浅析含重金属离子的废水治理技术的研究进展

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摘要：随着工业现代化的发展，许多水域包括地下水含重金属离子废水的污染，去除废水中的重金属离子是我国乃至全世界当前急需解决的环境问题之一，也是实现可持续发展战略所必然面对的问题。本文综述了重金属污染对环境和人类的危害；具体介绍了治理含重金属离子废水的物理法、物理化学法、普通化学法、生化法及电化学法等技术的研究进展；论述了电-生物耦合法在处理总金属废水中的应用。

关键词：重金属；离子；废水；处理；技术；研究

Abstract: with the development of industrial modernization, many waters including groundwater wastewater containing heavy metal ion pollution, removal of heavy metal ions in wastewater in China and the world, the urgent need to solve the environmental problem, but also the realization of the sustainable development strategy will inevitably face the problem. This article reviews the heavy metal pollution on the environment and human hazards; specifically introduces treatment of waste water containing heavy metal ions by physical method, chemical method, physical method, biological method in general chemistry and electrochemistry technology research progress; discusses the electric biological coupling in total metal wastewater treatment.

Key words: heavy metal; ion; wastewater; treatment technology; research;

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：

1. 重金属污染概述

重金属污染是当今世界三大水环境污染之一，主要包括汞、镉、铬、铅、锌、铜、钴、锰、钛、钼等，其含量和存形态随产生条件而不同，大部分重金属离子具有毒性且是致癌因子，重金属在自然环境中很难讲解，仅会在形态上发生改变，在环境水体中容易破坏生态平衡，并可通过食物链富集危害人类健康。重金属对健康的影响通常表现为对神经系统的长期损害，以及对消化系统、泌尿系统的细胞、脏器、皮肤及骨骼的破坏。而重金属离子的慢性危害，短时间内不易被发现和诊断出，一旦发生病变后果十分严重。震惊世界的日本水俣病就汞离子引起人体生理机能病变的真实病例。

重金属废水主要来源于采矿、有色金属、电解、电镀、医药、农药、颜料、油漆等工业，这些生产废水常以多种废水混合状态存在，往往包含了多种重金属离子，因此在重金属离子的处理上存在较大的困难，对环境危害程度大。处理工业废水的重金属离子一直是全世界共同的课题，在处理重金属离子的研究上许多学者都取得了相应的效果和成就，现对重金属废水处理的方法做叙述。

重金属废水处理方法

2. 1 物理法

2.1.1吸附法

活性炭吸附法是利用活性炭的吸附吸附能力和氧化还原作用除去废水中的毒害物质。该法投资少、效果好，但存在吸附速度慢、吸附容量小的缺点，因此不适合于处理污染物浓度较高的废水。

目前，科技工作者致力于新型廉价吸附剂的研究应用，已经取得了一定进展，用粉煤灰、沸石、落叶、蛭石、椭圆小球藻等一系列天然物质或工农业废弃物对重金属离子具有良好的吸附效果，而此类吸附剂来源丰富，使用后不必再生，具有极其广阔的应用前景。

2.1.2 膜分离技术法

反渗透法：是利用特种半透膜具有溶剂水透过而溶质难以透过的特性，通过对废水施加高压，使对废水进行浓缩，减少水处理过程中的水量，进而减少工作量。该法投资少、操作方便、可回收有用材料，其关键技术是制造高效耐用的反渗透膜。为避免杂质的积累，最好与离子交换法联合使用。

超滤法：聚合物增强超滤是指通过利用超滤膜的滤过性质，能够有效截流结合有重金属离子的聚合物大分子，此法要根据不同的重金属离子选用不同水溶性聚合物，通过聚合物官能团即可选择性分离重金属离子。例如用以十二烷基苯磺胺表面活性剂增强的超滤膜处理含Pb2+废水，使之形成Pb／DAS、Pb／十二甲基胺系统，Pb2+去除率大于99％；用聚乙烯亚胺、壳聚糖等作聚合剂，采用超滤法去除水中的Cr 3+去除率可达100％。

