探究重金屬廢水處理技術和資源利用

傅曉钘，吳雪綺

（1.北京華楊環保科技有限公司，北京 100000；2.杭州知時雨環保科技有限公司，浙江 杭州 310000）

目前，我國面臨著重金屬廢水污染的問題，這種污染主要與化工生產、金屬加工、礦產開采等行業發展有關。受部分原材料特殊性的影響，這些行業在生產過程中會排放大量污水、污物，尤其是這些污水中含有過量的重金屬元素，如砷、汞、鉛等，隨意排放會加劇我國環境污染問題，還有制革企業排放的含鉻廢水，也會通過食物鏈進入人體內[1]，影響人體健康。因此，相關人員有必要對重金屬廢水處理技術進行研究，這是實現我國資源可持續利用的重要手段。

1 重金屬廢水的來源和危害

1.1 重金屬廢水的來源

重金屬廢水的來源主要與化工生產、礦山開采等行業有關。另外，不同企業產生的廢水中重金屬元素含量及狀態也存在一定差異，導致水污染原因可能存在一些差別。

1.2 重金屬廢水的危害

重金屬廢水中含有如鋅、銅、鐵等人體必需的微量元素，如果元素含量超標，就會對人體健康造成危害。這些微量元素還可以參與人體糖的代謝過程，不過在微量元素超標的情況下會嚴重危害人體健康。比如，過量的Zn會導致人體免疫力下降，過量Fe會損傷人體肝臟系統，過量Cu會導致人體新陳代謝紊亂[2]。生活或工業污水中含有大量的重金屬元素，如果未經處理就排放，這些重金屬元素很可能通過飲水、食品進入人體，最終導致人體攝入的微量元素超標，嚴重損害人體健康。

2 重金屬廢水處理的特點及必要性

重金屬廢水的濃度越高造成的危害越大。由于重金屬具有富集性且難以自然降解，因此重金屬廢水所造成的污染十分持久，并且重金屬多數可以被微生物甲基化，導致重金屬的毒性大幅提升，這些甲基化重金屬在生物的富集作用下，可能會通過食物進入人體，從而對人體健康造成危害。重金屬常常會隨著微生物吸附、底泥富集等進入人體，導致集體發生中毒反應，嚴重時還會對人類下一代的健康造成危害。在重金屬廢水中通常含有汞、鉛、銅、砷等元素及其他化合物，在水中可以通過魚類、水生植物沿著食物鏈進行傳遞。通過對這些重金屬廢水進行分析可以發現，人體在發生重金屬中毒時，會導致機體活性酶、蛋白質失活，使機體代謝紊亂。由于重金屬離子無法自然降解和正常排出，必然會嚴重損害人體健康，因此相關部門必須要加強對重金屬廢水的管理，采用合適的處理方法，盡量降低水中重金屬離子的濃度。

3 常用的重金屬廢水處理技術分析

3.1 物理處理技術

物理處理技術有很多種，也是重金屬廢水處理技術中成本相對較低、靈活性較強且操作非常方便的處理技術。物理處理技術對廢水中有毒成分的敏感度較低，有助于去除廢水中的有毒有害物質，在目前的重金屬廢水處理中頗受青睞。

3.1.1 離子交換法

離子交換法是將廢水中的重金屬元素與離子發生交換和接觸，通過接觸樹脂膜上的活性基團，使離子間產生可逆交換反應，再通過離子交換的方式，達到有效去除廢水中重金屬元素的目標。該技術有助于減少廢水中重金屬元素的含量，具有節省處理成本的作用。該方法還具有操作便捷、處理水量大、處理效果好等特點。但需要注意，在運用離子交換法的過程中，離子交換劑存在被氧化的風險，這會導致離子交換劑失效，因而在離子交換法使用不當的情況下容易造成二次污染。因此，在實際處理重金屬廢水過程中，還需要了解廢水中重金屬元素的濃度，而重金屬濃度較高或水質波動較大的廢水不宜采用離子交換法。

3.1.2 溶劑萃取分離法

應用溶劑萃取分離法，可以將廢水中的重金屬元素分離、富集和回收，該方法具有操作成本低、操作便捷、能源消耗低等特征，在分離污水中的重金屬元素過程中具有良好的表現。在實際萃取過程中，需要采用相應的萃取劑，萃取劑的好壞決定了廢水處理的實際效果[3]。目前，常用的萃取劑包括酸性、中性、堿性和螯合類萃取劑。在實際應用該方法時，需要認識到該方法限制條件較多，這是因為萃取法屬于一種兩相間傳質過程，因此必須選擇合適的萃取劑。

