電鍍含鎘廢水的生物處理技術(shù)的應(yīng)用

李建勇

（山西晉新科源環(huán)保科技有限公司， 山西 太原 030024）

在人類長期的發(fā)展過程中，隨著生活水平的不斷提高，也給人類賴以生存的自然環(huán)境帶來了諸多問題。電鍍行業(yè)為人類發(fā)展的各行各業(yè)服務(wù)，是不可缺少的產(chǎn)業(yè)，尤其電鍍行業(yè)中鍍鎘層因具有許多優(yōu)良性能而被廣泛應(yīng)用。然而，電鍍工序會產(chǎn)生大量的廢水，在鍍鎘層時產(chǎn)生的電鍍含鎘廢水如果不經(jīng)處理直接排放，會導(dǎo)致嚴重的鎘污染，進而威脅人類的生命安全。因此，對電鍍廢水尤其是對人類危害極大的電鍍含鎘廢水處理已受到廣泛關(guān)注。

1 鎘污染的危害

近幾年來我國重金屬污染嚴重，尤其鎘污染事件頻繁發(fā)生，致使各界人士對鎘危害研究較多。據(jù)研究顯示，鎘具有穩(wěn)定、積累和不易消除等特點，且鎘毒性較大，目前已被列為重金屬“五毒”之一。鎘污染具有如下危害：

1）重金屬鎘會直接影響動植物的生長發(fā)育，并在動植物體內(nèi)富集，如魚在含鎘質(zhì)量濃度為0.01～0.02 mg/L的水中生活就會中毒。

2）重金屬鎘會在人體內(nèi)形成鎘硫蛋白，并蓄積在腎臟、肝臟中。

3）重金屬鎘會干擾免疫球蛋白的制造等，從而降低機體免能力。

4）鎘會影響骨骼生長代謝，進而造成骨骼疏松、萎縮或變形等。

5）鎘可通過食物鏈富集，引起人體貧血及慢性中毒，嚴重者甚至使人疼痛并失去生命等。

2 含鎘廢水的處理方法

含鎘廢水是對環(huán)境污染最嚴重和危害最大的工業(yè)廢水之一，處理達標要求非常嚴格（總鎘的最高允許排放質(zhì)量濃度為0.1 mg/L）。目前常用的處理方法具體如下：

2.1 化學法

化學法是利用化學試劑添加及化學反應(yīng)原理處理含鎘廢水的方法，主要有中和沉淀法、硫化物沉淀法和鐵氧體法。

1）中和沉淀法。中和沉淀法原理是在含鎘廢水中加入較為廉價的堿石灰（CaO）、消石灰[Ca（OH）2]等中和劑，在堿性條件下，使鎘離子與羥基形成難溶、穩(wěn)定的沉淀物，進而進行鎘去除。中和沉淀法去除率較高，工藝流程相對簡單，但反應(yīng)速度較慢，出水硬度高，且沉渣量大，易造成二次污染。

2）硫化物沉淀法。硫化物沉淀法原理是在含鎘廢水中加入Na2S、NaHS、H2S等硫化劑，通過硫化劑與鎘離子反應(yīng)，形成硫化物沉淀析出，進而除去廢水中的鎘。硫化物沉淀法去除率高，產(chǎn)生的沉渣含水率低，且性質(zhì)穩(wěn)定，但處理費用較高，易產(chǎn)生二次污染。

3）鐵氧體法。鐵氧體法基本原理是在含鎘廢水中加入硫酸亞鐵（FeSO4），使鎘離子形成鐵氧體晶體而沉淀析出，進而除去廢水中的鎘。從效果與成本比看，鐵氧體法具有一定競爭力。同時，鐵氧體即使堆存，因其難溶于水，也不會造成二次污染。但在鐵氧體形成過程中，需很好地控制通氣時間和蒸汽溫度。

