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水處理技術：重金屬廢水處理技術研究進展
原標題：水處理技術：重金屬廢水處理技術研究進展
前言：
對農業而言，“一籽下地，萬粒歸倉”的豐收景象歸功於水;在工業上，水參與生產過程中的加工、製造、洗滌、淨化等很多方麵，並發揮著重要的作用，被譽為工業的血液。總之，水作為世界上最常見的物質之一，在生命演化曆程中起到了至關重要的作用。
然而，隨著人類社會的不斷發展，水體也逐漸被汙染，進入水中的有毒有害物質也越來越多。人類的工業發展對水體的損害十分巨大，特別是采礦、冶金、化工、電鍍和電子工業等行業對水體造成的重金屬汙染。同時，給人類帶來了很大的傷害。
近年來，重金屬廢水汙染事件頻發。2005年北江鎘汙染事故，鎘濃度超標12倍多，使得下遊數千萬群眾的飲水安全受到威脅;2007年貴州都柳江砷汙染事件，大量含砷廢水流入都柳江上遊河道，造成附近10餘名村民輕微中毒，並造成下遊縣城及沿河鄉鎮2萬多人生活飲水困難;2009年重金屬汙染湘江威脅4000萬人飲水安全;2009年湖南武岡市企業汙染造成兒童血鉛超標的事件，檢測認定高鉛血症兒童38名，輕度鉛中毒兒童28名，中度鉛中毒兒童17名;2010年中金嶺南陷入“鉈汙染門”，造成北江流域發生嚴重鎘汙染等。由此可見，重金屬廢水的危害性巨大而且深遠，對環境和人類的安全已經造成了不可磨滅的傷害。因此，加快重金屬廢水治理技術研發及其應用尤為重要。
重金屬廢水的科學定義：
重金屬廢水是指冶煉、化工生產等企業加工過程中產生外排含重金屬離子的汙水。汙水中的重金屬物質在《汙水綜合排放標準》(GB8978)有明確的界定，包括有毒金屬和類金屬，如汞、鎘、鉻、鎳、砷、銅、鉬、鋅、錫、鈷、釩和錳等。
重金屬廢水的來源
重金屬廢水主要來自采礦、煉鐵、金屬加工、電鍍、農藥、醫藥、油漆、顏料等企業生產過程中排出的多種汙水。其中包含的重金屬種類、含量及其存在形式因生產企業的不同而有所差異。
隨著工業的發展，以及人類自身活動對環境的影響，重金屬廢水的量正逐年增加。據Nriagu[3]估算，全球每年排放到環境中的有毒重金屬高達數百萬噸，並且呈逐年上升的趨勢。
重金屬廢水的危害
重金屬廢水是一種具有強毒性、致癌性、致突變性、難降解及易富集等特性的廢水，具有毒效性、長期持續性、生物不可降解性等特點，且可通過食物鏈作用進入人體，並在人體內累積，從而導致各種疾病和機能紊亂，最終對人體健康造成嚴重危害。加之世界各地相繼頻繁發生重金屬廢水汙染事件:日本富縣的神通川流域出現的“痛痛病”，水俁灣的“水俁病”等都是重金屬汙染給人體健康帶來損害的典型事例，除此之外，還有很多類似的重金屬廢水汙染事件時常發生。對人民群眾的生命健康帶來極大地威脅。因此，研究行之有效的重金屬廢水去除汙方法已成為當前的工作重點。
重金屬廢水處理技術
重金屬(如含鎘、鎳、汞、鋅等)廢水是對環境汙染最嚴重和對人類健康危害最大的工業廢水之一，其水質水量與生產工藝有關。重金屬汙染控製的首要方法是改革生產工藝，不用或少用毒性大的重金屬;其次是采用合理的工藝流程、科學的管理和操作，減少重金屬用量和隨廢水流失量，盡量減少外排廢水量。經過長期的研究發現，重金屬廢水處理技術主要包括:沉澱法、物理化學法、電化學法、生物化學法以及近年來出現的一係列新技術，具體情況如下。