纳米过滤：纳米过滤膜分离机理包括原子筛分效应与电效应。纳米膜上的带电离子与液体中的离子形成离子对，同时后者被除去。这种膜的小孔道以及表面电荷使得尺寸小于孔道的离子能被去除。纳米过滤法比反渗透法需要的压力低，因此，操作费用也较后者低。一般说来，纳米过滤法可以处理含重金属离子浓度大于2 000 mg／L的无机废水。如何在多种膜分离方法中选择最合适的，主要考虑以下几个因素：废水的性质、金属离子在水中的本性与浓度、pH值与温度。除此之外，膜还要和投料溶液与清洁剂相配套，以使表面污塞最小。

2.1.3气浮法

气浮法是利用气泡的吸附作用进行固液分离，在一定条件下，可实现回收金属又消除污染的目的，杨晓玲等对某电镀厂含重金属离子废水进行气浮处理，取得了理想效果，气浮法具有占地面积小、设备简单、适宜于间歇生产等优点，适宜对重金属氢氧化物或碳酸盐过滤困难的废水处理。

2.1.4 絮凝-浮选法

絮凝-浮选法是通过添加试剂使得废水中的胶体粒子稳定性变差，从而聚集沉淀下来，过程包括调节pH值和加入含铁或铝盐的絮凝剂。此法可以处理浓度小于100 mg／L或高于1 000 mg／L的重金属废水。絮凝-浮选法能pH值为11-11.5时可以有效去除重金属离子[1]。

化学方法

3.1化学沉淀法

化学沉淀法是一种传统的水处理方法，具有技术成熟、投资少、处理成本低、自动化程度高等优点，在国内外已广泛被应用。在含重金属废水的处理中，根据沉淀类型的不同，可分为氢氧化物沉淀法、难溶盐沉淀法和铁氧体法[2]。氢氧化物沉淀法即中和沉淀法，加入碱使废水中的金属阳离子以氢氧化物或盐的形态沉淀析出。难溶盐法则是通过加入沉淀剂与废水中的金属离子形成难溶化合物的方式去除或回收金属离子。铁氧化体法是一种新型的化学沉淀法，是指向废水中投加铁盐，使废水中的重金属离子在铁氧体的包裹、夹带作用下进入铁氧体的晶格中形成复合铁氧体，然后再采用固液分离的手段，一次脱除多种重金属离子的方法。

3.2 离子交换法

离子交换法是利用离子交换树脂对废水中离子进行选择换，而进行废水处理的方法，基本上所有的无机有害离子都可用离子交换法进行处理，在处理废水时，离子交换发生在固体与液相之间：不溶性的物质从电解液中除去离子，同时以相同价态释放出离子。离子交换也可从无机废水中回收有价值的重金属，再将金属浓缩后回收。该法的不足之处在于一次性投资高、占地面积较大，废水中污染物浓度不宜太高。

4 电化学法

电化学法利用通电时阴阳极的电化学反应而使废水中的有毒物分解、氧化还原、沉淀。该法设备相对简单，易于自动控制；以电子作为反应剂，可避免产生二次污染。

4.1 电渗析法

电渗析法是一种膜分离技术，是利用对废水通以低压直流电时，阴阳离子定向运动并的透过选择性薄膜的性质，将电解质浓缩在一定的区域内，在另一些区域内得到较纯的水，从而提高渗析效率。电渗法并不能有效去除浓度大于1 000 mg／L的离子，它更适用于浓度小于20 mg／L的离子的去除。Smara等报道了对离子交换／电渗析处理Pb2+、Cd2+、Cu2+、Zn2+等离子吸附顺序及混合液中竞争吸附的情况[3]。