3.1.3 吸附法

采用吸附法對重金屬廢水進行處理，大致可以分為兩個步驟。首先將廢水中的重金屬元素吸附至吸附劑表面，然后在沉淀池中對廢水中的重金屬元素進行沉淀處理，從而去除廢水中的重金屬。在實際處理重金屬元素的過程中，往往會用到物理吸附和化學吸附兩種手段，而綜合應用物化處理方法有助于提高重金屬廢水的處理效果。吸附法與溶劑萃取分離法有一定的相似之處，合理選擇吸附劑是該方法成功的關鍵。例如由于活性炭具有微孔數量多、化學性質穩定、吸附表面積大等特征，常用于作吸附劑，在處理重金屬廢水過程中能夠發揮出較強的吸附能力。另外，納米材料的表面積較大、表面原子較多，因此納米材料也具有較強的吸附能力，近年來已經成為國內外關注的焦點。另外，生物吸附法不僅操作便捷，而且在實際處理過程中不容易對環境造成二次污染。

3.1.4 膜分離技術

膜分離技術主要是借助滲透膜具有的選擇透過性功能，利用膜截留重金屬廢水中的大分子物質，處理重金屬廢水中的各類污染物，但是膜分離技術的使用比較有局限性，不能截留分子過小的污染物。膜分離技術通過反滲透、超濾、納濾、微濾等方式對重金屬廢水進行處理，具有處理效果好、占地面積小、能耗相對低的特點。盡管這種技術還存在價格上的限制，但是整體的處理效果也彌補了其他技術的不足。但膜分離技術容易出現膜污染、膜堵塞等問題，因此相較于其他重金屬廢水處理技術，膜分離技術的應用需要投入較高成本，在實際操作中還可能會受油污、微生物以及固體顆粒的影響，導致膜的性能下降，這些因素容易影響膜分離技術在重金屬污水處理中的應用效果。

3.2 化學處理方法

重金屬廢水處理中的化學處理方法，可以分為吸附法、電解法、沉淀法幾類。其中，化學沉淀法的作用機理主要可以分為兩類，首先是重金屬元素的置換反應，其次是重金屬元素的沉淀作用，可以使用各種沉淀劑對廢水中的重金屬元素進行處理。電解法主要是通過兩極的氧化還原反應實現對廢水中重金屬元素的富集，達到分離和回收廢水中重金屬元素的目標。化學吸附法主要是利用吸附劑，使吸附劑表面的活性基團與重金屬元素發生反應，實現對廢水中重金屬元素的處理[4]。需要注意的是，物理吸附法與化學吸附法在處理重金屬元素的過程中，雖然都是利用吸附劑實現對重金屬元素的處理，不過二者對重金屬廢水的作用機理存在明顯差異。

3.3 生物處理法

通常情況下，微生物或植物能有效處理廢水中的重金屬元素，一些生物具有很強的富集性，能有效吸附重金屬，并具有絮凝的功能。生物處理方法可以分為植物修復、生物絮凝和生物吸附。

3.3.1 植物修復法

植物修復法是利用高富集植物對重金屬元素進行處理，常用于土壤中重金屬元素的處理，處理重金屬廢水也有良好的效果。利用高富集植物對廢水中的重金屬元素進行吸收、富集和沉淀，可以降低廢水中重金屬元素的活性，有助于控制重金屬元素向周邊環境擴散，隨后通過對重金屬進行富集、萃取、輸送等一些操作，可以將重金屬元素富集于植物的根系部位，然后對植物進行收割，最終實現對重金屬廢水的處理，這樣不僅可以降低重金屬廢水給生態環境帶來的污染，還可以實現對重金屬元素的回收和利用，而且該方法不易對環境造成二次污染，屬于一項環境友好型的技術。該技術還具有凈化、美化環境的效果，通過植物還可以回收大量貴重的重金屬，有助于提高重金屬廢水處理的經濟效益，屬于一種兼具經濟、環保特征的技術手段。

3.3.2 生物絮凝法

生物絮凝法主要是利用微生物對重金屬元素具有較強的絮凝和沉淀作用，生物絮凝法的運用過程幾乎不會造成二次污染，且具有較高的處理效率，屬于一種無毒無害的處理方式，而且對絮凝物的分離也十分便捷，當然選擇合適的生物絮凝劑也非常重要。

3.3.3 生物吸附法

生物吸附法相較于傳統吸附法具有較強的吸附能力，相較于其他物化處理技術，生物吸附法屬于一項環境友好型的處理技術，目前受到許多國家和地區的青睞，比如花生、蛋殼、甜菜渣、向日葵等已經開始被研究制成生物吸附劑，可以去除廢水中的重金屬元素[5]。

4 重金屬廢水處理中的資源利用

目前，我國在重金屬廢水處理過程中，應盡可能使重金屬廢水排放達到國家標準，同時還需要做好重金屬廢水的循環利用，提高資源利用率。當前，在處理和應用重金屬廢水的過程中，沉淀法、膜處理技術的應用范圍十分廣泛，在廢水處理和資源回收等方面具有較強的應用優勢，有助于提高水資源以及重金屬的回收率，大幅降低廢水中重金屬元素的濃度，快速實現集約利用資源、綠色化發展等目標。