1.沉澱法
沉澱法處理模式為“重金屬廢水+沉澱劑→沉澱物”，經過濾使得重金屬離子得以去除。其實質是重金屬廢水中的重金屬一般不能被分解破壞，隻能轉移其存在位置和改變其物化形態。包括中和沉澱、螯合沉澱、硫化物沉澱等。
2.中和沉澱法
中和沉澱法是通過向重金屬廢水中投加堿中和劑，使汙水中重金屬離子形成溶解度較小的氫氧化物或碳酸鹽沉澱而去除的方法。其最佳適用對象為酸堿廢水和處理殘後溶液中的重金屬離子。其優點是操作簡單，缺點是沉渣量較大，含水率高，二次汙染較為嚴重並且某些離子難以達到排放的標準。
3.螯合沉澱法
螯合沉澱法利用了DTCR含有大量的極性基的特性，在自然條件捕捉汙水中重金屬陽離子(例如:Hg2+、Cd2+、Cu2+、Pb2+、Mn2+、Ni2+、Zn2+、Cr3+等)，在生成大量難溶的螯合物後沉澱析出，從而達到捕集去除重金屬離子的目的。螯合沉澱法具有技術成熟、操作簡單等諸多優點，在電子、電鍍等行業得到廣泛應用。如何降低螯合劑的成本和濾渣後續處理還值得深入研究。
4.硫化物沉澱法
硫化物沉澱法是指將重金屬廢水pH值調節為一定堿性後，向重金屬廢水中投加硫化鈉或硫化鉀等含硫化物的沉澱劑，使汙水中重金屬離子與硫離子反應生成難溶的沉澱，然後被過濾分離的方法。由於金屬硫化物的溶度積很小，致使該技術具有比如沉渣量少、容易脫水、沉渣金屬品位高、有利於金屬的回收等優點。硫化物沉澱除用於重金屬廢水的治理外，還可以用於重金屬溶液的淨化。紮伊爾共和國沙巴省紮伊爾礦業總公司西土魯鈷廠就是使用該法淨化鈷溶液。該法也有不足之處，如硫化物結晶比較細小，難以沉降等。如何改善硫化物的沉降性能值得進一步研究。
此外，重金屬廢水處理技術還包括鐵氧化沉澱法、鋇鹽沉澱法等。
5.物理化學法
處理重金屬廢水的物理化學法主要包括離子交換法、吸附法、膜分離技術和溶劑萃取法等。其中離子交換法和膜分離技術適用於含較低濃度重金屬離子汙水的處理。
6.離子交換法
離子交換法利用離子交換劑與汙水中的重金屬離子發生反應，去除廢水中的重金屬。離子交換劑有離子交換樹脂、沸石和膨潤土等。該技術具有處理汙水量大，出水水質良好，可回收重金屬資源等優點。適宜於含較低濃度重金屬離子汙水的處理。天津經濟技術開發區電鍍廢水處理中心運用離子交換車載移動處理裝置對廠區點狀分布汙染源進行源頭現場處置，輔以必要的後續集中處置，從而對開發區重金屬廢水進行合理的控製。該技術也存在反應周期較長，處理成本較高等缺點。
7.吸附法
常見的吸附法包括無機材料吸附、樹脂吸附、生物吸附。最常用的無機吸附材料為活性炭。活性炭表麵官能團可與重金屬離子發生生質子交換、離子交換、絡合反應、氧化還原反應以及粒子之間的靜電作用等，將重金屬離子從廢水中分離。近年來無機吸附材料發展較快，先後出現了活性炭纖維、沸石等衍生物等。無機材料吸附法的重金屬去除效率高，但重金屬廢水處理產生的廢渣量大，必須對其進行二次處理，成本高且容易出現二次汙染。
樹脂吸附基於樹脂中含有各種活性基團(根據活性基團種類的不同，分為陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂)，比較典型的有羥基、羧基、氨基等，能夠與廢水中重金屬離子發生螯合反應，生成穩定且不溶於水的金屬螯合物，去除廢水中的重金屬離子。該法能夠分離、純化、回收重金屬。生物吸附材料將生物質加工成的生物吸附劑。目前生物吸附劑包括細菌、藻類、酵母、黴菌等在內的生物體及其衍生物。該技術具有以下幾個特點:
