重金屬污染水體危害問題及處理技術進展

摘要：指出了水體重金屬污染的來源為工業生產。針時該現象，研究了重金屬在水體、大氣和土壤之間的相互轉化與關聯，因重金屬污染水體對動植物和人類有巨大的危害，故著重闡述了幾種常見的重金屬污染水體處理技術及其進展，如吸附法、化學沉淀法和生物法。通過對這幾種方法的基本原理與近些年的研究結果的分析，為后期重金屬污染水體治理人員提供相應參考。

關鍵詞：重金屬;水體;處理技術

中圖分類號：X52 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2020）04-0058-03

1 水體重金屬污染現狀

銅、鉛、鋅、鎳、鉻、鎘、汞和非金屬砷等的相對密度大于4.5的金屬稱為重金屬，這些重金屬及其化合物在水中的濃度超過限度難以自凈，就會造成水體重金屬污染。據調查，我國七大水系（珠江水系、長江水系、太湖水系、黃河水系、松遼水系和海河水系）均受到了重金屬污染，河流流域、人口分布和季節的不同所呈現的污染狀況也不甚相同[1]。

2 水體重金屬污染來源

水體中的重金屬來源主要有人為因素和自然因素，造成重金屬污染的原因絕大多數是人為因素。

2.1 工業生產

工業活動迅速發展的同時，隨之而來的環境污染也不可小覷。很多工業生產所排放的含有中間屬污染的廢水極大程度的污染了河流與地下水，導致水體重金屬含量超標。例如制革、電鍍、造紙行業排放的含鉻廢水、鉛酸蓄電池產業所排放的含鉛廢水也超過了國家排放標準[2]還有有色金屬的開采與冶煉、電子產業等會排放出含鎘廢水[3]。

2.2 污染物質相互遷移

除了工業生產造成的污染外，被重金屬污染的大氣和土壤也會造成水體的重金屬污染。首先，大氣沉降可以造成水體重金屬污染。含鉻廢氣排放到大氣中，形成了氣凝膠，通過大氣沉降進入水體，造成了水體重金屬污染。戰雯靜[4]對長江口青草沙水庫和長興島大氣中重金屬與水體中重金屬的含量進行了監測和對比，研究結果表明大氣沉降可能是長江口水中重金屬的重要來源之一。其次，土壤重金屬污染也會造成水體重金屬污染。工業活動產生的廢渣隨意、不規范的堆放在場地上，由于降雨和下滲作用污染了土壤。污染的土壤進而污染地下水造成了水體重金屬污染。

水體、大氣、土壤這三者重金屬污染都會相互遷移和轉化，使污染情況趨于復雜。

3 水體重金屬危害

水體重金屬污染通常會對水中的動植物和人類有害。水中的重金屬通過生物富集積累在水生動植物體內且通過食物鏈又富集在人體內，對人體造成危害。

3.1 對水生植物的危害

目前，最能解釋重金屬對水生植物危害作用的是自由基傷害理論。通常情況下，許多酶促反應和某些低分子化合物的自動氧化都會產生活性氧。水生植物在長期的進化過程中，在體內形成了SOD、CAT和POD酶組成的有效的清除活性氧的酶系統。它們在一定范圍內及時清除機體內過多的活性氧，以維持自由基代謝的動態平衡，能維持水生植物體內活性氧自由基的較低水平，從而避免了活性氧對水生植物細胞的傷害。由于重金屬能導致水生植物體內活性氧產生速率和膜脂過氧化產物明顯上升，使得水生植物體內活性氧自由基的產生速度超出了水生植物清除活性氧的能力，因而引起細胞損傷。這是重金屬對水生植物產生毒害的一個重要機制[5]。重金屬對植物的毒性表現在抑制植物生長、降低呼吸和光合作用、降低植物對營養物質的吸收能力、改變蛋白質及酶的活性和改變細胞的膜透性。

3.2 對水生動物的危害

水生動物通常以水藻和浮游生物為食，重金屬對水生動物的危害主要表現通過食物鏈將環境中的重金屬富集在動物的體內。王召根[6]研究了Cu²⁺和Cd²⁺對泥蚶的毒害作用，結果顯示Cu²⁺和Cd²⁺粒子濃度越高，泥蚶存活率越低，毒性作用大小為Cu>Cd。李華[7]研究了重金屬對淡水魚的毒害作用及重金屬在體內的富集情況，結果顯示Cd在淡水魚體內富集程度分別為：肌肉<腮絲<腎臟<肝臟<血液。此外水生動物還可能在呼吸時通過腮將重金屬富集在體內，或是身體表面和水體接觸時發生的滲透交換作用。

3.3 對人體的傷害

重金屬可以通過呼吸作用、與皮膚接觸或者消化系統富集在人體內。通常來說，Zn²⁺、Cu²⁺等是人體不可缺少的微量元素，微量存在于身體中有益人體健康，但過量就會危害人體健康。比如20世紀50年代發生在日本的“水誤病”，就是由于水體汞污染，汞通過食物鏈富集在了人體內。汞會損傷人的神經中樞系統。同一時間日本還發生了人由于人們長期飲用含鎘水和食用含鎘大米引發的“骨痛病”。鉻作為一種變價金屬，三價鉻毒性較低且是人體所需微量元素，但六價鉻有劇毒，可通過以上3個途徑進入人體，對人體皮膚和呼吸道都有毒害作用，嚴重時可以致癌。其余鉛、砷、銅等均對人體有毒害作用。

