重金屬治理方案淺析

楊燕　李紅藝　楊麗　郭德宇

摘 要：對重金屬廢水的來 源、危害及目前常用的處理技術進行了綜述。包括傳統方法中的化學沉淀法、電化學法、吸附法和膜分離法；新出現的技術方法如納米技術、光催化法、新型介孔材 料和基因工程，以及新興的綜合性處理方法包括絡合—超濾—電解集成技術、膠束增強超濾處理法、微電解—生物膜法復合工藝處理廢水中重金屬。并對上述各方法 的機理、研究進展、優缺點進行了評述，同時展望了處理重金屬廢水的技術和方法的發展趨勢。

關鍵詞：重金屬；技術

中圖分類號：P618.5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2013）-12-0264-02

前言：

水是人類賴以生存和發展的物質，維系著整個社會的發展。近年來隨著工業生產和城 市現代化水平發展。各種廢水大量排放，水中重金屬加劇積累，重金屬污染嚴重，因此重金屬廢水的治理備受國內外科研工作者的重視。本文對重金屬廢水的來源、 危害，幾種處理重金屬廢水的方法及其優缺點和發展趨勢進行了綜述。

1 重金屬廢水的來源和危害

1.1 重金屬廢水的來源

重金屬廢水主要來自礦山坑內排水，選礦廠尾礦排水，有色金屬冶煉廠除塵排水，有色金屬加工廠酸洗水，鍍廠鍍件洗滌水，鋼鐵廠酸洗排水，以及電解、農藥、醫藥、油漆、顏料等各種工業廢水。

1.2 重金屬廢水的危害

重金屬廢水污染具有毒效長，不可降解的特點，可通過食物鏈作用進入人體，并在人體內累積。從而導致各種疾病和機能紊亂。最終對人體健康造成嚴重損害。日本水俁灣由汞中毒造成的“水俁病”，就是重金屬污染給人體健康帶來損害的典型事例。可見，對含重金屬廢水的治理刻不容緩。

2 重金屬廢水的傳統處理方法

2.1 化學沉淀法

2.1.1中和沉淀法

此法是目前工業上應用最廣的方法。向廢水中投加堿中和劑，使廢水中的重金屬形成 溶解度較小的氫氧化物或碳酸鹽沉淀而去除。含銅、鎘、鉻、鉛等電鍍廢水均可采用此法處理，常用的沉淀劑有石灰、碳酸鈉和氫氧化鈉等。其中氫氧化物應用較 多。該法具有技術成熟、投資少、成本低、自動化程度高等優點，在國內外已廣泛應用。例如楊富新[1]在處理廣州銅材廠含銅、鋅離子的污水時，采用了氫氧化物沉淀法，污水pH 從2.17 升至8.50時，Cu2+質量濃度由15.48 mg/L 降至0.39 mg/L，Zn2+質量濃度由107.8 mg/L 降至3.2 mg/L；當pH 從1.82升至9.38 時，Cu2+質量濃度由24.6 mg/L 降至0.1mg/L 以下，Zn2+由10.4 mg/L 降至未檢出；當pH 從2.06 升至10.65 時，Cu2+質量濃度由22.7 mg/L 降至0.13 mg/L，Zn2+質量濃度由112.0 mg/L 降至3.18 mg/L。但該法對于高濃度的廢水分離困難效果較差且會產生含重金屬污泥，并有可能產生二次污染。若廢水中重金屬離子以絡合物形式存在，則有可能使出水中重金屬離子含量不達標。

2.1.2硫化物沉淀法

此法是加入硫化物使廢水中重金屬離子生成硫化物沉淀而除去的方法，與中和沉淀法相比其的優點是：重金屬硫化物溶解度比其氫氧化物的溶解度更低。反應pH值在7-9之間處理后的廢水處理效果更好。其缺點是：硫化物沉淀顆粒小，易形成膠體，硫化物沉淀在水中殘留，遇酸生成氣體，可能造成二次污染。

2.1.3鐵氧體共沉淀法

此法是根據生產鐵氧體的原理處理重金屬廢水能一次脫除多種金屬離子，尤其適用于混合重金屬電鍍廢水的一次性處理，具有設備簡單，投資少，操作方便等特點，同時形成的污泥有較高的化學穩定性，容易進行微分離和脫水處理。此法在國內電鍍業中應用較廣，但在形成鐵氧體過程中需要加熱（約70℃）能耗高，處理后鹽度高，而且不能脫除汞和絡合物。

