重金屬水體污染與防治對策

高 松

(宿遷市泗洪縣生態環境局，江蘇 泗洪 223800)

1 引言

人類生活和工業活動導致自然水體遭受了多重的污染，其中重金屬污染危害尤其突出。常見的污染性重金屬包括汞、鎘、鉻、砷、鉛等，通常來源于采礦業、冶煉業、一般性化學工業、農業以及人類的生活垃圾。重金屬在水體等環境中蔓延，會逐步在周圍的植物中富集，因為不能有效地排出到體外，會在生態系統中逐漸向高級別的生物中靠攏，而人類也難有效規避，體內積存重金屬，會對多種器官、血管、神經造成傷害，使得人類深受其害[1]。對此探討通過物理學、化學、生物學方法來消除水體中的重金屬污染，是十分必要的。

2 物理方法治理重金屬水污染

對于重金屬污染的水體來說，常見的物理治理方法包括離子交換、吸附、膜分離等技術。相對來說，污染較輕的水體建議采用物理方法進行處理。

2.1 離子交換法

該方法的基本原理是，利用電鍍作為“外力”，使得交換劑中置入的大量離子，與污染水體中的重金屬離子進行交換，從而達到將重金屬離子脫離水體的目的。業界已經研制并應用了大型的離子交換設備，能夠對通過的污水進行快速有效地處理。不僅能夠有效地治理污水，也可以將其中的重金屬進行回收，一舉兩得。胡鳴鳴通過實驗表明，果皮基吸附材料對重金屬離子有吸附作用[2]。

2.2 吸附法

該方法的基本原理是利用一些具有多孔的材料，對重金屬進行吸附。其中最早被納入視野的吸附劑是活性炭，其優點是吸附能力強，高效，但缺點是成本比較高，性價比低，因此很難在工業中得到普及地應用[3]。對此人們開始逐步尋求替代品，包括果膠、膨潤土等都備受青睞[4]。相對于離子交換，吸附方法的優勢能夠消除更高濃度的重金屬離子，且在吸附后，往往能夠使得水體達到國家排放標準，由此獲得了業界的認可。另一方面，所采用的吸附劑，多數是可以繼續循環使用的，由此也一定程度上使得該方法得到更廣泛的使用[5]。在實踐中，一些化學家以及企業研發部通過一些技術優化來選擇更為合適的吸附劑，使得其在吸附中更有針對性，適合某些領域的需求。比如利用硫酸氫鈉作為還原劑的吸收劑，或者尹蕊提出的磁性銅離子印跡聚合物，就可以對多種金屬離子進行吸收，而以有機高分子為主原料的吸收劑，就能夠大量吸收鉛離子[6]。

2.3 膜分離技術

膜分離技術是指基于分子層面利用半透膜篩選不同粒徑分子的混合物，該方法所采用的裝置也比較簡單，具體操作相對便捷。在具體的環境下，根據不同的形式，分為納濾、液膜隔離、電滲析等類別[7]。根據其技術原理可知，可以根據不同的處理對象，設置不同孔徑的膜，由此單層或者多層地達到分離的效果。在實踐中，該方法也會遇到結垢、腐蝕、電極極化等問題。魏棲梧所設計的磁性多壁碳納米管就遇到了相應的問題[8]。

3 化學方法治理重金屬水污染

利用化學方法治理重金屬污染，主要有化學沉淀和氧化還原兩種方法。

3.1 化學沉淀法

利用化學反應的方式，使得重金屬離子生成難以融于水的固體，冷卻沉淀，與水分離[9]。不同的反應形式，對應不同的沉淀方法，包括中和反應、硫化反應、鋇鹽化等。但在實踐中發現，利用該方法進行重金屬的治理，效果并不理想，通常會留有殘余，甚至所得到的水體并不符合國家標準，需要進一步處理[10]。而如果沉淀的固體得不到有效地回收，還會造成固體廢棄物污染。對此近年來業界進行了沉淀方法的升級，比如利用高分子有機物對銅離子進行沉淀，消除后的污水含銅離子量低于國家標準；而利用含鈣磷酸鹽對鉛離子進行沉淀，也具有較好的處理效果[11]。

