重金属废水处理开题报告

中北大学信息商务学院毕业设计开题报告学生姓名:安勇学号:09040142X47学院、系:信息商务学院专业:环境工程设计题目:氨氮废水处理工艺设计指导教师:秦胜东2012年3月10日毕业设计开题报告1．结合毕业设计情况,根据所查阅的文献资料,撰写2000字左右的文献综述:文献综述1.1重金属废水的来源及特点我国从20世纪70年代初开始组织重金属废水处理技术攻关，做了大量的试验研究工作，并以此为基础，从70年代末开始，重金属工业系统陆续建成投产了若干个大型重金属废水处理站，我国的重金属废水处理技术、工艺、设施、综合利用等均已达到了国际先进水平[1]。重金属污染一般是指比重大于5或4的金属或其化合物在环境中所造成的污染；在水环境污染研究中，重金属主要是指铅、镉、汞、铬以及类金属等生物毒性显著的元素。重金属废水主要来源于机械加工、电镀、采矿、化工等部门，具体来自矿山排水、废石场淋浸水、选矿厂尾矿排水、有色金属冶炼厂除尘排水、有色金属加工厂酸洗水、电镀厂镀件洗涤水、钢铁厂酸洗排水，以及电解、农药、医药、油漆、颜料等工业的废水。重金属废水的特点：在没有人为污染的情况下，水体中的重金属含量取决于水与土壤、岩石的相互作用，其含量一般很低，不会对人体健康造成危害。然而，随着城市进程的加快和工农业的迅猛发展，大量未经处理的城市垃圾、污染的土壤、工业和生活污水，以及大气沉降物不断排入水中，使水体悬浮物和沉积物中的重金属含量急剧升高。主要有以下几个特点：（1）天然水体中的重金属浓度虽低，但其毒性长期持续。水体中某些重金属可在微生物作用下转化为毒性更强的金属有机化合物。（2）生物富集浓缩，构成食物链，危机人类。生物从环境中摄取重金属，并在体内或某些器官中富集，其富集倍数可高达成千上万倍，水生动植物、陆生农作物都有这种现象。然后作为食物进入人体，在人体的某些器官中积蓄起来构成慢性中毒，严重危害人体健康。（3）重金属无论用何种处理方法或微生物都不可能降解，只会改变其化合价和化合物种类。天然水体中OH-、Cl-、SO42+、NH+有机酸、氨基酸、腐植酸等，都可以同重金属生成各种络合物或螯合物，使重金属在水中的浓度增大，也可能使沉入水中的重金属又释放出来而迁移。（4）在天然水体中只要有微量重金属，即可产生毒性反应，一般重金属产生毒性的范围大约在1.0～10mg/L之间，毒性较强的重金属如汞、镉等毒性浓度范围在0.001～0.1mg/L等等[2]。1.2重金属废水的危害重金属废水污染具有毒效长，生物不可降解的特点，可通过食物链作用进入人体，并在人体内累积。从而导致各种疾病和紊乱，最终对人体健康造成严重损害。其中主要金属污染源有Cu、Zn、Hg、Ni、Cd、Pb和Cr等。日本水俣湾由汞中毒造成的“水俣病”，神通川流域由镉引起的“痛痛病”，就是重金属污染给人体健康带来损害的典型事例。可见，对含重金属废水的治理刻不容缓。1.3重金属废水的处理技术不同于有机物可以被分解破坏，重金属只能转移其存在位置和改变它们的物理和化学状态。目前常用的重金属废水处理方法主要包括化学沉淀法、还原法、吸附法、膜分离法、混凝法、离子交换法、电化学法等。化学沉淀法(1)氢氧化物沉淀法是通过调节pH值使重金属离子生成难溶的氢氧化物而沉淀分离，具有操作简单、价格低廉、pH值易于控制等特点，是重金属废水处理中最常应用的方法[3]。氢氧化物沉淀法虽然得到了广泛的应用，但是在操作时还需要注意以下几个方面：①中和沉淀后，废水中若pH值高，需要中和处理后才可排放；②废水中常常有多种重金属共存，当废水中含有Zn、Pb、Sn、Al等两性金属时，pH值偏高，可能有再溶倾向，因此要严格控制pH值，实行分段沉淀；③废水中有些阴离子如：卤素、氰根等有可能与重金属形成络合物，因此要在中和之前需经过预处理；④有些颗粒小，不易沉淀，则需加入絮凝剂辅助沉淀生成。(2)硫化物沉淀法是用硫化物去除废水中溶解性重金属离子的一种有效方法。