由于重金屬廢水的組成成分十分復雜，選擇并應用科學化的處理方式，不僅可以對廢水中的重金屬進行回收利用，還可以起到改善水文生態環境的作用。比如，在有色金屬加工酸洗過程中，其工業廢水中可能會含有大量的Fe、Hg、Cd等重金屬元素；礦山開采過程產生的廢水中會含有大量的礦物質和重金屬元素；部分輕工業在生產農藥、制造顏料的過程中，也會排放大量含有超標重金屬元素的廢水。為了進一步保護生態環境，采用各種重金屬廢水處理技術，不僅可以降低重金屬廢水對環境帶來的危害，還可以通過絮凝、吸附、沉淀等方式回收利用重金屬。比如，化學處理法主要是將廢水中的重金屬元素通過與堿發生反應形成鹽沉淀；物理法主要是通過在廢水中添加吸附劑，實現對廢水中重金屬元素的吸附。在實際處理重金屬廢水的過程中，需要綜合考慮各種條件，選擇最合適的處理技術[6]。在企業生產過程中，如果大量含有重金屬元素的廢水未經處理就排入水中，其中的大量重金屬元素就會聚集在水底。由于生物法無法對重金屬元素進行降解，在水體外部環境發生變化的情況下，容易對水生態環境造成危害。在水生態環境遭受嚴重污染的情況下，會導致可用的水資源大幅減少，因此加強對重金屬廢水的排放和處理，在降低廢水對自然生態造成污染的同時，還可以加強對水資源的利用率，避免重金屬元素通過飲水、食品等途徑進入人體，對人體健康造成損害。在對重金屬廢水進行回收處理的過程中，不同處理技術具有不同的優勢，都可以顯著提高水資源與重金屬的回收和利用率，有助于將水中重金屬元素的濃度控制在適當范圍內，因而更符合我國綠色發展的要求。

5 重金屬廢水處理的未來展望

隨著納米技術、新型介孔技術、基因工程等現代技術的快速發展，這些技術的發展對推動我國生態文明建設工作有著重要意義。不過我國當前采取的重金屬廢水處理技術還存在一些問題，如經濟效益不高、投資成本較大或存在較高二次污染的風險。雖然部分技術具有較好的處理效果，但對于使用環境要求非常嚴格，因而目前在重金屬廢水處理中的應用還局限于實驗研究階段。

在對重金屬廢水進行處理過程中，除了要加強對廢水排放末端的處理，還需要加強對污染排放源頭的把控，因而各企業要不斷改進或引進先進的生產工藝，利用清潔生產方式進行生產，盡量減少在工業生產過程中排放廢水，降低重金屬廢水處理的難度。針對不同行業產生的重金屬廢水，還需要有針對性地選擇處理技術。例如，如果重金屬廢水的濃度較高，可以選擇離子交換法、膜分離技術，也可以采取化學沉淀法和電化學方法等綜合手段。

為了進一步加強對重金屬廢水處理技術的研究，技術人員需要不斷改進重金屬廢水的處理方法，研發新材料，綜合考慮重金屬廢水處理的經濟、生態效益。同時，可以綜合采取多種技術手段，實現對重金屬廢水的綜合治理，最大限度地減少廢水中的重金屬離子等污染物，盡可能減少二次污染，為后續廢水的資源化利用創造良好條件。

在經濟社會快速發展的背景下，不可再生資源的消耗進一步加劇，尤其是重金屬等價格比較昂貴的資源，在國際形勢不斷變化的過程中，重金屬等礦產資源的價格也在不斷上升。由于工業生產以及人們的生活始終離不開重金屬，因此未來在重金屬資源儲備量不斷下降的過程中，工業生產將逐步向著節約、集約、循環的方向發展。在對重金屬廢水進行處理的過程中，除了要實現對廢水的資源化利用外，還需要考慮對重金屬的回收和利用。現階段，重金屬廢水處理采用的各種技術方法，如電滲析法、離子交換法、反滲透法等主要是通過在不改變重金屬離子化學形態的基礎上，實現對廢水中重金屬離子的濃縮與分離，并實現對重金屬離子的資源化利用。

6 結語

綜上所述，通過對重金屬廢水處理和資源回收中的各項技術手段進行分析可知，不同類型的處理技術具有不同的優勢和弊端，因此，在實際應用過程中，要綜合考慮成本、效果、效率及回收等條件，選擇合適的重金屬污水處理工藝，避免在實際處理中造成二次污染，最大限度地避免重金屬廢水對生態環境以及人體健康造成的傷害。