2.2 物理化學法

物理化學法指運用物理和化學的綜合作用處理廢水的方法。處理含鎘廢水的物理化學法有吸附法、離子交換法和膜分離法。

1）吸附法。吸附法就是利用多孔性的吸附劑來去除廢水中的鎘。王代芝等[1]研究發(fā)現(xiàn)，pH值是影響含鎘廢水吸附效果的主要原因，在弱堿性條件下，含鎘廢水中鎘的去除率較高。吸附法處理含鎘廢水，操作簡單，去除率高，但控制條件較多。

2）離子交換法。離子交換法原理就是將含鎘廢水通過離子交換樹脂，進而使廢水中的鎘離子與交換樹脂中的離子發(fā)生置換以去除。離子交換法具有操作簡單、效率高、可連續(xù)運行等特點，但樹脂易受污染或氧化失效，再生頻繁，操作費用高。

3）膜分離法。廢水的膜分離技術(shù)有反滲透法、液膜法、微濾等。膜分離法工藝簡單、去除率高，但投資大，膜孔易堵塞。

2.3 生物吸附法

生物吸附法又稱接觸穩(wěn)定法或吸附再生法。生物吸附作為一個新工藝可以用于含重金屬的工業(yè)污水的處理。生物吸附法的基本原理是利用微生物具有像離子交換樹脂一樣的離子交換特性，用于吸附廢水中的重金屬鎘。目前已有人用細菌、真菌、海藻等處理含鎘廢水，效果良好。其中，由于海藻資源豐富，且容易收集，使其在污水處理的環(huán)境應(yīng)用方面有特殊的競爭優(yōu)勢。值得注意的是，生物吸附鎘等重金屬離子后需要脫附再生才可循環(huán)使用，且據(jù)研究顯示，目前使用的脫附劑主要強酸、金屬鹽、絡(luò)合物等。

3 生物法在處理重金屬廢水中的應(yīng)用

3.1 生物吸附機理

根據(jù)在溶液中脫除金屬的方式不同，生物吸附有以下幾種機理：

1）靜電吸引。通過溶液中離子和細胞壁間的靜電作用而發(fā)生生物吸附，將陽離子吸附到帶負電荷的功能基團上。

2）離子交換。重金屬離子與細胞物質(zhì)具有較強的結(jié)合能力，菌體表面的一般金屬離子被結(jié)合能力更強的重金屬離子代替。

3）配合作用。在微生物表面，含有能和金屬離子發(fā)生反應(yīng)的各種活性基團，能與金屬離子發(fā)生鰲合或絡(luò)合作用。

4）細胞轉(zhuǎn)化。微生物轉(zhuǎn)化作用與代謝和酶有關(guān)。具體指通過微生物體內(nèi)物質(zhì)將氧化態(tài)重金屬離子還原為無毒性的沉淀。

5）細胞吸收。細胞吸收有主動吸收（活體細胞通過傳輸和沉積兩個過程的主動吸收）和被動吸附（細胞表面覆蓋的胞外多糖等基團以及胞內(nèi)化學基團與金屬的結(jié)合）兩種形式。主動吸收一般只對特定元素起作用，且速度較慢。被動吸附速度較快，與生物活性無關(guān)，是微生物處理重金屬廢水的主要吸收方式。

6）無機微沉淀。指金屬在細胞壁或細胞內(nèi)形成無機沉淀物的過程。

3.2 影響重金屬生物吸附的因素

影響微生物吸附的因素很多，有pH值、光、溫度、金屬離子濃度和共存離子等。

1）pH值。pH值是重要因素，在一定范圍內(nèi)，吸附量隨pH值的升高而增大。

2）溫度。溫度影響不如pH值那樣明顯，但過高或過低的溫度都會使吸附量有所降低。

3）共存離子。共存離子由于與主要離子競爭細胞上有限的帶負電荷的基團，因此大多其他共存離子會使吸附量減少。

4）微生物吸附劑的預(yù)處理。為了不同程度改變微生物吸附劑的吸附能力，對微生物吸附劑進行一些物理、化學預(yù)處理的過程。

3.3 固液分離技術(shù)

固液分離技術(shù)指使生物相和溶液能方便、快捷的分離技術(shù)。主要有微生物的固定化及吸附完成后的固液分離。

1）微生物的固定化。指采用化學或物理方法，如包埋法、交聯(lián)法、吸附法載體結(jié)合法以及無載體固定化等，將微生物固定于限定的空間區(qū)域內(nèi)，使其保持活性并使用。

