重金属废水处理技术探讨及其前景展望

重金属废水处理技术探讨及其前景展望随着经济的快速发展，废水的大量排放，土壤和水源中重金属积累的加剧，重金属的污染也日益严重。由于重金属易通过食物链而生物富集，构成对生物和人体健康的严重威胁。如何有效地治理重金属污染已成为人类共同关注的问题。而重金属的污染情况在开发区的污水中也较为严重，根据长沙市环境监测站的检测情况，我们发现开发区废水中的镍（Ni）存在间歇超标的现象，在对污泥进行监测的时候也发现了污泥中总镉、总镍、总铜超过了污泥农用时污染控制标准限值因此在这里对重金属的处理方法进行了以及发展前景进行了探讨。国内外学者对重金属污染的治理问题做了大量的研究[1、2]。目前已开发应用的废水处理方法主要有化学法、物理化学法和生物法，包括化学沉淀、电解、离子交换、膜分离、活性碳和硅胶吸附、生物絮凝、生物吸附、植物整治等方法。采用化学法、物理化学法都将残生污染转移，易造成二次污染，且对于大流域、低浓度的有害重金属污染难以处理。而生物法具有效果好、投资少及运作费用低、易于管理和操作、不产生二次污染等优点，日益受到人们的关注。下面就这几种方法进行探讨：1化学法化学法主要包括化学沉淀法和电解法，主要适用于含较高浓度重金属离子废水的处理。化学沉淀法的原理是通过化学反应使废水中呈溶解状态的重金属转变为不溶于水的重金属化合物，通过过滤和分离使沉淀物从水溶液中去除，包括中和沉淀法、硫化物沉淀法、铁氧体共沉淀法[3]。由于受沉淀剂和环境条件的影响，沉淀法往往出水浓度达不到要求，需作进一步处理，产生的沉淀物必须很好地处理与处置，否则会造成二次污染。电解法是利用金属的电化学性质，金属离子在电解时能够从相对高浓度的溶液中分离出来，然后加以利用。电解法主要用于电镀废水的处理，这种方法的缺点是水中的重金属离子浓度不能降的很低。所以，电解法不适于处理较低浓度的含重金属离子的废水。2物理化学法离子交换法和膜分离技术适用于含较低浓度重金属离子废水的处理。离子交换法是在离子交换器中进行,此方法借助离子交换剂来完成。在交换器中按要求装有不同类型的交换剂，含重金属的液体通过交换剂时，交换剂上的离子同水中的重金属离子进行交换，达到去除水中重金属离子的目的。这种方法受交换剂品种、产量和成本的影响。几年来，国内外学者就离子交换剂的研制开发展开了大量的研究工作[4、5]。随着离子交换剂的不断涌现，在电镀废水深度处理、高价金属盐类的回收等方面，离子交换法越来越展现出其优势。膜分离技术是利用一种特殊的半透膜，在外界压力的作用下，不改变溶液中化学形态的基础上，将溶剂和溶质进行分离或浓缩的方法，包括电渗析和隔膜电解。电渗析是在直流电场作用下，利用阴阳离子交换膜对溶液阴阳离子选择透过性使水溶液中重金属离子与水分离的一种物理化学过程。隔膜电解是以膜隔开电解装置的阳极和阴极而进行电解的方法，实际上是把电渗析与电解组合起来的一种方法。上述方法在运行中都遇到了电极极化、结垢和腐蚀等问题。3生物法3.1生物絮凝法生物絮凝法是利用微生物或微生物产生的代谢物，进行絮凝沉淀的一种除污方法[6]。微生物絮凝剂是由微生物自身构成的，具有高效絮凝作用的天然高分子物，它的主要成分是糖蛋白、粘多糖、纤维素和核酸等。由于多数微生物具有一定线性结构，有的表面具有较高电荷或较强的亲水性，能与颗粒通过各种作用相结合，起到很好的絮凝效果。目前开发出具有絮凝作用的微生物有细菌、霉菌、放线菌、酵母菌和藻类等共17种。其中对重金属有絮凝作用的有12种。