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浅谈重金属废水处理技术

水是人类赖以生存和发展的物质基础,维系着整个社会的进步。据联合国一份报告指出,世界上超过1/5人口的地区处于中等或高度供水紧张状态。中国水资源总量居世界第6位,但人均水量约为世界人均水量的1/4,是水资源严重不足的国家之一,预计到2010年总缺口将达到1140亿t。近年来随着工业生产和城市现代化水平发展,废水大量排放,水源中重金属积累加剧,重金属污染严重,因此重金属废水的治理受到国内外科研工作者的高度重视。笔者对重金属废水的来源、危害,几种处理重金属废水的方法及其优缺点和发展趋势进行了综述。


1 重金属废水的来源及危害


一般来说,重金属是指密度大于4.5 g/cm3的金属,比如金、银、铜、铁、铅、锌、镍、钴、铬、汞、镉等,其中有些是人体不可缺少的微量元素,但是如果超量就会对环境或者人体造成伤害。


废水主要来源于矿山开采业、机械加工业、有色金属冶炼业、石油化工企业和电镀行业等,比如选矿尾矿排水,机械加工用水,有色金属冶炼厂除尘排水,有色金属加工厂酸洗水,废旧电池垃圾处理用水,废石场浸淋水等。除此之外,在医药、农药、油漆、涂料等行业也会产生重金属废水。重金属废水中的重金属种类和含量跟从事的行业密切相关。


金属废水污染具有独特的性质。先是其生物不可降解性,其次还具备毒性持久性。重金属废水进入江河湖泊,污染土壤,其中的金属可以被农作物吸收,影响农作物的生长,造成减产或者更大的损失。重金属也可通过植物的根系进入食物链,其副作用会被放大,在人体内聚集,导致新陈代谢紊乱,生物机能下降,对人体造成极大伤害。1956 年日本熊本县水俣镇一家氮肥公司排放的废水中有汞,含汞的废水在海水和鱼类中聚集,导致中毒病人2248人,其中死亡 1004人。重金属废水带来的伤害之大,损失之重让人扼腕叹息,因此,正确处理重金属废水具有重要的意义。


2 重金属废水处理的传统方法


重金属废水处理的传统工艺方法主要有化学沉淀法、电化学法、膜分离法、吸附法、电解法等。


2.1 化学沉淀法


化学沉淀法是指在废水中加入药品制剂,通过化学反应,溶解在水溶液中的金属离子变成不溶性的沉淀物进而分离出来的方法。比较常用的有中和沉淀法、硫化物沉淀法和铁氧体沉淀法。中和沉淀法是指在重金属废水中加入碱性溶液,一般选择石灰水(Ca(OH)2溶液),废水中的重金属离子会生成难溶性的氢氧化物沉淀。这种方法操作简单,应用广泛,但是容易造成二次污染。硫化物沉淀法是指在重金属废水中加入硫化钠(Na2S)溶液,是废水中的重金属离子以硫化物的形式沉淀下来。这种方法形成的沉淀比较稳定,容易进一步处理。铁氧体沉淀法是向重金属废水中加入铁盐,通过控制工艺流程,使其中的多种重金属离子与铁盐形成铁氧体共沉淀,然后分离去除。这种方法可以同时去除多种重金属离子,在应用上具有独特的优势。


2.2 电化学法


电化学法是指运用电解的基本原理,使废水中的重金属离子通过电解作用在正负两极上分别发生氧化还原反应,使重金属聚集,沉淀在电极表面或者沉淀到容器底部,然后进行处理。这种方法是一个复杂的工艺处理过程,期间发生了氧化还原反应、沉淀反应,并且需要进一步分离净化,但是这种方法可以回收一些重金属,具有一定的价值,但是其成本略高。若处理低浓度的重金属废水时考虑其成本则很少使用此种方法。