4 水體重金屬污染處理技術

由于重金屬多數價態較多，且賦存形態有時會隨著pH值等外界因素而改變，故處理工藝復雜多變，下面為介紹幾種常見的處理方法。

4.1 吸附法

吸附法是目前比較常用的處理方法，原理是利用多孔吸附材料通過靜電吸附、范德華引力等吸附水中的重金屬離子。傳統的吸附材料有活性炭、生物炭、沸石、膨潤土和活性污泥等。目前人們研究的重點多集中于這些材料的改性和升級，并且開發出越來越多廉價新型的吸附材料。黃熙賢[8]以核桃生物炭為原材料，用β環糊精和殼聚糖對原材料進行改性合成的新型材料對水中的鉻離子不僅有良好的吸附作用還具有還原作用。張國威[9]研究了活性污泥對水中Pb（Ⅱ）的吸附機理。結果表明Langmuir和Freundlich等溫吸附線都可以解釋其吸附情況，而且活性污泥對鉛的吸附機理包含靜電吸附、離子交換、微絮凝沉淀、表面絡合等。

4.2 化學沉淀法

化學沉淀法一般通過向水中添加石灰、硫化物、氫氧化物、鐵鹽或鋁鹽等使原本溶解在水中的重金屬離子變成不溶性的沉淀。例如向六價鉻污染水體中投加鋇鹽，使水中原本的HCrO₄變為BaCrO₄沉淀，具體反應式為：

巢猛[10]研究了水中鎳的去除條件，結果表明：調節原水pH值至9.0，投加1.8mg/L聚合氯化鋁，可以將濃度為0.04mg/L的廢水處理到出水在0.02mg/L以下，符合國家排放標準。馬越[11]研究了不同pH值下三氯化鐵、聚合氯化鋁對重金屬鉬的去除效果。結果表明：聚合氯化鋁對水中鉬去除效果優于三氯化鐵，且出水中鐵未超標。

4.3 生物法

正如之前所說，重金屬會富集在動植物體內。根據這一特性，人們不斷發現富集能力強的動植物取富集水中的重金屬，達到污染物轉移的目的。此外，人們還培養出微生物，利用胞外聚合物（EPS）取吸附重金屬離子。

例如譚彩云[12]研究了鳳眼蓮對水中鉛、鋅、鉻離子的短期去除能力及影響因素，結果表明鳳眼蓮對水中重金屬離子去除效果較好，可達90%，對三者的去除能力為：Pb（Ⅱ）>Cr（Ⅲ）>Zn（Ⅱ）。胞外聚合物（EPS）是微生物在一定環境條件下，在其代謝過程中分泌在細胞壁外，用于自我保護和相互黏附，由具有相似或相同結構的化合物通過聚合物而成的有機高分子物質，相對分子量通常在幾千到幾百萬范圍內，并在饑餓環境下為微生物本身提供碳源和能量的一類有機高分子多聚化合物[13，14];它是微生物聚集體（活性污泥、生物膜及顆粒污泥）的主要成分，影響著微生物聚集體的特性并保護微生物免受外界惡劣環境的破壞[15]。EPS普遍存在于生物污泥絮體內部及表面，細胞借助EPS進行物質和能量的傳遞，它的含量及組成對污泥的理化性能以及生物處理系統內部電子流的分配轉移起著重要的作用。EPS都是由一些大分子物質組成的，表面積很大，再加上EPS表面有各種非極性和極性基團，故EPS具有一定的吸附能力。研究發現EPS對不同的重金屬的吸附機理也不同，表現為不同官能團對不同重金屬的吸附能力有大有小。而且，pH值、EPS投加量以及吸附時間均是影響其吸附性能的主要因素[16]。

但生物修復法造價昂貴、目前不能大規模使用，而且重金屬富集在生物體內以后造成的二次污染仍需要處理，所以生物修復方法使用較少。

5 結語

水體重金屬污染危害大、范圍廣，還容易造成土壤和大氣的循環污染，故對水體重金屬污染的治理不能松懈，但僅僅靠污染后采取相關措施處理還是遠遠不夠的，更需要有關執法部門從污染源頭抓起。事前對污染企業普及排污知識及相關法律規定，避免發生亂排現象，污染發生時要及時報告有關部門，積極采取相應措施，避免污染范圍擴大，事后要總結經驗教訓并追究相關責任。如此一來，水中重金屬污染的治理才會更上一層樓。

參考文獻：

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[7]李華.重金屬在淡水魚體內的蓄積、排出機理及其金屬硫蛋白的研究[D].沈陽：東北農業大學.2013.

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[16]鄭蕾.活性污泥胞外聚合物吸附重金屬效能與機制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.

收稿日期;2020-02-04

作者簡介：陳文（1986-），男，工程師，研究方向為高濃度含重金屬廢水處理、重金屬污染土壤修復。