陈天等[7]利用从多种微生物中提取的壳聚糖为絮凝剂回收模拟工业废水中Pb2+、Cr3+、Cu2+，在离子浓度是100mg/Ｌ的200mL废水中加入10mg壳聚糖，处理后溶液中Cr3+、Cu2+浓度都小于0.1mg/Ｌ，Pb2+浓度小于1mg/Ｌ，得到了令人满意的结果。用微生物絮凝法处理废水安全方便无毒、不产生二次污染、絮凝效果好，且微生物生长快、易于实现工业化等特点。此外，微生物可以通过遗传工程、驯化或构造出具有特殊功能的菌株。因此微生物絮凝法具有广阔的发展前景。3.2生物吸附法生物吸附是对于经过一系列生物化学作用使重金属离子被微生物细胞吸附的概括理解，这些作用包括络合、鳌合、离子交换、吸附等。这些微生物从溶液中分离金属离子的机理有胞外富集、沉淀；细胞表面吸附或络合；胞内富集。其中细胞表面吸附或络合对死活微生物都存在，而胞内和胞外的大量富集则往往要求微生物具有活性。许多研究表明活的微生物和死的微生物对重金属离子都有较大的吸附能力，作为生物吸附剂的生物源能够从低浓度的含重金属离子的水溶液中吸附重金属，且有实用价值的微生物容易获得。例如：发酵过程中的酵母菌是生物吸附剂很好的生物源，大量来自海洋中的藻类也是便宜的生物源[8、9]。赵玲等[9]用海洋赤潮生物原甲藻(Prorocentrummicans)的活体和甲醛杀死的藻体对Cu2+、Pb2+、Ni2+、Zn2+、Ag1+、Cd2+的吸附能力进行研究，实验证明，金属离子混合液经原甲藻吸附30min后，各离子的浓度显著下降且达到平衡，原甲藻的活体和死体对这六种金属离子具有相似的吸附能力。利用载体通过物理或化学方法将微生物吸附剂经预处理固定后，吸附剂吸附机械强度和化学稳定性增强、使用周期延长、可以提高废水处理的深度和效率、减少吸附—解吸循环中的损耗。近年来，国内外很多学者开展了固定化细胞处理含重金属有毒废水的研究工作[10、11]。生物吸附剂具有来源广、价格低、吸附能力强、易于分离回收重金属等特点，而且使用死的微生物作为生物源具有容易固定化，并可根据需要制成特殊的生物吸附剂并反复使用。因此，生物吸附法有很好的工业应用前景。现阶段我国的污水处理厂大多数采用活性污泥处理法，因此可以考虑在需进行重金属去除的地域，通过对活性污泥的驯化（在此过程中应注意避免过量重金属使活性污泥中毒），以及生物接种法接种相应的菌种，达到对低浓度含重金属污水的处理。3.3植物整治技术植物对重金属的吸收富集机理，主要为两个方面：一是利用植物发达的根系对重金属废水的吸收过滤作用，达到对重金属的富集和积累。二是利用微生物的活性原则和重金属与微生物的亲和作用，把重金属转化为较低毒性的产物。通过收获或移去已积累和富集了重金属的植物的枝条，降低土壤或水体中的重金属浓度，达到治理污染、修复环境的目的。在植物整治技术中能利用的植物很多，有藻类植物、草本植物、木本植物等等。其主要特点是对重金属具有很强的耐毒性和积累能力，不同种类植物对不同重金属具有不同的吸收富集能力，而且其耐毒性也各不相同。浩云涛等[12]分离筛选获得了一株高重金属抗性的椭圆小球藻(Chlorellaellipsoidea)，并研究了不同浓度的重金属铜、锌、镍、镉对该藻生长的影响及其对重金属离子的吸收富集作用。结果显示，该藻对Zn2+和Cd2+具有很高的耐受性。对四种重金属的耐受能力依次为锌镉镍铜。该藻对重金属具有很好的去除效果，经15μmol/LCu2+、300μmol/LZn2+、100μmol/LNi2+、30μmol/LCd2+浓度72ｈ处理，去除率分别达到40.93%、98.33%、97.62%、86.88%。由此可见，此藻类可应用于含重金属废水的处理。