2.3 膜分离法


膜分离技术是指在分离工艺中,利用一种特殊的半透膜,在外界压力的作用下,不改变溶液中溶质的化学形态,将溶质和溶剂进行分离浓缩的方法。根据使用的半透膜的性能不同,膜分离法可以分为微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、液膜等方法。这种方法将废水中的重金属离子转化为特定的大小的不溶状态的微小颗粒,然后通过滤膜将其除去。膜分离法优点突出,效率高且无二次污染,但是膜的寿命短,需要认真维护,投资费用也比较高。


2.4 吸附法


吸附法是指利用吸附剂来吸附废水中重金属的方法。吸附法常见的有物理吸附法、树脂吸附法、生物吸附法。在物理吸附法中,吸附剂把废水中的重金属离子吸附到表面,进而除去废水中的重金属离子。吸附剂应该具备较高的比表面积或者吸附剂表面具有丰富的高密度空隙结构。常用的吸附剂有活性炭、沸石、粘土矿物、分子筛等。活性炭是使用早,应用广泛的吸附剂。活性炭的吸附能力强,吸附容量大,可以同时吸附多种重金属离子,但是使用寿命短、价格昂贵。树脂吸附法是利用树脂中的一些官能团和重金属离子螯合形成网状配合物来进行吸附。树脂中含有很多活性官能团,有羟基、羧基、氨基等,这些活性的官能团可以有效地和金属离子发生鳌合反应。其中应用多的是壳聚糖及其衍生物,很多环保学者已经证实其具备良好的吸附性能。生物吸附指利用生物体的化学结构或成分特性来吸附废水中的重金属离子。生物吸附剂本质是一种特殊的离子交换剂,主要是菌体、藻类和细胞提取物,起作用的是生物细胞。生物吸附剂因其来源丰富、价格低廉容易回收等优点在处理重金属废水中使用的越来越广泛。


3 重金属废水处理新技术


3.1 纳米技术及材料


纳米技术作为一门新兴学科,对其研究才刚刚开始。但纳米技术在水污染治理方面的巨大潜力已得到广泛认同。纳米过滤是一种由压力驱动的新型膜分离过程,介于反渗透与超滤之间。纳滤膜主要存在以下两个特点:(1)膜的截留相对分子质量为100~1 000,纳滤膜存在真正的微孔,孔径处于纳米级范围。(2)纳滤膜对不同价态离子的截留效果不同,对单价离子的截留率低,对二价及多价离子的截留率则相对较高,由于让大部分单价离子自由通过,使得纳滤膜只需使用较低的操作压力(一般为0.5~1.5 MPa);同时纳滤膜的通量高,与反渗透相对,纳米过滤具有设备投资低、能耗低的优点。目前,采用纳米过滤技术可有效去除镍﹑铬(Ⅵ)﹑镉﹑铜等重金属污染物(主要来源于工业废弃物泄漏和工业废水排放)。


3.2 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,实验室常用的光催化剂是二氧化钛(TiO2)。TiO2光催化去除重金属离子有3 种机理:(1)光生电子直接还原金属离子;(2)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;(3)氧化去除金属离子。近年来,利用半导体 TiO2光催化法去除或回收废水中的 Se4+、Cu2+、Hg2+、Ag+和Cr6+等金属离子的研究备受关注,尤其对 Cr6+的研究广泛。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。


3.3 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 2~50 nm 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(>1 000 cm2/g)、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。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。马国正等以十六烷基三甲基溴化铵为模板剂,合成了A1-MCM-41介孔分子筛,研究表明,Cd2+能定量吸附在A1-MCM-41 分子筛上,大吸附量为136.86 mg/g(Cd2+的初始质量浓度为400 mg/L)。A.M.Liu等用氨基功能介孔材料SBA-15处理含重金属废水,结果显示SBA-15(NH2)对 Cu2+、Zn2+、Cr3+和Ni2+均有很强的去除能力。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。


3.4 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。


4、结语


水资源匮乏和环境污染的当今社会,应该对重金属废水处理更加重视,意识到重金属废水处理具有具大意义。应当综合运用各种技术来进行处理废水中的重金属,实现水资源和重金属的双重回收,争取利益。


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