一是生物吸附劑可以降解，一般不會發生二次汙染;二是來源廣泛，容易獲取並且價格便宜;三是生物吸附劑容易解析，能夠有效地回收重金屬。在實際的汙染治理過程中，pH值、溫度以及其他離子的影響較敏感，製約其應用。該技術在低濃度重金屬廢水方麵取已得了較好的效果，需繼續深入研究，擴大其應用範圍。
8.膜分離技術
膜分離技術主要包括電滲析、隔膜電解和反滲透。作為20世紀末發展起來的高新技術之一，由於其具有能耗低、分離過程中物質不發生相變、分離效果好、操作簡便、無化學副作用、無二次汙染、分離產物易於回收等優點，成為回收廢水中重金屬離子的一種很有前途的方法。自1954年第一家製膜公司WillPsCorp成立至今，膜技術已由微濾(MF)、超濾(UF)發展為納濾(NF)、反滲透技術(RO)等，這些膜技術皆可對廢水中重金屬離子進行有效分離。該技術的難點主要表現在膜的製備、穩定性和清洗等，處理成本較高也影響其推廣。
在水資源日益緊張的今天，以廢水回用和物質回收為目的的膜分離技術作為一種新型、高效的水處理技術通過進一步的完善，將得到更加廣泛的應用。
9.溶劑萃取法
溶劑萃取法是利用重金屬離子在有機相和水中溶解度的差異，重金屬濃縮於有機相，從而分離重金屬離子的方法。常用的萃取劑有磷酸三丁酯、三辛基氧化膦、二甲更急乙酰胺、三辛胺、伯胺、油酸和亞油酸等。該方法的優點是設備簡單，操作方便，萃取劑中重金屬含量高，有利於進一步回收利用。但缺點是萃取劑價格昂貴，處理不當會產生二次汙染。
10.電化學處理技術
電化學水處理技術主要包括直接電解、間接電解和電絮凝。其中，直接電解是指汙染物在電極上直接被氧化或還原而從廢水中取出;間接電解，利用電化學產生的氧化還原物質作為反應劑，使汙染物轉化成毒性更小的物質;電解絮凝是指在直流電的作用下，陽極被溶蝕，產生陽離子，再經水解、聚合等一些列過程，生成絡合物或(和)氫氧化物沉澱，使廢水中的待處置的物質凝聚沉澱而分離。隨著工藝研究的不斷深入和完善，新型電化學技術比較成功地實現了廢水中重金屬的處理和回收，並降低了廢水處理成本。隨著新型電極材料的應用和新型電極的開發聯用，電化學技術在重金屬廢水處理中將有較好的應用前景。
11.生物化學法
生物化學法借助微生物或植物的絮凝、吸收、積累、富集等作用去除汙水中重金屬的生物技術，具有原材料來源豐富、處理效果好、成本低廉等很多優點，而備受親睞。生物化學法包括生物絮凝法、生物吸附法和植物修複法。生物絮凝法是利用微生物或微生物產生的代謝物，進行絮凝沉澱的一種除汙方法。生物吸附是對於經過一係列生物化學作用使重金屬離子被微生物細胞吸附的概括理解，這些作用包括絡合、鼇合、離子交換、吸附等。植物對重金屬的吸收富集機理，主要為兩個方麵:一是利用植物發達的根係對重金屬廢水的吸收作用，達到對重金屬的富集和積累。二是利用微生物和重金屬的親和作
用，把重金屬轉化為較低毒性的產物。通過收獲或移去已積累和富集了重金屬的植物的枝條，降低土壤或水體中的重金屬濃度，達到治理汙染、修複環境的目的。
重金屬廢水處理新技術
1.光催化技術