3.2 氧化還原法

該方法的原理是基于重金屬離子的價態，施加一定的氧化劑或者還原劑，通過化學反應，實得重金屬離子能夠變為固體，或者變為對環境危害輕的物質。在實踐中，一般會將Fe、Cu、FeSO4、NaHSO3、NaBH4作為還原劑，而會將Cl2、O2、O3等作為氧化劑。例如郝漢舟將FeSO4·7H2O作為還原劑，能夠將鉻離子進行很好地清除[12]。

還有一種氧化還原方式，是為重金屬離子的陰極提供電子，使得其能夠分離為金屬物質，由此實現重金屬的回收，但因為需要較大的電能提供，成本較高。對于锎離子來說，基于微電解的方式進行處置，并利用鐵與碳形成電位差，將陽極的锎離子進行還原，基于氧化絮凝使得其形成沉淀，效果較好[13]。但無論如何，化學方法的整體成本依然不夠理想，如果回收的重金屬有較高的價值，則可以抵消這種成本[14]。

4 生物方法治理重金屬水污染

采用生物學方法，包括植物修復、微生物修復兩種常見的方式。

4.1 微生物修復法

微生物的修復原理為，微生物的細胞表膜利用自身的電荷，直接對一些重金屬離子進行吸附；或者微生物所產出的代謝物對金屬離子進行固定[15]。通常微生物能夠產出糖蛋白、多聚糖、可溶性氨基酸等物質，被稱為細胞外聚合物，即EPS，其能夠對金屬離子結合，固定為沉淀物質。為了提升微生物的修復效率和針對性，也可以對微生物進行定向培養[16]。

4.2 植物修復法

植物修復的原理為，植物通過根部固定、吸收富集、揮發等方式將水體中的重金屬轉移到其他位置和植物體內。其中最有效的方式，是植物通過自身的新陳代謝，將根部周邊水體中的重金屬吸附到植物體內，并通過內部新陳代謝的各種生化反應，使得金屬在體內富集[17]。對于廣泛被污染的水體，比如湖泊，在物理、化學方法難以根除的情況下，適合采用植物與微生物結合的方式進行修復，但需要較長的時間[18]。

5 重金屬水污染處理方法的選擇與展望

5.1 方法的選擇

不同的污水處理需求，有不同的處理方法選擇。根據前文的分析可以看出，對于重金屬濃度較低的水體，可以采用膜分離技術進行處置，該方法具有成本低的優勢。如果重金屬濃度較高，則建議采用物理吸附方法，雖然有一定的成本，但效果顯著。而對于較高濃度的污水，利用膜分離技術則很難一次性根除污染。對于自然界被嚴重污染的、面積大的水體，為保持生態環境不受二次破壞，往往會優先選擇生物修復方式[19]。

同時對于多數污水處理來說，因為情況復雜，會對多種技術進行結合，比如處理的重金屬具有回收價值，而單獨采用化學方法處理效果不達標，就建議采用膜分離技術與之相結合[20]。而針對污染物比較多的水體，單一的吸附、過濾等方式不能有效治理時，則需要多種方式輪流治理，最終實現治理效果。

5.2 處理技術的發展展望

重金屬的污染類型多樣，處理的要求也不一樣，對此現有技術也需要創新發展。在物理方法中，離子交換和吸附法的創新之處在于交換劑和吸附劑的不同，比如利用秸稈進行炭化，所生成的生物炭在炭化時間、炭化溫度、原料粒徑的影響下有不同的吸附效果，但預期創新前景有限；膜分離技術則可以通過有機新材料技術的不斷創新，研制具有多種功能與性能的膜，比如孔徑可控可變等，使得重金屬離子能夠分批回收。在化學方法中，最好的創新方向是利用絮凝劑對重金屬離子進行沉淀。在生物方法中，應當有效地利用微生物定向繁衍技術、遺傳工程甚至基因工程技術，使得菌株對重金屬的吸附和富集能力更強，更符合需求。相對其他技術，生物學處理技術的前景更加廣闊，更值得期待。

6 結論

重金屬污染的危害是極其深遠的，現階段人們已經可以利用多種方法來進行防治，其中物理學方法包括離子交換、吸附、膜分離等技術，化學方法包括化學沉淀法和氧化還原法，生物學方法包括微生物修復和植物修復等。對此應當根據污染的具體情況，比如水體面積、重金屬種類和濃度、有無其他污染等，選擇合適的治理方法，有必要的情況下還需要結合多種方法來處理。而在未來隨著新材料技術、基因工程技術的進一步拓展，再結合信息技術的數據分析與智能控制，人們對重金屬污染的處理將更從容。