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如何進(jìn)行水處理？
本篇文章為您介紹一種實(shí)用的水處理技術(shù)——重金屬?gòu)U水處理技術(shù)，并向您具體分析該技術(shù)的研究進(jìn)展。
本篇文章為您總結(jié)近年來(lái)重金屬?gòu)U水主要處理技術(shù)，指出重金屬?gòu)U水污染治理與重金屬的回收利用相結(jié)合是未來(lái)治理的發(fā)展之路，也是技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的方向。
第一章 引言
對(duì)農(nóng)業(yè)而言，“一籽下地，萬(wàn)粒歸倉(cāng)”的豐收景象歸功于水；在工業(yè)上，水參與生產(chǎn)過(guò)程中的加工、制造、洗滌、凈化等很多方面，并發(fā)揮著重要的作用，被譽(yù)為工業(yè)的血液?？傊?，水作為世界上***常見(jiàn)的物質(zhì)之一，在生命演化歷程中起到了至關(guān)重要的作用。
然而，隨著人類(lèi)社會(huì)的不斷發(fā)展，水體也逐漸被污染，進(jìn)入水中的有毒有害物質(zhì)也越來(lái)越多。人類(lèi)的工業(yè)發(fā)展對(duì)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(yè)等行業(yè)對(duì)水體造成的重金屬污染。同時(shí)，給人類(lèi)帶來(lái)了很大的傷害。
近年來(lái)，重金屬?gòu)U水污染事件頻發(fā)。2005年北江鎘污染事故，鎘濃度超標(biāo)12倍多，使得下游數(shù)千萬(wàn)群眾的飲水安全受到威脅；2007年貴州都柳江砷污染事件，大量含砷廢水流入都柳江上游河道，造成附近10余名村民輕微中毒，并造成下游縣城及沿河鄉(xiāng)鎮(zhèn)2萬(wàn)多人生活飲水困難；2009年重金屬污染湘江威脅4000萬(wàn)人飲水安全；2009年湖南武岡市企業(yè)污染造成兒童血鉛超標(biāo)的事件，檢測(cè)認(rèn)定高鉛血癥兒童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“鉈污染門(mén)”，造成北江流域發(fā)生嚴(yán)重鎘污染等。由此可見(jiàn)，重金屬?gòu)U水的危害性巨大而且深遠(yuǎn)，對(duì)環(huán)境和人類(lèi)的安全已經(jīng)造成了不可磨滅的傷害。因此，加快重金屬?gòu)U水治理技術(shù)研發(fā)及其應(yīng)用尤為重要。
第二章 重金屬?gòu)U水
重金屬?gòu)U水是指冶煉、化工生產(chǎn)等企業(yè)加工過(guò)程中產(chǎn)生外排含重金屬離子的污水。污水中的重金屬物質(zhì)在《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB8978）有明確的界定，包括有毒金屬和類(lèi)金屬，如汞、鎘、鉻、鎳、砷、銅、鉬、鋅、錫、鈷、釩和錳等。
一、重金屬?gòu)U水的來(lái)源
重金屬?gòu)U水主要來(lái)自采礦、煉鐵、金屬加工、電鍍、農(nóng)藥、醫(yī)藥、油漆、顏料等企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排出的多種污水。其中包含的重金屬種類(lèi)、含量及其存在形式因生產(chǎn)企業(yè)的不同而有所差異。
隨著工業(yè)的發(fā)展，以及人類(lèi)自身活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響，重金屬?gòu)U水的量正逐年增加。據(jù)Nriagu估算，全球每年排放到環(huán)境中的有毒重金屬高達(dá)數(shù)百萬(wàn)噸，并且呈逐年上升的趨勢(shì)。
二、重金屬?gòu)U水的危害
重金屬?gòu)U水是一種具有強(qiáng)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(zhǎng)期持續(xù)性、生物不可降解性等特點(diǎn)，且可通過(guò)食物鏈作用進(jìn)入人體，并在人體內(nèi)累積，從而導(dǎo)致各種疾病和機(jī)能紊亂，***終對(duì)人體健康造成嚴(yán)重危害。加之世界各地相繼頻繁發(fā)生重金屬?gòu)U水污染事件:日本富縣的神通川流域出現(xiàn)的“痛痛病”，水俁灣的“水俁病”等都是重金屬污染給人體健康帶來(lái)?yè)p害的典型事例，除此之外，還有很多類(lèi)似的重金屬?gòu)U水污染事件時(shí)常發(fā)生。對(duì)人民群眾的生命健康帶來(lái)極大地威脅。因此，研究行之有效的重金屬?gòu)U水去除污方法已成為當(dāng)前的工作重點(diǎn)。