2.2電化學法

此法指應用電解的基本原 理使廢水中的重金屬通過電解在陽、陰兩極上分別發生氧化還原反應使重金屬富集的方法。根據陽極類型電解法可分為電解沉淀法和回收重金屬電解法。電化學法工 藝成熟，設備簡單，占地面積小，無二次污染，所沉淀的重金屬可回收利用；其缺點：水處理量小，耗電量大，出水水質差，不適合處理低濃度廢水。

2.3 吸附法

2.3.1物理吸附

物理吸附法主要是利用比表面積高或表面具有高空隙結構的物質，如分子篩、礦物質和活性炭等。活性炭是最早、應用最廣的吸附劑，但其價格昂貴使用壽命短。近年來，發現礦物材料也具有很強的吸附能力，如蛇紋石、沸石、硅藻土等。其中，沸石是目前發現的礦物材料中比表面積最大、吸附能力最強的礦物。現今，沸石可用于處理含鉻（主要來源于電鍍鉻、鈍化工序）的工業廢水。采用沸石吸附處理含鉻廢水，要求廢水總鉻質量濃度<300mg/L，沸石處理前六價鉻一般先用硫酸亞鐵還原，再按1：500（m（鉻）：m（沸石））的比例投加沸石。此法只適用于處理低濃度含鉻廢水。同時對吸附鉻后的沸石的處理也有相應要求[2]。

2.3.2樹脂吸附

樹脂中含有的羧基、羥基、氨基等活性基團可與重金屬離子進行螯合形成網狀結構的籠形分子，故能有效地吸附重金屬。其中殼聚糖及其衍生物是處理重金屬廢水的理想材料，學者對此研究甚多。王茹等[3]以工業級殼聚糖（脫乙酰度為83%）為吸附劑，去除水溶液中的Pb2+，在室溫條件下，處理質量濃度為100mg/L的Pb2+溶液時。最佳條件是殼聚糖投加質量濃度2g/L、粒度20～40目、pH6～8、吸附時間15小時，在該條件下Pb2+的去除率99.7%以上，殘余Pb2+的質量濃度不高于0.6mg/L。已達到國家廢水排放標準。近年來，對改性殼聚糖的研究也大量浮現。改性后的殼聚糖吸附容量大速度快、易洗脫、應用范圍廣等優點，但目前大多集中在改性殼聚糖的靜態吸附研究上，實際應用還有一些問題。

2.3.3生物吸附法

此法指借助生物體的化學結構或成分特性來吸附水中的重金屬。生物吸附劑是指凡具有從溶液中分離重金屬能力的生物體及其衍生物。藻類、菌體及一些細胞提取物是主要的生物吸附劑。現今，利用生物吸附去除廢水中重金屬的研究越來越受重視。

2.4膜分離法

此法指利用一種特殊的半透膜在外界壓力下且不改變溶液中化學形態的基礎上，將溶劑和溶質進行分離或濃縮。目前，膜技術包括反滲透、電滲析、超濾、液膜和滲透蒸發等。其中反滲透和超濾膜在電鍍廢水處理中已廣泛使用。大連化物所利用芳香聚酰胺型高分子化合物作為膜材料（DP—1）組裝成反滲透器對去除電鍍廢水中的鎳、鎘效果極佳[4]。液膜法耗能少、分離快，重金屬資源可回收，近年來也已用于小型電鍍廠含Cr3+、Zn2+廢水處理。膜技術設備簡單，占地面積少，使用范圍廣，處理效率高，節能并能實現重金屬的回收，無需化學試劑，不造成二次污染。但膜組件昂貴、使用過程中膜的回受污染和通量會下降。隨著膜技術在廢水領域中的深入研究，將膜技術與其他工藝組合來處理重金屬廢水將成為今后發展趨勢。

3重金屬廢水處理新技術

3.1納米技術及材料

此技術是一門剛開始被研究的新興技術。此技術在水污染治理方面有巨大潛力。納米過濾是一種由壓力作用的新型膜分離過程，介于反滲透與超濾之間。目前，采用納米過濾技術可有效去除鎳、鉻（Ⅵ）、鎘、銅等重金屬污染物（主要來源于工業廢棄物泄漏和工業廢水排放）。

3.2光催化技術

此法是一種環境友好型處理方法，利用光催化劑表面的光生電子或空穴等活性物種，通過還原或氧化反應去除重金屬。目前，光催化法降解廢水中的重金屬還處于實驗研究階段，實驗室最常用的光催化劑是二氧化鈦（TiO2）[5]。近年來，利用半導體TiO2光催化法去除或回收廢水中的Se4+、Cu2+、Hg2+、Ag+和Cr6+等金屬離子的研究備受關注，尤其對Cr6+的研究最為廣泛[6]。光催化法耗能低、無毒性、選擇性好、常溫常壓、快速高效，在重金屬廢水處理中前景好且日益受重視，但實際應用中發光催化法仍還存在諸多問題。

