方法。
2.1.1化學(xué)沉淀法
化學(xué)沉淀法的原理是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)使廢水中呈溶解狀態(tài)的重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苡谒闹亟饘倩衔?，通過(guò)過(guò)濾和分離使沉淀物從水溶液中去除，包括中和沉淀法、硫化物沉淀法、鐵氧體共沉淀法。由于受沉淀劑和環(huán)境條件的影響，沉淀法往往出水濃度達(dá)不到要求，需作進(jìn)一步處理，產(chǎn)生的沉淀物必須很好地處理與處置，否則會(huì)造成二次污染。
2.1.2電解法
電解法是利用金屬的電化學(xué)性質(zhì)，金屬離子在電解時(shí)能夠從相對(duì)高濃度的溶液中分離出來(lái)，然后加以利用。電解法主要用于電鍍廢水的處理，這種方法的缺點(diǎn)是水中的重金屬離子濃度不能降的很低。所以，電解法不適于處理較低濃度的含重金屬離子的廢水。
2.1.3納米重金屬水處理技術(shù)
納米材料因其比表面積遠(yuǎn)超普通材料，故同一種物質(zhì)將會(huì)顯示出不同的物化特型，很多新型的納米材料都不斷地在水處理行業(yè)中實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐。被環(huán)保部、科技部、工信部、財(cái)政部四部委聯(lián)合審批立項(xiàng)為“2011年國(guó)家重大科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目”———納米水處理工藝及系列產(chǎn)品，在江西銅業(yè)股份有限公司應(yīng)用取得了歷史性的突破，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。[1]
國(guó)內(nèi)通常采用的重金屬?gòu)U水處理方法，包括石灰中和法和硫化法等。這些傳統(tǒng)的處理工藝，雖然可以將廢水中的重金屬去除掉，但是處理效果并不穩(wěn)定，處理后回收的清水水質(zhì)仍難以確保穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放，而且還會(huì)產(chǎn)生二次污染。納米重金屬水處理技術(shù)不僅能使處理后的出水水質(zhì)優(yōu)于國(guó)家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)且穩(wěn)定可靠，投資成本和運(yùn)行成本較低，與水中重金屬離子反應(yīng)快，吸附、處理容量是普通材料的10倍到1000倍，而且使沉淀的污泥量較傳統(tǒng)工藝降低50%以上，污泥中雜質(zhì)也少，有利于后續(xù)處理和資源回收。有數(shù)據(jù)顯示，同樣是每日處理300立方米重金屬污水量，傳統(tǒng)工藝每天要產(chǎn)生25噸石灰渣污泥，而采用納米技術(shù)后每月只產(chǎn)生25噸納米金屬泥。尤其值得關(guān)注的是，這種污泥中的重金屬單位含量提高了30倍。若以銅冶煉廠的廢水處理為例，其回收的納米銅泥品位已達(dá)到20%，完全可以作為銅礦資源再生利用。
物理處理法
物理處理法主要包含溶劑萃取分離、離子交換法、膜分離技術(shù)及吸附法。
2.2.1溶劑萃取分離
溶劑萃取法是分離和凈化物質(zhì)常用的方法。由于液液接觸，可連續(xù)操作，分離效果較好。使用這種方法時(shí)，要選擇有較高選擇性的萃取劑，廢水中重金屬一般以陽(yáng)離子或陰離子形式存在，例如在酸性條件下，與萃取劑發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，從水相被萃取到有機(jī)相，然后在堿性條件下被反萃取到水相，使溶劑再生以循環(huán)利用。這就要求在萃取操作時(shí)注意選擇水相酸度。盡管萃取法有較大優(yōu)越性，然而溶劑在萃取過(guò)程中的流失和再生過(guò)程中能源消耗大，使這種方法存在一定局限性，應(yīng)用受到很大的限制。
2.2.2離子交換法
離子交換法是重金屬離子與離子交換劑進(jìn)行交換，達(dá)到去除廢水中重金屬離子的方法。常用的離子交換劑有陽(yáng)離子交換樹(shù)脂、陰離子交換樹(shù)脂、螯合樹(shù)脂等。幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就離子交換劑的研制開(kāi)發(fā)展開(kāi)了大量的研究工作。隨著離子交換劑的不斷涌現(xiàn)，在電鍍廢水深度處理、高價(jià)金屬鹽類(lèi)的回收等方面，離子交換法越來(lái)越展現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì)。離子交換法是一種重要的電鍍廢水治理方法，處理容量大，出水水質(zhì)好，可回收重金屬資源，對(duì)環(huán)境無(wú)二次污染，但離子交換劑易氧化失效，再生頻繁，操作費(fèi)用高。
