廢水中重金屬污染處理方法

　　水環(huán)境已成為世界各國普遍關(guān)注的問題，而重金屬污染是水環(huán)境污染的一個重要方面，隨著經(jīng)濟水平以及工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，水環(huán)境中的重金屬污染日趨嚴(yán)重已成為一個不爭的事實。重金屬污染物具有不被生物降解，高毒性、高致癌性、污染長期性、易生物富集性等特點，能在動物和植物體內(nèi)積累，通過食物鏈逐步富集，對環(huán)境、生物以及人體健康造成嚴(yán)重的危害。因此，尋找安全、經(jīng)濟有效的方法來處理含重金屬廢水成為水環(huán)境修復(fù)研究中的一個重要課題。傳統(tǒng)的重金屬處理方法主要有化學(xué)沉淀法、氧化還原法、電解法、滲透膜法、理化吸附法等，雖然能達(dá)到一定的處理效果，但具有成本高、造成二次污染、操作復(fù)雜等缺點。相比傳統(tǒng)方法，近年來發(fā)展起來的生物法具有高效率、低成本、環(huán)境友好、材料來源廣、操作方便簡單等優(yōu)點，已逐漸成為重金屬水處理研究中的熱點，具有潛在及廣闊的應(yīng)用前景。

　　一、傳統(tǒng)的處理方法

　　傳統(tǒng)的處理污廢水中重金屬污染物的方法主要是有化學(xué)方法和物理方法，最常見的有化學(xué)沉淀法、氧化還原法、電解法、滲透膜法和理化吸附法等。

　　化學(xué)沉淀法即是向水中投入相應(yīng)的化學(xué)藥劑，使其與水中的重金屬離子發(fā)生反應(yīng)實現(xiàn)溶解性的金屬離子轉(zhuǎn)化為難溶或不溶的金屬化合物，通過沉淀過濾實現(xiàn)與水分離。主要包括中和沉淀法、鋇鹽沉淀法、硫化物沉淀法以及鐵氧體共沉法?；瘜W(xué)沉淀法要求對化學(xué)藥劑的投加量嚴(yán)格控制，如果投加過量則會造成水體的二次污染，因此一般都需要進(jìn)行二次處理，處理效果不徹底，且工藝比較復(fù)雜，投資高。

　　氧化還原法常用在重金屬廢水處理中的前處理。一般而言，氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)是同時發(fā)生的，但常習(xí)慣性分為藥劑氧化法和藥劑還原法。藥劑氧化法主要用于去除水中Fe2+、Mn2+，而藥劑還原法主要用于去除水中的Cr6+、Cd2+和Hg2+等重金屬離子。

　　電解法是利用直流電對溶質(zhì)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的過程。這種方法可通過控制電極電勢，將混合金屬離子進(jìn)行逐級分離，分別回收提純得到純度比較高的單一金屬，便于重金屬的直接回收利用。但電解法存在的問題是耗電量太大，工藝要求復(fù)雜，需嚴(yán)格控制溶液、pH、空氣攪拌速度等條件來避免陽極鈍化，提高分離效率。

　　滲透膜法是利用一種特殊膜在某種驅(qū)動力下將溶質(zhì)與水分子隔開，將污染物進(jìn)行濃縮的方法。在處理廢水中，去除重金屬離子主要采用的膜滲透法有反滲透膜法和電滲透膜法。滲透膜法具有不需要加入化學(xué)試劑的特點，因此也沒有二次污染問題，但其膜的價格昂貴，且易污染使得通量降底導(dǎo)致處理效果下降。

　　吸附法的基本原理主要是物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附劑種類繁多，均表達(dá)出孔隙發(fā)達(dá)、比表面積巨大的特點，活性炭是最普遍的物理吸附劑。常用的化學(xué)吸附劑有腐殖酸類物質(zhì)，適用于處理水量大、含多種重金屬離子但濃度低的礦山廢水。

　　二、生物法

　　生物法是利用活的生物體或沒有生命的生物材料對水中的重金屬離子進(jìn)行吸附、運轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)化等作用從而達(dá)到去除水體中有害重金屬離子的目的。生物法作為一種新型的處理方法，具有高效率、低成本、無二次污染、環(huán)保等優(yōu)勢。其主要包括生物吸附法、生物絮凝法、生物表面活性劑修復(fù)、復(fù)合硫酸鹽還原菌去除法、納米材料與微生物復(fù)合材料等方法。