对重金属离子具有吸附作用的草本植物有凤眼莲(EichhoriacrassipesSomis)、香蒲(TyphaorientalisPresl)等[13、14]。香蒲是国际上公认和常用的一种治理污染的植物，它具有特殊的结构与功能，如叶片成肉质、栅栏组织发达等。香蒲植物长期生长在高浓度重金属废水中形成特殊结构以抵抗恶劣环境并能自我调节某些生理活动，以适应污染毒害[15]。招文锐等[16]研究了宽叶香蒲人工湿地系统处理广东韶关凡口铅锌矿选矿废水的稳定性。历时10年的监测结果表明，该系统能有效地净化铅锌矿废水。未处理的废水含有高浓度的有害金属铅、锌、镉经人工湿地后，出水口水质明显改善，其中铅、锌、镉的净化率分别达到99.0%，97.%和94.9%。分析其pH和Pb、Zn、Cd、Hg、As质量分数的年份和月份变化趋势，发现经湿地处理的废水出水水质中的各指标的年份和月份变化幅度较小，且都在国家工业污水的排放标准之下，可见该湿地的污水净化具有很高的稳定性。采用木本植物来处理污染水体，具有净化效果好，处理量大，受气候影响小，不易造成二次污染等优点，越来越受到人们的重视。胡焕斌等[17]试验结果表明，芦苇和池杉两种植物对重金属铅和镉都有较强富集能力，而木本植物池杉比草本植物芦苇具有更好的净化效果。周青等[18]研究了5种常绿树木对镉污染胁迫的反应，实验结果表明，在高浓度镉胁迫下，5种树木叶片的叶绿素含量、细胞质膜透性、过氧化氢酶活性及镉富集量等生理生化特性均产生明显变化，其中，黄杨、海桐,杉木抗镉污染能力优于香樟和冬青。以木本植物为主体的重金属废水处理技术，能切断有毒有害物质进入人体和家畜的食物链，避免了二次污染，可以定向栽培，在治污的同时，还可以美化环境，获得一定的经济效益，是一种理想的环境修复方法。4重金属废水处理发展趋势及展望一、生物法将成为主导方法虽然化学法、物理化学法、生物法都可以治理和回收废水中的重金属，但由于生物法处理重金属废水成本低、效益高、易管理、无二次污染、有利于生态环境的改善。另外，通过基因工程、分子生物学等技术应用，可使生物具有更强的吸附、絮凝、整治修复能力。因此生物法具有更加广阔的发展前景。二、几种技术集成起来处理重金属废水重金属废水是一种资源，许多重金属都比较昂贵。如果将废水中的重金属作为一种资源来回收，不但解决了重金属的污染，而且还具有一定的经济效益。电化学法就可以满足这些要求处理重金属废水，但由于废水中重金属的浓度一般较低，用传统的电化学法来处理，电流效率较低，电能消耗较高。因此，为满足日益严格的环保要求，实现废水回用和重金属回收,可将几种技术集成起来处理重金属废水，同时发挥各种技术的长处。TungChung-Ching等[19]集成采用胶束增强超滤法去除水溶液中的铜离子取得了显著效果。张永锋[20]采用络合-超滤-电解集成技术处理重金属废水，超滤的浓缩液可通过电解回收重金属，从而实现废水回用和重金属回收的双重目的，为重金属废水的根治找到了新的出路。我们应该充分利用自然界中的微生物与植物的协同净化作用，并辅之以物理或化学方法，寻找净化重金属的有效途径。对重金属的污染源头进行严格的控制和监督，利用物理和化学的办法处理好源头的含较高浓度的重金属废水，不让高含量的重金属废水进入城市排水管网。这样可以减少治理成本，又减轻了二级污水厂的处理难度，取得较好的经济效益和环境效益。在已建成的环境治理项目中，可以考虑进行对重金属处理的改进和改造以达到对相应重金属的处理，而在有必要进行重金属处理的未建成环境治理项目，应该在立项时即考虑对重金属的去除，以达到更好的治理污染，修复环境的目的。