2.2.3膜分離技術(shù)
膜分離技術(shù)是利用一種特殊的半透膜，在外界壓力的作用下，不改變?nèi)芤褐谢瘜W(xué)形態(tài)的基礎(chǔ)上，將溶劑和溶質(zhì)進(jìn)行分離或濃縮的方法，包括電滲析和隔膜電解。電滲析是在直流電場(chǎng)作用下，利用陰陽(yáng)離子交換膜對(duì)溶液陰陽(yáng)離子選擇透過(guò)性使水溶液中重金屬離子與水分離的一種物理化學(xué)過(guò)程。隔膜電解是以膜隔開(kāi)電解裝置的陽(yáng)極和陰極而進(jìn)行電解的方法，實(shí)際上是把電滲析與電解組合起來(lái)的一種方法。上述方法在運(yùn)行中都遇到了電極極化、結(jié)垢和腐蝕等問(wèn)題。
2.2.4吸附法
吸附法是利用多孔性固態(tài)物質(zhì)吸附去除水中重金屬離子的一種有效方法。吸附法的關(guān)鍵技術(shù)是吸附劑的選擇，傳統(tǒng)吸附劑是活性炭。活性炭有很強(qiáng)吸附能力，去除率高，但活性炭再生效率低，處理水質(zhì)很難達(dá)到回用要求，價(jià)格貴，應(yīng)用受到限制。近年來(lái)，逐漸開(kāi)發(fā)出有吸附能力的多種吸附材料。有相關(guān)研究表明，殼聚糖及其衍生物是重金屬離子的良好吸附劑，殼聚糖樹(shù)脂交聯(lián)后，可重復(fù)使用10次，吸附容量沒(méi)有明顯降低。利用改性的海泡石治理重金屬?gòu)U水對(duì)Pb2+、Hg2+、Cd2+ 有很好的吸附能力，處理后廢水中重金屬含量顯著低于污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)。另有文獻(xiàn)報(bào)道蒙脫石也是一種性能良好的粘土礦物吸附劑，鋁鋯柱撐蒙脫石在酸性條件下對(duì)Cr 6+的去除率達(dá)到99%，出水中Cr 6+含量低于國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，具有實(shí)際應(yīng)用前景。
生物處理法
生物處理法是借助微生物或植物的絮凝、吸收、積累、富集等作用去除廢水中重金屬的方法，包括生物吸附、生物絮凝、植物修復(fù)等方法。
2.3.1生物吸附
生物吸附法是指生物體借助化學(xué)作用吸附金屬離子的方法。藻類(lèi)和微生物菌體對(duì)重金屬有很好的吸附作用，并且具有成本低、選擇性好、吸附量大、濃度適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，是一種比較經(jīng)濟(jì)的吸附劑。用生物吸附法從廢水中去除重金屬的研究，美國(guó)等國(guó)家已初見(jiàn)成效。有研究者預(yù)處理假單胞菌的菌膠團(tuán)后，將其固定在細(xì)粒磁鐵礦上來(lái)吸附工業(yè)廢水中Cu，發(fā)現(xiàn)當(dāng)濃度高至100 mg/L時(shí)，除去率可達(dá)96%，用酸解吸，可以回收95%銅，預(yù)處理可以增加吸附容量。但生物吸附法也存在一些不足，例如吸附容量易受環(huán)境因素的影響，微生物對(duì)重金屬的吸附具有選擇性，而重金屬?gòu)U水常含有多種有害重金屬，影響微生物的作用，應(yīng)用上受限制等，所以還需再進(jìn)行進(jìn)一步研究。
2.3.2生物絮凝
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。生物絮凝法的開(kāi)發(fā)雖然不到20年，卻已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有17種以上的微生物具有較好的絮凝功能，如霉菌、細(xì)菌、放線(xiàn)菌和酵母菌等，并且大多數(shù)微生物可以用來(lái)處理重金屬。生物絮凝法具有安全無(wú)毒、絮凝效率高、絮凝物易于分離等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景。
2.3.3植物修復(fù)法
植物修復(fù)法是指利用高等植物通過(guò)吸收、沉淀、富集等作用降低已有污染的土壤或地表水的重金屬含量， 以達(dá)到治理污染、修復(fù)環(huán)境的目的。植物修復(fù)法是利用生態(tài)工程治理環(huán)境的一種有效方法，它是生物技術(shù)處理企業(yè)廢水的一種延伸。利用植物處理重金屬，主要有三部分組成：
