浅谈重金属废水污染及其处理方法

关键词：重金属废水;水处理;膜技术Abstract:Thispaperbrieflyintroducestheharmofheavymetalpollutiononthehumanbody,researchstatusofheavymetalwastewatertreatmenttechniquesweresummarized,andexpoundstheadvantagesanddisadvantagesofvariousmethods,usingmembraneseparationtechnologyastherepresentativeofthenewprocessisputforward,andthedevelopmentofheavymetalwastewatertreatmenttechnologiesareprospected.Keywords:heavymetalwastewater;watertreatment;membranetechnology中图分类号：TU2文献标识码A文章编号：前言：重金属是指相对密度大于5的金属，包括铜、铅、锌、锡、镍、钴、锑、汞、镉和铋10种金属。由于重金属不能被生物所降解，在水体中大部分通过物理化学反应沉积在水底，随着环境的不断变化，沉积物会向水体缓慢释放溶解态重金属，因此重金属污染水体存在持久的危害性。随着污染物的迁移转化，还能够在食物链中进行生物累积，进而对食物链顶端的人类产生极大的危害｡日本的“水俣病”和“痛痛病”都是由重金属污染导致的人体健康受损的典型案例。含重金属离子的工业废水主要来源于机械加工、钢铁及有色金属的冶炼、矿山开采和部分化工企业。此外，一些轻工业和化学工业排出的废水也含有汞、镉、砷等重金属[1]。国内仅电镀行业每年产生的重金属废水就超过40亿m3。重金属废水处理已经成为资源与环境领域中一个严峻且迫切的重要课题。本文简述了国内外含重金属废水的处理现状及研究趋势。目前，含重金属废水的的处理方法主要分为两大类：传统法和新型处理方法，传统法包括化学沉淀、吸附、离子交换、生物处理法等，电化学法和膜分离技术则是近年来发展起来的新型处理技术。1传统方法1.1化学沉淀法化学沉淀法是指向废水中添加化学药剂与重金属发生化学反应，从而使重金属离子变成不溶性沉淀物质分离出来。该方法技术成熟、投入少、自动化程度高。最常用的就是氢氧化物沉淀法和硫化物沉淀法。例如向含镉废水中投加氢氧化钠，会形成氢氧化镉沉淀。化学沉淀法也存在一些不足：产生重金属污泥、沉淀剂的加入容易造成二次污染以及处理效果受水质条件影响等，限制了其在工程上的应用。在化学沉淀法中，铁氧体法是较为新型的处理工艺。它是指向废水中投加铁盐，通过对工艺条件的控制，使重金属离子在铁氧体的包裹和夹带作用下进入铁氧体的晶格中，进而形成复合铁氧体，最后再用固液分离的手段，一次脱除多种重金属离子的方法。该方法克服了传统化学沉淀法易形成二次污染的弊端，但是反应过程需要加热，能耗高。1.2吸附法吸附法主要是利用高比表面积或具有多孔结构的物质作为吸附材料去除重金属离子。该法的核心是吸附剂的选择，常用的吸附剂有活性炭、矿物质、分子筛等。活性炭有较强的吸附能力，可以同时吸附多种重金属离子，去除率高，但再生效率低，处理水质达不到GB标准，价格高，应用被限制[2]。近年来逐步研究出多种新的吸附材料，如凸凹棒、浮石、硅藻土、蛇文石、大洋多结核矿等。大洋多结核矿吸附能力强，它是多孔结构，表面积大，矿物大部分以晶型存在，因此吸附重金属废水效果好。另一类是利用微生物作为吸附材料，主要有菌体、藻类和细胞提取物等，这些生物吸附剂对不同的重金属离子表现出不同的吸附能力，造成吸附能力大小的主要原因在于微生物细胞表面的结构，并且受外界环境因素和水体pH值的影响。1.3离子交换法离子交换法的实质是离子交换剂上的可交换离子与废水中的重金属离子之间的交换反应，在此过程中，废水中的重金属离子被去除。当离子交换剂上的重金属离子达到饱和时，使用再生液反复冲洗离子交换剂，使之得到再生。重金属废水处理中常用的离子交换剂主要是离子交换树脂，如阴离子交换树脂、阳离子交换树脂以及螯合树脂等。离子交换技术在处理重金属废水的同时，可实现重金属的资源化，具有较高的经济价值，对改善环境质量和增加可利用资源也具有极其重要的意义。但是该方法不足之处在于：树脂进行再生时需消耗大量的酸碱，且易造成二次污染。1.4生物处理法生物处理法是指利用微生物或植物的吸收、絮凝、还原等作用去除水中的重金属离子的方法，主要包括生物化学法和生物絮凝法等。生物化学法是指利用微生物的氧化还原反应能力使重金属离子沉降或降低其毒性。对硫酸盐含量较高的重金属废水的处理是典型的生物还原法，该方法能够把硫酸盐还原成硫化氢，使重金属离子和硫化氢发生反应生成金属硫化物沉淀而除去。研究者[3]用基因工程菌对含汞废水进行了研究,但浓度过高毒性强的重金属离子对菌有一定的影响,使此法有一定局限性。生物絮凝法是指借助生物产生的代谢产物进行絮凝沉淀的一种方法。