与氢氧化物沉淀法相比，硫化物沉淀法可以在相对低的pH值条件下（7-9之间）使金属高度分离，处理后的废水一般不用中和，形成的金属硫化物具有易于脱水和稳定等特点。硫化物沉淀法也存在着一些缺点，硫化物沉淀剂在酸性条件下易生成硫化氢气体，产生二次污染，另外硫化物沉淀物颗粒较小，易形成胶体，会对沉淀和过滤造成一定的不利影响。(3)铁氧体法处理重金属废水就是向废水中投加铁盐，通过控制pH值、氧化、加热等条件，使废水中的重金属离子与铁盐生成稳定的铁氧体共沉淀物，然后采用固液分离的手段，达到去除重金属离子的目的。该法是日本NEC公司首先提出的用于处理重金属废水及实验室污水的处理，得到较好的效果。铁氧体共沉淀可一次去除废水中多种重金属离子，形成的沉淀颗粒大，容易分离，颗粒不返溶，不会产生二次污染，而且形成的是一种优良的半导体材料。但是这种方法在操作中需要加热到70ºC左右或更高，并且在空气中慢慢氧化，操作时间长，消耗能量多。(4)化学沉淀法与其他方法的混合应用化学沉淀法常常与其他水处理方法相结合，互相取长补短，构成新工艺，使重金属废水处理更加完善。Gonzolez-Munoz等用硫化物沉淀法回收和回用重金属离子，并将纳米过滤作为重金属废水处理的第二个步骤，研究结果显示硫化物沉淀法能有效去除废水中的重金属离子，废水再经纳米过滤后能直接回用。铁氧体法也被用来和电解法、离子交换法、活性炭吸附法、过滤吸附法、磁流体法等方法相结合来处理特定的污水[4]。还原法还原法是利用还原剂和含重金属离子废水接触反应，将重金属离子由高价还原至低价的一种废水处理方法。国内外使用的还原剂包括：二氧化硫、亚硫酸氢钠、硫酸亚铁、焦亚硫酸钠、亚硫酸钠、铁屑、硼氢化钠、连二亚硫酸钠等。目前还原法一般用作废水处理的预处理方法使用。吸附法(1)物理化学吸附法物理化学吸附法主要是通过吸附材料的高比表面积的蓬松结构或者特殊官能基团对水中重金属离子进行物理吸附或者化学吸附的一种方法[5]。该方法用到的吸附剂包括活性炭、膨润土、沸石、壳聚糖，以及廉价吸附剂—工农业废弃物等。活性炭装备简单，吸附能力强，去除效率高，在废水治理中应用广泛，但活性炭再生效率低，处理水质很难达到回用要求，一般用于电镀废水的预处理；膨润土是以蒙脱石为主要矿物的粘土岩，有巨大的表面积，因而具有巨大的吸附能力。研究发现，沸石可以处理含Cr、Cd、Pb、Ni、Zn、Cu等重金属离子的废水壳聚糖分子中含有很多氨基和羟基，可与大多数过渡金属离子形成稳定的螯合物，对Mn2+、Cu2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+、Ni2+和Ag+等金属离子都有很强的去除能力；工农业废弃物粉煤灰、工业污泥、米糠、稻壳、麸皮、花生壳等均可有效地去除。(2)生物吸附法生物吸附法利用生物体的化学结构或成分特性来吸附水中的重金属离子。生物吸附剂主要包括菌体、藻类及一些细胞提取物。与其他方法相比，生物吸附法具有以下优点：①处理效率高，运行费用低；②pH值和温度适应范围宽；③易解吸，可回收重金属；④来源丰富价格便宜。Roohan等研究发现经碱和CaCl2/MgCl2/NaCl（2:1:1）活化后的Azolla在283K到313K对Pb2+、Cd2+、Ni2+和Zn2+的吸附量分别是1.431-1.272、1.173-0.990、1.365-1.198和1.291-0.981mmol/g干重生物量。Liu等研究发现未经处理的双壳类软体动物贝壳对电镀废水中Fe、Zn和Cu的去除率分别是99.97%、98.99%和87%，经酸预处理的双壳类软体动物贝壳对电镀废水中Fe、Zn和Cu的去除率分别是99.98%、99.43%和92.13%[6]。膜分离法(1)电渗析法电渗析是在直流电场的作用下，溶液中的带电粒子选择性地透过离子交换膜的过程，电渗析膜装置同时包含有一个阳离子交换膜和一个阴离子交换膜。在电镀工业中，采用电渗析技术可把电镀废水中的Cr、Ni、Cd、Cu、Zn等重金属离子分离处理，并且使这些重金属得到回收利用。