三、重金屬?gòu)U水處理技術(shù)
重金屬（如含鎘、鎳、汞、鋅等）廢水是對(duì)環(huán)境污染***嚴(yán)重和對(duì)人類(lèi)健康危害***大的工業(yè)廢水之一，其水質(zhì)水量與生產(chǎn)工藝有關(guān)。重金屬污染控制的首要方法是改革生產(chǎn)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(xué)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(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究發(fā)現(xiàn)，重金屬?gòu)U水處理技術(shù)主要包括:沉淀法、物理化學(xué)法、電化學(xué)法、生物化學(xué)法以及近年來(lái)出現(xiàn)的一系列新技術(shù)，具體情況如下。
1、沉淀法
沉淀法處理模式為“重金屬?gòu)U水+沉淀劑→沉淀物”，經(jīng)過(guò)濾使得重金屬離子得以去除。其實(shí)質(zhì)是重金屬?gòu)U水中的重金屬一般不能被分解破壞，只能轉(zhuǎn)移其存在位置和改變其物化形態(tài)。包括中和沉淀、螯合沉淀、硫化物沉淀等。
（1）中和沉淀法
中和沉淀法是通過(guò)向重金屬?gòu)U水中投加堿中和劑，使污水中重金屬離子形成溶解度較小的氫氧化物或碳酸鹽沉淀而去除的方法。其***佳適用對(duì)象為酸堿廢水和處理殘后溶液中的重金屬離子。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是沉渣量較大，含水率高，二次污染較為嚴(yán)重并且某些離子難以達(dá)到排放的標(biāo)準(zhǔn)。
（2）螯合沉淀法
螯合沉淀法利用了DTCR含有大量的極性基的特性，在自然條件捕捉污水中重金屬陽(yáng)離子（例如:Hg2+、Cd2+、Cu2+、Pb2+、Mn2+、Ni2+、Zn2+、Cr3+等），在生成大量難溶的螯合物后沉淀析出，從而達(dá)到捕集去除重金屬離子的目的。螯合沉淀法具有技術(shù)成熟、操作簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，在電子、電鍍等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。如何降低螯合劑的成本和濾渣后續(xù)處理還值得深入研究。
（3）硫化物沉淀法
硫化物沉淀法是指將重金屬?gòu)U水pH值調(diào)節(jié)為一定堿性后，向重金屬?gòu)U水中投加硫化鈉或硫化鉀等含硫化物的沉淀劑，使污水中重金屬離子與硫離子反應(yīng)生成難溶的沉淀，然后被過(guò)濾分離的方法。由于金屬硫化物的溶度積很小，致使該技術(shù)具有比如沉渣量少、容易脫水、沉渣金屬品位高、有利于金屬的回收等優(yōu)點(diǎn)。硫化物沉淀除用于重金屬?gòu)U水的治理外，還可以用于重金屬溶液的凈化。扎伊爾共和國(guó)沙巴省扎伊爾礦業(yè)總公司西土魯鈷廠就是使用該法凈化鈷溶液。該法也有不足之處，如硫化物結(jié)晶比較細(xì)小，難以沉降等。如何改善硫化物的沉降性能值得進(jìn)一步研究。
此外，重金屬?gòu)U水處理技術(shù)還包括鐵氧化沉淀法、鋇鹽沉淀法等。
2、物理化學(xué)法
處理重金屬?gòu)U水的物理化學(xué)法主要包括離子交換法、吸附法、膜分離技術(shù)和溶劑萃取法等。其中離子交換法和膜分離技術(shù)適用于含較低濃度重金屬離子污水的處理。
（1）離子交換法
離子交換法利用離子交換劑與污水中的重金屬離子發(fā)生反應(yīng)，去除廢水中的重金屬。離子交換劑有離子交換樹(shù)脂、沸石和膨潤(rùn)土等。該技術(shù)具有處理污水量大，出水水質(zhì)良好，可回收重金屬資源等優(yōu)點(diǎn)。適宜于含較低濃度重金屬離子污水的處理。天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)電鍍廢水處理中心運(yùn)用離子交換車(chē)載移動(dòng)處理裝置對(duì)廠區(qū)點(diǎn)狀分布污染源進(jìn)行源頭現(xiàn)場(chǎng)處置，輔以必要的后續(xù)集中處置，從而對(duì)開(kāi)發(fā)區(qū)重金屬?gòu)U水進(jìn)行合理的控制。該技術(shù)也存在反應(yīng)周期較長(zhǎng)，處理成本較高等缺點(diǎn)。
（2）吸附法
