重金屬廢水處理技術研究進展及技術經濟效益分析

摘要：印染、電鍍、冶金、采礦等工業過程會產生大量含重金屬廢水，這些廢水若處理不當將對環境造成嚴重污染。本文綜述了當前常見的重金屬廢水處理方法，討論了沉淀法、離子交換法、生物質吸附法、膜法及聯合處理技術等的應用情況，并簡析了每種技術的經濟效益，同時展望重金屬廢水今后的處理方向。

關鍵詞：重金屬廢水;經濟效益;處理;沉淀

0引言

電鍍、化工、機械加工、礦山開采、鋼鐵及有色金屬冶煉等行業是我國國民經濟發展的重要增長點，也是“中國制造2025”的重要增長點，但這些行業在生產過程中所產生的大量含銅、鎳、鉻、鉛、汞、鎘等重金屬廢水，已成為困擾行業發展和環境保護的一大難題。例如，電鍍過程產生的漂洗廢水，含有銅、鋅、鎳等重金屬離子，根據工藝的不同，重金屬離子濃度也有所不同;采礦和金屬加工過程產生的酸性廢水往往含有一種或幾種重金屬離子;與有機物不同，重金屬污染物不容易生物降解，可通過食物鏈進行累積富集，最終進入人體，并對人體產生各種損害。例如，重金屬鎳可引起皮炎、氣管炎、和呼吸器官障礙，嚴重者甚至引起鼻咽癌和肺癌;重金屬鉛會引起心臟病、腎病和貧血等;重金屬汞會引起皮膚病、肝病及水俁病等;重金屬鎘會引起消化系統、腎、骨骼等的不可逆損害。另一方面，隨著水污染問題的日益嚴峻，國家對重金屬廢水的排放要求更加嚴格，環保政策開始引導企業向廢水回用方面發展，加上重金屬又是一種珍貴的資源。因此，經濟有效地處理及回用重金屬廢水，并從中回收重金屬對保障環境和資源安全及人體健康都有重要意義。

本文結合當前重金屬廢水處理情況，介紹常用的重金屬廢水處理技術，包括常作為預處理技術的沉淀法，常作為深度處理技術的離子交換法、生物質吸附法，既可作為預處理也可作為深度處理的膜分離法以及處理有機污染物的生化和高級氧化法。通常難以單獨通過一種技術處理電鍍廢水實現重金屬廢水達標排放，工程上常通過幾種技術聯合處理來達到排放或者回用要求。另外，不同的技術需要的材料、藥劑、投資、人力物力成本也不同，工程上往往綜合考慮處理效果、處理成本及投資成本，最終決定處理工藝。

1?????? 重金屬廢水處理方法

1.1?? 沉淀法

沉淀法是通過向重金屬廢水中添加堿性藥劑如堿石灰、氫氧化鈉等，將重金屬離子轉化為重金屬氫氧化物沉淀，再通過沉淀分離和過濾等工藝，將含重金屬氫氧化物沉淀的污泥分離、脫水，最后通過填埋或焚燒制磚等方式來將重金屬固化。此工藝原理簡單，成本低，但會產生大量含重金屬的污泥，且污泥脫水過程中會產生高濃度重金屬廢水，污泥不僅處理過程復雜，且帶來二次污染問題。另外，此方法適應性較差，若重金屬廢水水質水量變化，則相應的處理效果也會發生變化。如欒鑫宇[1]等采用不同的混凝沉淀劑來處理綜合電鍍污水，研究發現，聚合硫酸鋁、聚丙烯酰胺和聚合氯化鋁對于電鍍廢水均有一定的處理效果，其中以聚合氯化鋁的綜合效果最優。

1.2?? 離子交換法

離子交換法是借助陰離子交換樹脂和陽離子交換樹脂來分別吸附重金屬廢水中的陰離子和陽離子，從而達到凈化的目的。離子交換樹脂的容量決定了其不能直接用于高濃度重金屬廢水的處理，而只能用于最終處理環節。根據進水水質的不同，可構成“混床”“、復床 + 混床”等應用形式，能夠實現廢水的深度處理，樹脂飽和以后，需要將混合的陰離子交換樹脂和陽離子交換樹脂相互分離后，再分別以強堿和強酸再生。再生操作非常繁瑣，且會產生大量再生廢液，這些廢液中含有強酸、強堿及重金屬離子，處理過程復雜。

1.3?? 生物質吸附法

生物質吸附法是利用秸稈、果殼等生物質為原料合成吸附劑吸附處理重金屬廢水中的重金屬離子。由于生物質原料來源廣泛、價格低廉，近年來該方法近年來已成為領域研究熱點。以玉米芯為例[2]，研究者們通過對玉米芯改性合成生物質來處理不同的重金屬廢水，并對其改性機理、吸附機理進行了深入研究，從研究結果來看，該方法是一種很有發展前途的技術。

1.4?? 膜法

膜分離法包括電去離子法、反滲透、超濾、納濾等。其中，電去離子法只能處理低濃度重金屬廢水，因此只能作為深度處理技術。若采用反滲透、超濾、納濾等直接處理重金屬廢水，則相應的膜極易受到污染，大大縮短了膜的使用壽命。即使僅作為最終的深度處理，離子交換膜也需要定期更換，直接增加了處理成本。