目前的生物絮凝剂主要有五大类，即半乳甘露聚糖类、淀粉类、微生物多糖类、纤维素衍生物类和复合型生物混凝剂。生物絮凝法以其安全无毒、絮凝剂效果好、絮凝物易于分离等特点，在重金属废水处理领域中有着广泛的应用前景[4]。但该方法也有不利之处，如生产成本高、活体生物絮凝剂保存困难等。2新型处理方法2.1电化学法电化学法是指利用电化学原理处理重金属废水，兼具絮凝、气浮、杀菌等多种功能，是近年发展起来的颇具竞争力的重金属废水处理方法。该方法因装置紧凑、工艺成熟、无二次污染，便于控制管理等特点，在国内外得到广泛应用[5]。AminNK[6]等的研究表明对一些金属离子的去除效果可达到0.1mg·L-1以下，适合重金属浓度高的废水，但此方法耗能大，析氧和析氢等副反应多，不适合处理低浓度废水。2.2膜分离技术膜分离技术是一项新兴的分离技术，自60年代，作为一项高新技术从实验室中走向社会开始进行大规模工业化应用以来，已逐渐并迅速发展成为了在各个工业系统中获得大规模应用的高效节能的分离过程。近年来，将液体分离膜技术用于重金属废水处理的报道日渐增多并渐成主流。将膜分离技术应用于重金属废水处理具有以下优点：（1）过程无相变，可以常温操作，能耗低，污染小；（2）膜过程可通过模拟装置实现，而且可以连续操作；但是，膜分离过程也有其弊端：（1）在某些情况下，膜容易结垢，降低膜分离过程效率，甚至降低膜的使用寿命；（2）与化学法相比，膜分离工艺初期投资较高[7]。电渗析（ED）是指以直流电场产生的电压为推动力，溶液中的带电离子进行定向迁移，选择性的透过离子交换膜的过程。含Cu2+、Zn2+、Cr2+和Ni2+等重金属离子的废水都可采用电渗析处理，其中含镍废水处理技术最为成熟，已有成套工业化装置。但是电渗析法处理废水要求具有足够的电导以提高渗透效率，因此不适宜处理低浓度的重金属废水。例如，电渗析用于处理镀镍清洗水时，要求清洗水中镍盐的浓度不低于1.5mg·L-1。电去离子技术（EDI），又称填充床电渗析技术，是将树脂填充在电渗析器的淡水室中，在直流电场作用下，膜堆内部自发水解离产生H+和OH-再生离子交换树脂，同时实现离子的深度脱除和浓缩的新型复合分离过程。相对传统的电渗析过程而言，电去离子技术的分离效率得到显著提高。因此EDI技术具有巨大的技术和经济优越性，EDI技术在用于处理低浓度重金属废水领域所展现出的良好潜力正日益引起人们的重视。由于重金属废水中成分复杂，仅采用一种膜分离技术很难满足处理要求，而采用集成膜过程，可发挥每种膜的最大优势，提高了处理效率和装置运行的稳定性。国家海洋局杭州水处理中心[8]采用了一套处理能力为1200m3/d-1的三级膜分离装置处理电镀镍漂洗废水，总浓缩倍数为100倍，一级膜分离系统对镍离子的截留率为98%，二、三级膜分离系统对镍离子的截留效率均在99%以上。但随着膜使用时间的增长，膜通量会逐渐下降，膜系统也需要定期进行清洗。也有研究者[9]将双极膜技术与电去离子技术结合用于重金属废水处理，为膜分离技术在该领域的应用提供了新的思路。3展望为了满足日益严格的环保要求，研究新型、高效的重金属废水处理技术迫在眉睫。传统的处理技术均存在不同程度的二次污染、效率偏低、工艺复杂、高能耗、高成本等缺陷。而膜分离技术在实现高效分离过程、废水零排放与资源化方面优势突出，已经并将继续成为该领域的重要发展方向。今后需要在膜材料及膜制备工艺方面进行重点研究，降低膜技术的应用成本。此外，将现有工艺进行组合，实现优势互补，也是达到水污染处理和废水资源化双重目标的可行方法。参考文献王宏镔，束文圣，蓝崇钰．重金属污染生态学研究现状与展望[J]．生态学报，2005，25(3)：596~605GiovanniToscano，CorradoCaristi，GiuseppeCimino．Sorptionofheavymetalfromaqueoussolutionbyvolcanicash．AppliedSurfaceScience，2008，11(6)：765~771袁建军，卢英华．高选择性重组基因工程菌治理含汞废水的研究[J]．泉州师范学院学报，2003，21(6)：71~75李娜，靳晓洁．含重金属废水处理技术的研究进展概述[J]．电力科学与工程，2008，24（4）：42-45叶春雨，黄雪莉，刘贵昌．电解法回收化学镀镍废液中镍的研究[J]．辽宁化工，2009，38(8)：512~515AbdelwahabO，AminNK．Electrochemicalremovalofphenolfromoilrefinerywastewater．JournalofHazardousMaterials，2009(163)：711~716任安娟.电去离子技术同步纯化与浓缩电镀镍漂洗水的研究[D]．南开大学，2009.楼永通，宋伟华，罗菊芬等.1200m3/d-1电镀废水膜法回收工程[J]．膜科学与技术,2003,23(4):43-46董恒，王建友，卢会霞等.“双极膜电去离子”耦合过程处理含镍离子溶液[J]．中国科技论文在线，2010,5（5）:341-348