3.3新型介孔材料

據國際理論和應用化學聯合會定義，孔徑介于2～50nm的多孔材料才是介孔材料。介孔材料具有結構有序、孔徑分布窄、孔隙率高、比表面大且水熱穩定性好等優點。因此，介孔材料是當今國際上的研究熱點和前沿之一。現今利用新型高效介孔材料吸附劑處理重金屬廢水仍處于實驗研究階段，吸附劑的價格限制其在工業上的發展。

3.4基因工程技術

Wilson在20世紀90年代嘗試用基因工程技術對微生物進行改造，并將其應用于含汞廢水的治理，取得了較好結果。基因工程技術應用于重金屬廢水的治理指通過轉基因技術，將外源基因轉入微生物細胞中。使之表現出一些野生菌沒有的優良遺傳性狀，從而實現對重金屬Hg、Cu、Cd等高效的生物富集。基因工程處理重金屬廢水目前尚處于實驗研究階段。

4.綜合處理法

4.1絡合-超濾-電解集成技術

該技術[6]的原理圖如右：

圖1絡合-超濾-電解集成技術原理圖

該種方法重金屬可達到100%的去除，超濾的濃縮液可通過電解回收重金屬，從而實現廢水回用和重金屬回收的雙重目的，為重金屬廢水的根治找到了新的出路，十分具有研究意義。

4.2膠束增強超濾處理法

這是一種將表面活性劑和超濾膜耦合起來的新技術[7]。目前，膠束增強超濾使用的表面活性劑主要是有機合成的，如十六烷基氯化吡啶、十二烷基磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉等，但這些有機合成的表面活性劑都有一定的毒性，它們隨著透過液進入到處理過的廢水中，造成了二次污染。因此，有人研究使用天然有機物，如卵磷脂等[8-9]具有表面活性劑功能的天然物來代替這些有機物，這樣即使它進入到處理過的廢水中去，由于它們無毒、易于生物降解，也不會對環境造成二次污染。其優點：工藝簡單、處理效果好、適用于處理濃度較低的重金屬廢水，且其能耗低，處理后的水可回用，通過后處理還可從濃縮液中回收重金屬，因此具有一定的經濟效益。但在已處理的水中會出現少量表面活性劑，相當于有了新的污染。

4.3微電解-生物膜法復合工藝

此工藝將弱電場下的微電解和生物膜吸附重金屬耦合起來，通過復雜的協同作用，達到在同一電生物反應器內有效凈化重金屬電鍍廢水的目的。張敬、姜斌等[10]詳細研究了該工藝。得出在反應循環量和壓縮空氣用量分別為15～30mL/min和0.3m3/h，電鍍廢水pH=4.53，廢水儲槽容積為210L，直流電場電壓3.5V，電流密度為0.877A/m2的情況下對廢水中Zn2+、Cr6+和CN-的去除率均有不同程度的提高，最顯著的是Zn2+的去除率由50.5%提高到72%。此工藝過程簡單，去除重金屬離子效果較好，具有一定的實際意義。

5.展望

（1）重金屬廢水的傳統處理工藝普遍存在成本高、反應慢、易造成二次污染、低濃度廢水處理難等缺點。因此應致力于傳統工藝的改造和新工藝的開發。

（2）吸附法處理重金屬廢水具有高效、簡便和選擇性好等優點，特別是對低濃度、污染性強、其他方法難以有效處理的重金屬廢水具有獨特的應用價值。但目前工業上使用的吸附劑價格昂貴廣泛應用受限，開發廉價、高效的吸附劑將是研究的一個重要方向。同時吸附劑的再生和二次污染也是吸附法處理重金屬廢水中需著重考慮的問題。隨著吸附法在廢水領域研究的進一步深入，對這些控制因素的解決，將會使吸附法進入新的階段。

（3）綜合處理法處理廢水的工藝具有很大的優勢與前景，適合于處理低濃度金屬離子的廢水，具有重大的研究意義。

參考文獻：

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[10]張敬，姜斌.一種處理含重金屬離子電鍍廢水的新工藝[J].精細化工，2005，224）：294-296.

作者簡介：楊燕（1990-01-03），女，本科，環境工程；聯系方式：QQ郵箱：1940734315@qq.com