1.5?? 生化及高級氧化法

重金屬廢水中往往含有一定量的有機物，常通過生化法或高級氧化法來進行處理，即先進行重金屬預處理，再聯合生化或高級氧化工藝處理其他污染物。高級氧化常采用 Fenton 法。例如張寶等[3]采用 AO 聯合微電解及Fenton 氧化工藝來深度處理上海某電鍍廠漂洗廢水，研究表明，該方法對電鍍廢水的 COD、TN 去除效果較好。

1.6?? 聯合處理技術

由于天然淡水資源的短缺和水污染問題的日益嚴峻，廢水的達標排放已不能滿足當前的環保需求，工程上常常通過預處理和深度處理技術聯合處理，實現重金屬廢水的回用。化學沉淀法和膜法常作為預處理技術，離子交換法和和反滲透、電去離子技術、無膜電去離子技術常作為深度處理技術。利用化學沉淀法、膜分離法處理電鍍廢水的技術已在全球范圍廣泛應用。電鍍廢水經化學沉淀法處理以后，重金屬離子濃度可降低至0.5-20mg/L，尚不能達到回用要求，但同時會產生大量含重金屬的污泥;利用膜技術（一級反滲透），可以更環保地將電鍍廢水中重金屬離子處理至較低濃度，整個過程沒有污泥產生，但膜技術尤其是超濾、納濾和反滲透技術單獨使用，也難以滿足回用要求。為提高水回收率及經濟性，常將化學沉淀法與膜法（主要為反滲透）配合使用，出水重金屬離子濃度可降至更低水平。上述幾類介質可歸類為含重金屬離子濃度數mg/L 的預處理出水。此時，為達到最新環保法中電鍍廢水回用要求，須對該類預處理出水作進一步深度處理。膜分離法中的反滲透作為深度處理技術，操作簡單，處理效果好，但需要要用到反滲透膜，反滲透膜由于老化、污染等問題需要定期更換，因此基建投入大，運行經濟性不佳;而電去離子除鹽技術往往不能直接用于處理該濃度水平的進水。因此工程上往往采用離子交換法，在終端加入“混和離子交換樹脂床”，以除去水中剩余的雜質離子，實現水的回用。

例如房春生等[4]研究了采用氧化還原和化學沉淀工藝作為預處理，生化處理、超濾和反滲透集成膜工藝作為深度處理來處理電鍍漂洗廢水，該電鍍廢水含鉻、銅、鋅、鎳等重金屬，實際應用結果表明，經過該聯合工藝處理以后，處理出水水質較傳統工藝大大提高，重金屬離子濃度不到傳統工藝的1/2，中水回用率達到60%。

2?????? 技術經濟效益分析

化學沉淀法涉及到的成本主要包括化學藥劑、沉淀池、攪拌器等處理設施、污泥的脫水、濃縮、干燥、焚燒等處理處置設施，總的來講，處理成本較高，但一次性投資低，是當前工程上應用得最多的方法。

離子交換法涉及到的成本包括離子交換柱、離子交換樹脂，用于再生失效樹脂的酸堿藥劑、離子交換樹脂再生器等，此方法一次性投資成本與處理成本均為中等水平，但離子交換樹脂再生操作繁瑣，再生過程樹脂損耗較大。

膜分離技術操作簡單，由于需要用到離子交換膜，因此一次性投資成本較高，操作成本主要為處理過程中的電耗，以及離子交換膜的定期更換成本。膜分離法較化學沉淀法和離子交換法成本更高一些。

3?????? 總結

當前化學沉淀法由于其較低的成本在重金屬廢水處理領域得到廣泛應用，但是，該方法不能滿足日益嚴格的環境標準和廢水回用需求。膜分離法和離子交換法等深度處理技術異軍突起，從技術上來說，這些技術可以將重金屬廢水處理到純水水質，但由于其較高的成本而限制了應用。雖然目前對于降低成本的研究已取得很大的進展，但尚不能夠滿足工程上對低成本、高效果的需求。因而可以從離子交換樹脂的再生、離子交換膜的制備等方面入手，研究其機理，開發新方法、新材料來降低這些環節的成本，從而降低整個工藝的成本。另一方面，不管是離子交換法還是膜分離法都能獲得高濃度重金屬濃縮液，這些濃縮液若只含一種重金屬則極易實現回收利用。然而實際工程中，濃縮液往往含有多種重金屬，若能將這些重金屬分離回收，則可實現重金屬廢水真正的閉路循環和綠色處理。

參考文獻：

[1]??? 欒鑫宇，朱佳，張金松等，混凝沉淀處理綜合電鍍廢水試驗探究[J]. 遼寧化工，2020，49（4）：337-343.

[2]??? 王發星，玉米芯的改性及在重金屬廢水處理中的應用研究[J]. 廣東化工，2020，47（11）：176-178.

[3]??? 張寶、施帥帥，生化 + 高級氧化技術深度處理電鍍廢水[J]. 水處理技術，2019，45（8）：130-132.

[4]??? 房春生，王殿升，推玥等. 電鍍廢水深度處理工藝設計及案例[J].吉林大學學報（地球科學版），2020，50（3）：1-11.

作者簡介：

申小蘭（1988-）從事電化學水處理。