4.2 三维电极法

三维电极法是电化学法处理重金属废水的最新研究成果。三维电极是在传统二维电解槽电极间装填材料，并使表面带电，进而在其表面发生电化学反应。与二维电极相比，三维电极将电解槽的面积比加大、提高物质迁移速度、分离产物便捷。三维电极的缺点是床内电流电位分布不均，可能导致局部出现“盲区”，并易发生副反应[4]。

5 生化法

生物膜法当今废水生物处理研究领域的主流，是在固体载体上附着微生物细胞并使其生长繁殖，而后在载体上形成膜状生物污泥。生物膜法具有污泥产量少、参与净化反应的微生物种类多及运行操作简单方便等优点。

Ahluwalia等研究表明可通过利用无活性微生物体吸附重金属离子技术，且对细胞无毒化作用及突破了细胞本身生理特征、生长性质的限制；但其缺点为死细胞无法通过基因工程学提高微生物的处理潜力。

此外酵母菌吸附剂已成为环境生物技术研究的重要组成部分，有研究表明相关研究表明酵母菌可以有效吸附的金属离子包括铜、铯、钴、铀、镉、锶、锌、铅、铬、镍等重金属离子。其中，对铅、镉、锌、铬和镍等金属离子的吸附能力较强。Yakubu研究发现酵母菌吸附剂吸附铀的能力是离子交换树脂的14倍。Norris等发现酵母菌对Ni2+和Cu2+的吸附能力比细菌更强。而Wang比较发现酿酒酵母对不同重金属离子具有不同的吸附能力，还发现酿酒酵母对Cu2+的吸附能力强于其它金属离子。如今酵母菌吸附剂的发展已成为处理重金属废水新工艺的技术基础。但酵母菌吸附工艺仍处于实验阶段，要实现大规模的工业化仍需要酵母菌深入研究和开发其它相关水处理技术。

6 电-生物耦合法

利用生物法与电化学法耦合是近年来处理该类废水的一项新技术，该法能发挥双方优势，提高含重金属离子废水的处理效果。电-生物耦合法为了不影响微生物的活性，电解或电沉积电流密度较低。曹宏斌等研究表明，生物膜固定在特制填料上的生物膜可承受15 A／m 的直流电，耐电性是游离细菌的承受能力的3倍。利用电-生物耦合法，不但使重金属离子的定向迁移，还能能调节微生物的代谢，提高细菌有丝分裂速度和生化处理重金属离子废水的效果。李天成等研究出利用电沉积-生物膜复合工艺处理含重金属有机废水的方法；而Li等用电生物膜反应器处理含高浓度苯酚的Cr2+和Pb2+废水，苯酚降解率提高了138％，Cr6+ 和Pb2+浓度分别在12 h和6 h内降至1 mg／L以下，达到国家标准[5]。

7 结语

随着现代化工业的发展，许多水域包括地下水都已受到含重金属离子废水的污染，鉴于重金属废水的特点及处理的复杂性，在处理重金属废水时应考虑多种方法和工艺的综合运用，以期收到更好效果。随着科学技术的进一步发展，传统的处理工艺会得到进一步的改进与完善，与此同时还会不断出现更新的处理方法和技术。

参考文献：

[1]陈勇生，孙启俊，陈钧等．重金属的生物吸附技术研究．环境科学进展，1997，5(6)：34-43.

[2]郭燕妮，方增坤，胡杰华等．化学沉淀法处理含重金属废水的研究进展．工业水处理，2011，31(12)：9-13.

[3]林海, 菅小东, 李天昕. 活性炭纤维电化学处理染料废水．北京科技大学学报，2003, 25(2)：124-126.

[4]刘晓波，何国建．活性炭三维电极对印染废水的处理研究．环境污染治理技术与设备，2004，5(3)：59-62.

[5]沈杰，张朝晖，周晓云，等. 生物法去除水中重金属离子的研究[J]. 水处理技术, 2005, 3(31): 5-8.