含重金属废水的处理方法探析

Posted 2023-01-12 重金属

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1.重金属废水处理现状
近年来，我国工业化进程的加快给人们的生活带来了翻天覆地的变化。提高人们生活水平的同时也造成了严重的环境污染，水污染中重金属(密度大于5g/cm3)污染水体导致的后果尤为严重。含重金属的废水主要来源于矿石冶炼、机械制造、化工生产、电子生产等工业生产过程。未经处理或处理不达标的含重金属的工业废水直接排放到江河湖泊中，造成了所排放水体的污染。受重金属污染的水体无法得到自然净化，自然界中生物分解对重金属离子不起作用，造成水体永久污染无法直接回收利用，一定程度上加剧了我国可用淡水资源匮乏的现状。
含重金属的工业废水流入河流而造成的水污染，严重威胁着人们的生活和生产。2009 年武冈市的企业污染事件中检测的1958 名儿童中有1354 人查出疑似血铅超标，引起了附近村民的极度恐慌；重金属引起的污染事件屡屡发生，应当引起我们的重视。在可用淡水资源匮乏的今天，我们应该如何处理含重金属的废水?实现工业废水回收利用，是水污染治理的难题。
含重金属废水的处理方法主要有化学法、物理化学法和生物法三种。化学法处理含重金属废水是目前最常用的水处理方法，其原理是利用化学反应分离出水中的重金属离子，常用的有石灰中和法、电解法、氧化还原法等；物理化学法不同于化学法，在处理重金属废水时将重金属离子分离出来但不改变重金属离子型态，常用的方法有溶剂萃取分离、吸附分离、电渗析分离、离子交换、液膜分离等；生物法处理重金属废水是未来水处理研究的主要方向，其原理是利用植物和微生物对重金属离子的富集、积累作用、吸收作用和絮凝作用，将重金属离子从水中分离出来。与化学法、物理化学法生物法具有环境友好型、处理成本小等优点，受到世界各国的青睐，但是技术相对不成熟，还未得到广泛应用。
石灰中和法是目前最常用的重金属污水处理方法，经石灰中和、絮凝沉淀处理后的含重金属废水虽然重金属含量能够达到标准，但水质属于结垢型，需要除盐处理才能回收利用。下面介绍另外两种含重金属废水的处理方法：吸附法和人工湿地法。
2.吸附法在重金属废水处理中的应用及其影响因素
a.化学吸附机理是利用共用电子对形成配位化合物或电子转移生成化学键来达到吸附效果，一般具有羧基、羟基、氨基的吸附剂分子具有优良的化学吸附作用。这些基团具有优良的交联、吸附、螯合性能，与重金属离子作用形成的化合物具有笼形网状结构，对重金属离子具有较强的吸附作用。以CS2、NaOH 和PAM 为原料，刘立华等人合成了一种新型絮凝剂PAMX 并对其进行模拟实验。研究表明，含25mg/L 铜离子和50mg/L 镍离子的废水在经加入PAMX 处理后残余铜离子和镍离子含量都符合国家综合排污标准的一级标准，并且PAMX 絮凝剂的适用酸碱度范围较宽。
b.物理吸附是利用分子筛、活性炭、沸石等吸附剂分子与重金属分子间的分子作用力，实现重金属分子的吸附分离。其优点是可重复利用、吸附效率较高，但是物理吸附剂的吸附效果对溶液酸碱性的依赖性较大。肖乐勤等人采用静态吸附法，分别使用经氧化改性后的ACF(活性炭纤维)和未经氧化改性的ACF 进行水体中铅离子的吸附实验。实验证明氧化改性前后ACF 对铅离子具有较高的吸附速率；而氧化改性后ACF 对铅离子的饱和吸附容量增加了1.3 倍；另外ACF 的吸附容量对溶液酸碱度表现出较强依赖性，在PH=5.5 时达到最大。
c.生物吸附是利用藻类和微生物菌体等生物体对重金属离子吸附作用，实现废水中重金属离子的分离。藻类、微生物等作为吸附剂不会造成水体的二次污染，并且有适用范围广、成本低等优点。邓燕宁等的铁离子、镉离子废水模拟实验，吸附剂为沸石和细菌絮凝剂。实验证明细菌絮凝剂在处理铁离子浓度很高的废水时，表现出比沸石更好的吸附性。
吸附剂的吸附性能受到多种因素的影响。i.温度。单宝田等人做的沸石吸附分离废水中以Cu(HN3)42+ 形式存在的铜的实验，结果显示沸石对络合离子的吸附量先随温度的升高而增加，到达某个温度时，在增加温度沸石的吸附量反而降低了。ii.吸附时间。Deng 等人在某功能化石墨烯的吸附性能实验中发现，随着吸附时间的延长该石墨烯对铅离子和镉离子的吸附量首先以直线增长然后增长速度变缓直至达到最大吸附量，再延长时间吸附量不再增加。iii.溶液酸碱度。冯咏梅等人在进行藻类吸附分离废水中的镍离子实验中发现，一定酸碱度范围内海藻对镍离子的吸附量随着PH 值得增大而增大。iv.废水中重金属的浓度。Chen 等在进行某种新型螯合树脂对铜离子的吸附实验时发现，给定温度和PH 值下随着铜离子浓度的增加吸附速率加快，浓度达到360mg/kg 时吸附速率最大。
3.人工湿地在重金属废水处理中的应用及影响因素
湿地被称为天然的净化池，它是一个由基质、微生物和植物构成的复杂生态系统，能够除去污水中的各种有害物质，如，氮、磷、砷、铁、镍、镉、有机物等，并且净化后的污水可以直接用于生活生产。受湿地的启发开发出了专门用于处理含重金属废水的人工湿地，目前，国外的一些人工湿地运行状况良好，在处理含重金属废水方面都取得了良好的效果。人工湿地处理含重金属废水是一种综合的污水处理方法，其过程包含重金属的化学吸附沉淀、基质的过滤、自然沉淀、微生物的富集和湿地植物的吸收等。
影响人工湿地去除废水中重金属性能的因素主要有：人工湿地的基质、人工湿地的植物和重金属废水的水质。i.基质是人工湿地的基础，它不但能通过过滤、吸附作用对废水进行初级净化，还能为微生物、植物提供养料和稳定的生长环境。基质填料要根据污染物的种类选取，才能有最好的吸附效果。如处理重金属废水时填料最好选用天然矿石，经济合理而且具有较好的吸附效果。在含重金属废水的处理中，天然矿石不仅具有吸附容量大、廉价、无污染等优点，而且还能够缓冲重金属对植物的毒害。
ii.人工湿地中植物的作用主要是富集、吸收污水中的重金属元素，使污水得到净化。而各种植物对重金属的富集、吸收能力是存在差异的，如沉水植物能力最强，浮水植物次之，挺水植物最弱。Liu 等的不同植物对重金属的吸收去除实验也证明了，植物的种类对重金属去除效率有影响。
iii.废水的水质主要是指对中污染物的种类、浓度等。高浓度的污染物超过了人工湿地的承受范围，会使湿地环境恶化，降低湿地的除污能力。另外，Lesage 等证明了同一种人工湿地对不同种类重金属的处理能力存在差异。
除以上因素外，人工湿地处理含重金属废水的重金属去除效率还在一定程度上受到电导率、环境气候等的影响。