电渗析法处理废水要求具有足够的电导以提高渗透效率，因此处理水中电解质的浓度不能过低[7]。(2)反渗透膜反渗透是渗透的逆过程，它主要是在压力的推动下，借助半透膜的截留作用，迫使溶液中的溶剂和溶质分开的膜分离过程。反渗透技术自二十世纪七十年代开始用于电镀废水处理，并逐渐推广到其他重金属废水处理领域[8]。Ozaki等研究超低压反渗透技果，考察操作压力和pH值对截留效果的影响，结果表明，大多数情况下重金属离子的截留率大于95%。反渗透是压力驱动的过程，所以它不涉及能量密集的相变或是价格昂贵的溶剂和吸附剂等，相对于其他传统的分离过程，反渗透具有设计和操作简单的优势，同时具有净化效率高、建造周期短以及环境友好等优点。反渗透膜的最大缺点是需要较大的驱动压力和膜修复。(3)纳滤纳滤是介于反渗透和超滤之间的一种膜分离技术。纳滤膜一般是荷电型膜，其对无机盐的分离不仅受化学势控制，同时也受电势梯度的影响，(4)微滤和超滤(5)膜分离法与其他方法的混合应用[9]1.4重金属废水处理新技术(1)光催化技术光催化法是一种环境友好型水处理方法，利用光催化剂表面的光生电子或空穴等活性物种。通过还原或氧化反应去除重金属。目前，光催化法降解废水中的重金属大多还处于实验研究阶段。实验室最常用的光催化剂是二氧化钛（Ti）。TiO光催化去除重金属离子有3种机理：a.光生电子直接还原金属离子[10]；b.间接还原，即由空穴先氧化被添加的有机物,然后由产生的中间体来还原金属离子：c.氧化去除金属离子。近年来，利用半导体TiO光催化法去除或回收废水中的Se、Cu、H、Ag和C等金属离子的研究备受关注，尤其对Cr6+的研究最为广泛。光催化法耗能低、无毒性、选择性好、常温常压、快速高效，在重金属废水处理中前景广阔且日益受到重视，但从实际应用的角度出发光催化法还存在着许多问题，如重金属离子在光催化剂表面的吸附率低，光催化剂的吸光范围窄等。(2)新型介孔材料根据国际理论和应用化学联合会（IUPAC）定义，介孔材料指孔径介于2-50nm的多孔材料。介孔材料具有长程结构有序、孔径分布窄、比表面大（1000cmTg）、孔隙率高且水热稳定性好等优点。因此，介孔材料是当今国际上的研究热点和前沿之一[11]。近年来，研究者通过对材料进行化学修饰或改性处理，已制备出了诸多新型功能化介孔材料，对含Hg、Cu、Pb、Cd等的废水治理展示了诱人前景。目前利用新型高效介孔材料吸附剂处理重金属废水仍处于实验研究阶段，吸附剂的价格限制了其在工业上的应用。(3)基因工程技术Wilson在20世纪90年代尝试用基因工程技术对微生物进行改造，并将其应用于含汞废水的治理，取得了较好结果。随后其他研究者也逐渐将基因工程技术应用于不同类型重金属废水的处理，从而使这一领域的研究日趋活跃。基因工程技术应用于重金属废水的治理指通过转基因技术，将外源基因转入微生物细胞中。使之表现出一些野生菌没有的优良遗传性状，从而实现对重金属Hg、Cu、Cd等高效的生物富集。利用基因工程处理重金属废水目前尚处于实验研究阶段，真正用于工业水平还存在一些问题，如利用基因工程菌连续化处理重金属废水就面临难题[12]。(4)胶束强化超滤一电解法随着环保要求的日益严格。对重金属废水的处理，应实现废水净化回用和重金属的回收，单独的一种工艺往往不能很好的达到这一目的。可以将几种工艺组合起来处理重金属废水，以同时发挥各自的长处取得较好的效果。膜技术作为一种新型的水处理技术具有低耗、高效、操作方便等优点，普遍受到国内外水处理者的关注。尤其是技术较成熟的超滤技术。而电化学法能有效回收废水中的重金属，将这两种技术结合处理重金属废水在去除废水中重金属的同时能有效回收重金属[13]。如：胶束强化超滤（MEUF）一电解法。胶束强化超滤是最近发展起来的与表面活性剂技术相结合的方法，当表面活性剂浓度超过其临界胶束浓度时，大的两性聚合物胶束形成，溶液经过超滤膜时。吸附有大部分金属离子和有机溶质的胶束被截留，透过液可回用，含重金属的浓缩液则进一步被电解，回收重