2）吸附完成后的固液分離。指在微生物吸附完廢水中重金屬離子后，采用一定的方法將微生物與被處理后廢水分離的過程。研究顯示，吸附—浮選法是一種有效的固—液分離方法。如劉振揚等[2]用啤酒酵母在處理含鎘廢水中實現(xiàn)了固液分離。

4 含鎘廢水的生物處理技術(shù)

4.1 電鍍含鎘廢水生物處理技術(shù)的去除機理

含鎘廢水成分復(fù)雜，且毒性較大，若不經(jīng)處理直接排放會影響動植物及人類的健康，所以相關(guān)學者近年來不斷尋求更安全、經(jīng)濟的方法對其處理。目前，研究發(fā)現(xiàn)，電鍍含鎘廢水的生物處理法有較多的優(yōu)勢和較廣闊的應(yīng)用前景，因此被廣泛地研究與應(yīng)用。

電鍍含鎘廢水的生物吸附過程是一個固—液接觸的過程。與傳統(tǒng)的物理化學法相比，電鍍含鎘廢水生物法操作簡單，能耗少，成本低，效率高，且沒有二次污染。電鍍含鎘廢水去除機理往往因菌種的不同而不同，主要機理有無機微沉淀機理、氧化還原機理、表面絡(luò)合機理及離子交換機理等。其中，無機微沉淀指重金屬鎘離子經(jīng)晶核作用，在細胞壁上或細胞內(nèi)沉淀下來；氧化還原機理指金屬鎘離子通過生物體的生理代謝發(fā)生氧化還原反應(yīng)而被去除；表面絡(luò)合機理指生物細胞壁組成物質(zhì)多糖中的氮、氧等原子能與重金屬離子配位相結(jié)合從而被去除；離子交換機理利用一般重金屬鎘離子與細胞質(zhì)具有很強的結(jié)合能力而被去除。

4.2 電鍍含鎘廢水生物強化技術(shù)

目前，一些學者還研發(fā)了生物強化技術(shù)來處理電鍍含鎘廢水。生物強化技術(shù)即在傳統(tǒng)生物處理體系中投加具有特定功能的微生物或某些基質(zhì)，從而改善整個含鎘處理體系的處理效果。生物強化技術(shù)處理電鍍含鎘廢水應(yīng)用主要體現(xiàn)如下：

1）直接投加特效菌。這種特效微生物經(jīng)篩選、培養(yǎng)、馴化后再投加到含鎘廢水中，為治理重金屬鎘污染提供了有效途徑。

2）固定化微生物技術(shù)。此技術(shù)是為了提高優(yōu)勢微生物濃度，用化學或物理手段將優(yōu)勢菌株固定封閉在特定的載體上，從而克服微生物菌體容易中毒、活性少的缺點，進而改善微生物處理重金屬的效果。

3）基因工程技術(shù)。即將外源基因轉(zhuǎn)入微生物細胞中表達，使其能大容量、高選擇性地從水體富集重金屬鎘離子，以達到電鍍含鎘廢水中鎘去除的目的。

5 結(jié)語

近幾年來我國鎘污染事件頻繁發(fā)生，對鎘污染的預(yù)防與控制已迫在眉睫。電鍍行業(yè)為人類發(fā)展各行各業(yè)服務(wù)，是不可或缺的產(chǎn)業(yè)，然而電鍍行業(yè)又是當今全球三大污染工業(yè)之一，且一般電鍍含鎘廢水鎘濃度在處理前都遠高于國家排放標準，因此電鍍含鎘廢水的處理對防治鎘污染意義重大。目前，經(jīng)過研究與實踐證明，生物處理法對于處理含鎘等重金屬廢水有其獨特的優(yōu)勢。為此，今后要對生物處理法處理含鎘廢水尤其是電鍍含鎘廢水進行進一步的研究與工藝優(yōu)化，使其更好地發(fā)揮在水處理方面的應(yīng)用。