　　2.1 生物吸附法

　　生物吸附法是利用微生物及其衍生物等吸附水中的重金屬離子從而去除水中重金屬離子的方法。生物吸附概念最早是由Ruchhoft在1949年提出來的，從20世紀(jì)50年代到現(xiàn)在，生物吸附材料不斷涌現(xiàn)，生物吸附機理研究不斷深入。生物吸附法主要包括微生物吸附法和生物質(zhì)吸附法。

　　2.1.1 微生物吸附法

　　微生物吸附法即利用微生物細(xì)胞能夠?qū)⑺械闹亟饘匐x子吸附到細(xì)胞表面，然后通過細(xì)胞膜將重金屬離子運輸?shù)郊?xì)胞體中“積累冶起來，對重金屬離子達(dá)到去除效果。在20世紀(jì)，國外學(xué)者AnoopK就通過實驗證明了微生物細(xì)胞壁化學(xué)功能團(tuán)(氨基、羧基、磷酸基等)對重金屬離子具有吸附作用。我國學(xué)者吳涓等也對黃孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)菌絲球吸附Pb2+的過程和機理進(jìn)行了研究。與傳統(tǒng)處理方法相比，微生物吸附法具有以下幾個優(yōu)點：(1)可以選擇性去除某種重金屬離子，(2)處理效率高，不引起二次污染，(3)pH值范圍較寬，(4)易于分離回收金屬。目前，已研究的關(guān)于吸附重金屬的微生物有很多，例如：苦味諾卡菌、水洗工業(yè)廢菌、青霉菌、曲霉菌、釀酒酵母、深海細(xì)菌、藻類等。

　　對于微生物吸附處理重金屬離子，目前有研究提出對微生物進(jìn)行基因工程改造，以加強對重金屬離子的吸附或代謝，從而提高處理效果，此方法在國外研究較多。如美國學(xué)者將Hg2+轉(zhuǎn)運蛋白基因merT和merP與植物螯合肽在大腸桿菌中共同表達(dá)使得大腸桿菌能夠結(jié)合的Hg2+是一般大腸桿菌的6倍，日本學(xué)者將擬南芥的植物螯合肽基因通過基因改造，讓其受固氮基因nifH啟動子的調(diào)控，并轉(zhuǎn)入紫云英根瘤菌中，這種工程菌比未經(jīng)改造的菌結(jié)合土壤中鎘的能力提升9~19倍。

　　2.1.2 生物質(zhì)吸附法

　　生物質(zhì)吸附法主要是利用廉價或廢棄的天然高分子生物質(zhì)及其改性材料對水中的重金屬離子進(jìn)行吸附處理?，F(xiàn)在研究十分活躍的生物質(zhì)吸附材料包括殼聚糖、纖維素、木質(zhì)素、農(nóng)林廢棄物等。這些天然高分子生物質(zhì)資源豐富，與傳統(tǒng)的吸附劑相比，具有可再生、易降解、成本低、環(huán)境友好、等優(yōu)點，利用農(nóng)林廢棄物處理還能達(dá)到以廢治廢的目的，綠色環(huán)保。研究發(fā)現(xiàn)通過相應(yīng)的方法化學(xué)改性生物質(zhì)材料，其處理時間縮短，效果提高，特別是對低濃度的重金屬有極強的選擇吸附能力和高吸附量，因此成為目前研究的熱點，其相關(guān)報道較多，例如林芳芳等研究的高錳酸鉀改性花生殼、劉恒博等利用氯化鋅改性小麥秸稈、張瑋等利用異丙醇溶液改性橙皮等。研究結(jié)果均表明，對生物質(zhì)材料采用相應(yīng)的改性措施后，其吸附性能有很大的改善，吸附效果提高，且再生利用性能好，是未來重金屬處理研究發(fā)展方向之一。

　　2.2 生物表面活性劑修復(fù)技術(shù)

　　生物表面活性劑是微生物在代謝過程中分泌的具有一定表面和界面活性，同時含有親水基和疏水基的兩性化合物。生物表面活性劑一般由植物、動物或微生物產(chǎn)生，主要分為糖脂類、脂多肽和脂蛋白、磷脂、脂肪酸類、聚合表面活性劑類和微性表面活性劑5大類。生物表面活性劑具有良好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性以及良好的抗菌性能。與傳統(tǒng)化學(xué)合成表面活性劑相比，其具有耐溫、耐鹽、可生物降解、環(huán)境友好、可原位合成、生產(chǎn)原料來源廣等優(yōu)點。目前在重金屬污染修復(fù)中，研究較多的生物表面活性劑有：鼠李糖脂(rhamnolipid)、槐糖脂(sophorolipid)、枯草桿菌表面活性劑(surfactin)、皂角苷(saponin)等。