(1)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： (2)利用金屬積累植物或超積累植物降
低有毒金屬活性，從而可減少重金屬被淋濾到地下或通過(guò)
空氣載體擴(kuò)散： (3)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(lái)，富集并輸送到植物根部可收割部分和植物地上枝條部分。通過(guò)收獲或移去已積累和富集了重金屬植物的枝條，降低土壤或水體中的重金屬濃度。在植物修復(fù)技術(shù)中能利用的植物有藻類(lèi)植物、草本植物、木本植物等。
藻類(lèi)凈化重金屬?gòu)U水的能力主要表現(xiàn)在對(duì)重金屬具有很強(qiáng)的吸附力。褐藻對(duì)Au的吸收量達(dá)400mg/g，在一定條件下綠藻對(duì)Cu、Pb、La、Cd、Hg等重金屬離子的去除率達(dá)80%~90%。浩云濤等分離篩選獲得了一株高重金屬抗性的橢圓小球藻(Chlorella ellipsoidea)，并研究了不同濃度的重金屬銅、鋅、鎳、鎘對(duì)該藻生長(zhǎng)的影響及其對(duì)重金屬離子的吸收富集作用。結(jié)果顯示，該藻Zn 和Cd 具有很高的耐受性。對(duì)四種重金屬的耐受能力依次為鋅>鎘>鎳>銅。該藻對(duì)重金屬具有很好的去除效果，15μmol/L Cu2+、300μmol/L Zn2+、100μmol/L Ni2+、30μmol/L Cd2+濃度72h處理，去除率分別達(dá)到40.93%、98.33%、97.62%、86.88%。由此可見(jiàn)，此藻類(lèi)可應(yīng)用于含重金屬?gòu)U水的處理。
草本植物凈化重金屬?gòu)U水的應(yīng)用已有很多報(bào)道。風(fēng)眼
蓮(Eichhoria crassipes Somis)是國(guó)際上公認(rèn)和常用的一種治理污染的水生漂浮植物，它具有生長(zhǎng)迅速，既能耐低溫、又能耐高溫的特點(diǎn)，能迅速、大量地富集廢水中Cd、Pb、Hg、Ni、Ag、Co、Cr等多種重金屬。張志杰等的研究結(jié)果表明，干重lkg的風(fēng)眼蓮在7～l0d可吸收鉛3.797g、鎘3.225g。周風(fēng)帆等的 研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)眼蓮對(duì)鈷和鋅的吸收率分別高達(dá)97%和80%。香蒲(Typhao rientaliS Pres1)也是一種凈化重金屬的優(yōu)良草本植物，它具有特殊的結(jié)構(gòu)與功能，如葉片成肉質(zhì)、柵欄組織發(fā)達(dá)等。香蒲植物長(zhǎng)期生長(zhǎng)在高濃度重金屬?gòu)U水中形成特殊結(jié)構(gòu)以抵抗惡劣環(huán)境并能自我調(diào)節(jié)某些生理活動(dòng)， 以適應(yīng)污染毒害。招文銳等研究了寬葉香蒲人工濕地系統(tǒng)處理廣東韶關(guān)凡口鉛鋅礦選礦廢水的穩(wěn)定性。歷時(shí)10年的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效地凈化鉛鋅礦廢水。未處理的廢水含有高濃度的有害金屬鉛、鋅、鎘經(jīng)人工濕地后，出水口水質(zhì)明顯改善，其中鉛、鋅、鎘的凈化率分別達(dá)99．0%，97．%和94．9%，且都在國(guó)家工業(yè)污水的排放標(biāo)準(zhǔn)之下。此外，還有很多草本植物具有凈化作用，如喜蓮子草、水龍、刺苦草、浮萍、印度芥菜等。
采用木本植物來(lái)處理污染水體，具有凈化效果好，處理量大，受氣候影響小，不易造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的重視。胡煥斌等試驗(yàn)結(jié)果表明，蘆葦和池杉兩種植物對(duì)重金屬鉛和鎘都有較強(qiáng)富集能力，而木本植物池杉比草本植物蘆葦具有更好的凈化效果。周青等研究了5種常綠樹(shù)木對(duì)鎘污染脅迫的反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高濃度鎘脅迫下，5種樹(shù)木葉片的葉綠素含量、細(xì)胞質(zhì)膜透性、過(guò)氧化氫酶活性及鎘富集量等生理生化特性均產(chǎn)生明顯變化，其中，黃楊、海桐杉木抗鎘污染能力優(yōu)于香樟和冬青。以木本植物為主體的重金屬?gòu)U水處理技術(shù)，能切斷有毒有害物質(zhì)進(jìn)入人體和家畜的食物鏈，避免了二次污染，可以定向栽培，在治污的同時(shí)，還可以美化環(huán)境，獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益，是一種理想的環(huán)境修復(fù)方法。