光催化法是指利用光催化劑表麵的光生電子或空穴等活性物種，與汙水中重金屬離子發生氧化還原反應，從而實現重金屬廢水處理的技術。以二氧化鈦(TiO2)為例，近年來，利用半導體TiO2光催化法去除或回收廢水中的重金屬離子的研究取得了良好效果，尤其對CrS+的研究。該技術作為新興的高效節能現代汙水處理技術具備高效、無汙染等優良特性。通過對納米TiO2和其它半導體光催化劑的改性、固定化、製備方法研究的不斷深入和完善，光催化技術有可能廣泛應用於工業廢水處理領域。
2.新型介孔材料
根據國際理論和應用化學聯合會(IUPAC)定義，介孔材料指孔徑介於2～50nm的多孔材料。該材料具有長程結構有序、孔徑分布窄、比表麵大、孔隙率高且水熱穩定性好等優點。通過進一步深入研究和開發，介孔材料在重金屬廢水的處理中可能投入實際應用。
3.基因工程技術
基因工程技術應用於重金屬廢水的治理指通過轉基因技術，將具有特殊功能的外源基因轉入載體微生物細胞中，外源基因包括植物基因使之表現出寄主沒有的優良治汙性狀，從而實現對重金屬高效的生物富集，淨化汙水水質。實踐中以“重金屬+蛋白”、“重金屬+肽”以及特異性轉運係統等形式進行重金屬廢水處理，拓展生物技術在廢水處理領域應用範圍。生物富集存在飽和界點問題，影響該技術的應用。
4.膠束強化超濾———電解法
目前，將膜技術和電化學法這兩種技術結合處理重金屬廢水的方法備受關注。該工藝能夠實現汙水的淨化處理與重金屬資源的有效回收共同進行。如:膠束強化超濾(MEUF)———電解法。其工作原理為:當表麵活性劑濃度超過其臨界膠束濃度時，大的兩性聚合物膠束形成，溶液經過超濾膜時，吸附有大部分金屬離子和有機溶質的膠束被截留，透過液可回用，含重金屬的濃縮液則進一步被電解，回收重金屬。以單皮層聚醚酰亞胺(PEI)中空纖維超濾膜進行重金屬廢水處理試驗結果表明超濾膜對廢水中重金屬離的截留去除效果良好。
MEUF在處理重金屬廢水中具有良好的應用潛力。
5.重金屬汙染防治的技術發展方向
國內外不少成功的案例表明，重金屬汙染治理與其回收利用相結合是重金屬汙染防治的發展之路，也是技術開發與應用的方向。
寧夏某錳業創新科技有限公司地處生態脆弱、黃河上遊環境敏感地區，越發展越發現生態環境的製約瓶頸凸顯。隨著企業的不斷，其資源能源消耗高、汙染物產生量大的問題日益突顯。
該公司以變廢為寶，實現資源的綜合利用為原則，建設了廢水綜合治理係統(工藝流程見下圖)。該係統采用膜法新技術實現廢水深度處理，處理後的廢水循環利用。膜分離產生的濃水經多效蒸發濃縮回收產品。該係統成功地實現了同時達成重金屬汙染治理與其回收利用的目標。
6.結語
重金屬廢水汙染的情況因重金屬種類不同而有類、性質、組成以及要求標準等選擇相應的合適處理方法。所差異，所采用的處理方法也不盡相同，根據其種物理、化學、生物、基因技術和MEUF等方法重金屬廢水的處理中都起到了積極作用。隻有因地製宜地選擇重金屬廢水的處理技術，才能取得良好的效果。重金屬廢水汙染治理與重金屬的回收利用相結合是未來治理的發展之路，也是技術開發與應用的方向。更多工業廢水處理問題，可以搜索亚洲线精品一区二区三区八戒水處理官網或者關注亚洲线精品一区二区三区八戒水處理微信公眾號，與水處理專家谘詢，他們會幫你提供水處理方麵最專業的建議和意見。
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