　　2.3 硫酸鹽還原菌去除法

　　硫酸鹽還原菌去除法是微生物法常見的一種，該方法是利用SBR還原菌能將硫酸根離子(SO2-4)和有機硫還原為負(fù)二價的硫離子(S2-)，S2-與重金屬離子生成溶度積很小的硫化物沉淀，則重金屬被去除。相比傳統(tǒng)的硫化物沉淀法，硫酸鹽還原菌去除法對重金屬離子的去除率高，去除的重金屬種類多，處理潛力大，操作管理方便，投資運行費用低等優(yōu)勢。目前，在酸性礦山廢水的生處理中主要應(yīng)用的就是SBR處理技術(shù)，依賴高的SBR代謝活性而產(chǎn)生大量的金屬硫化物。但此方法也有一定的弊端，應(yīng)用SRB處理含重金屬廢水，通常會導(dǎo)致菌體和金屬硫化物一起沉淀，其后果是水中的微生物濃度降低，處理效果變差。針對這一問題目前有學(xué)者提出兩段式工藝和ZVI-SRB(零價鐵-硫酸鹽還原菌)系統(tǒng)。

　　2.4 納米材料與微生物復(fù)合材料

　　納米科技為解決環(huán)境問題提供了有力的技術(shù)手段，將納米材料與微生物結(jié)合形成新型的復(fù)合材料用于水中重金屬離子的處理具有潛在的應(yīng)用前景，成為目前的研究熱點之一。例如由硫酸鹽還原菌(SRB)原位生成納米級的硫鐵化合物而形成生物的硫鐵復(fù)合材料(生物硫鐵)兼具有微生物處理和化學(xué)處理方法的優(yōu)點。生物硫鐵不但具有較強的還原性還具有磁性和較強的再生性能，特別其磁性吸附作用在低濃度重金屬廢水處理中效果較好。我國學(xué)者張云松等還研究了納米TiO2結(jié)合酵母菌形成新型復(fù)合吸附劑，在特定的條件下可提高對Cu2+的吸附容量。

　　三、結(jié)語

　　重金屬污染對人類生活和環(huán)境危害大，因此對重金屬污染水的治理是水環(huán)境保護(hù)中的一項重要內(nèi)容。利用化學(xué)沉淀法、氧化還原法、電解法、滲透膜法、理化吸附法等傳統(tǒng)的處理方法雖然也能達(dá)到較好的處理效果，但其普遍存在著運行費用高、投資大、操作復(fù)雜、二次污染、處理低濃度重金屬離子效果差或成本高等缺點。生物法作為治理重金屬污染的一項新技術(shù)被廣泛關(guān)注，是近年來研究的熱點，其具有處理效率高、無二次污染、適用范圍廣、材料來源廣、成本低、操作簡單方便、易于原位修復(fù)等優(yōu)勢，并具有環(huán)保特色而其他技術(shù)不可比擬。

　　但是值得注意的是運用生物法處理水中的重金屬雖然效果極好，目前大部分的生物處理技術(shù)仍然還是停留在實驗室水平，較少應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)保領(lǐng)域中。由于生物體機制的復(fù)雜性，目前對生物體與重金屬離子的相互作用機制的研究理解還有限，生物法本身也存在著一些問題，例如利用微生物處理重金屬離子，微生物生命有限的問題，生物吸附劑來源、種類多樣化，無固定形狀，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，生物吸附劑最終去向等問題。但我認(rèn)為利用生物法去除水中的重金屬仍然是最具潛力的處理方法，是重金屬處理未來必然的發(fā)展趨勢，具有廣闊的應(yīng)用前景。針對目前所存在的一些問題，建議在今后的研究領(lǐng)域中可以從以下幾個方面實現(xiàn)研究突破：

　　(1)進(jìn)一步對生物體對重金屬離子的作用機制進(jìn)行系統(tǒng)性的總結(jié)和深入的理論構(gòu)建

　　(2)研究開發(fā)新型高效、低成本、可持續(xù)處理大量重金屬廢水的生物處理技術(shù)及工藝

　　(3)對來源廣泛，成分復(fù)雜的生物材料進(jìn)行處理制成固定化的產(chǎn)品，并制定一定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類使其便于投入實際應(yīng)用

　　(4)研究環(huán)保有效的方式解決生物處理材料的最終處置問題。

　　(來源：中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司)