常見(jiàn)的吸附法包括無(wú)機(jī)材料吸附、樹(shù)脂吸附、生物吸附。***常用的無(wú)機(jī)吸附材料為活性炭。活性炭表面官能團(tuán)可與重金屬離子發(fā)生生質(zhì)子交換、離子交換、絡(luò)合反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)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(lái)無(wú)機(jī)吸附材料發(fā)展較快，先后出現(xiàn)了活性炭纖維、沸石等衍生物等。無(wú)機(jī)材料吸附法的重金屬去除效率高，但重金屬?gòu)U水處理產(chǎn)生的廢渣量大，必須對(duì)其進(jìn)行二次處理，成本高且容易出現(xiàn)二次污染。
樹(shù)脂吸附基于樹(shù)脂中含有各種活性基團(tuán)（根據(jù)活性基團(tuán)種類(lèi)的不同，分為陽(yáng)離子交換樹(shù)脂和陰離子交換樹(shù)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(fā)生螯合反應(yīng)，生成穩(wěn)定且不溶于水的金屬螯合物，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(zhì)加工成的生物吸附劑。目前生物吸附劑包括細(xì)菌、藻類(lèi)、酵母、霉菌等在內(nèi)的生物體及其衍生物。該技術(shù)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
一是生物吸附劑可以降解，一般不會(huì)發(fā)生二次污染；二是來(lái)源廣泛，容易獲取并且價(jià)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(shí)際的污染治理過(guò)程中，pH值、溫度以及其他離子的影響較敏感，制約其應(yīng)用。該技術(shù)在低濃度重金屬?gòu)U水方面取已得了較好的效果，需繼續(xù)深入研究，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。
（3）膜分離技術(shù)
膜分離技術(shù)主要包括電滲析、隔膜電解和反滲透。作為20世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)之一，由于其具有能耗低、分離過(guò)程中物質(zhì)不發(fā)生相變、分離效果好、操作簡(jiǎn)便、無(wú)化學(xué)副作用、無(wú)二次污染、分離產(chǎn)物易于回收等優(yōu)點(diǎn)，成為回收廢水中重金屬離子的一種很有前途的方法。自1954年第一家制膜公司W(wǎng)illPsCorp成立至今，膜技術(shù)已由微濾（MF）、超濾（UF）發(fā)展為納濾（NF）、反滲透技術(shù)（RO）等，這些膜技術(shù)皆可對(duì)廢水中重金屬離子進(jìn)行有效分離。該技術(shù)的難點(diǎn)主要表現(xiàn)在膜的制備、穩(wěn)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(zhì)回收為目的的膜分離技術(shù)作為一種新型、高效的水處理技術(shù)通過(guò)進(jìn)一步的完善，將得到更加廣泛的應(yīng)用。
（4）溶劑萃取法
溶劑萃取法是利用重金屬離子在有機(jī)相和水中溶解度的差異，重金屬濃縮于有機(jī)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(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，萃取劑中重金屬含量高，有利于進(jìn)一步回收利用。但缺點(diǎn)是萃取劑價(jià)格昂貴，處理不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生二次污染。
3、電化學(xué)處理技術(shù)
電化學(xué)水處理技術(shù)主要包括直接電解、間接電解和電絮凝。其中，直接電解是指污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(xué)產(chǎn)生的氧化還原物質(zhì)作為反應(yīng)劑，使污染物轉(zhuǎn)化成毒性更小的物質(zhì)；電解絮凝是指在直流電的作用下，陽(yáng)極被溶蝕，產(chǎn)生陽(yáng)離子，再經(jīng)水解、聚合等一些列過(guò)程，生成絡(luò)合物或（和）氫氧化物沉淀，使廢水中的待處置的物質(zhì)凝聚沉淀而分離。隨著工藝研究的不斷深入和完善，新型電化學(xué)技術(shù)比較成功地實(shí)現(xiàn)了廢水中重金屬的處理和回收，并降低了廢水處理成本。隨著新型電極材料的應(yīng)用和新型電極的開(kāi)發(fā)聯(lián)用，電化學(xué)技術(shù)在重金屬?gòu)U水處理中將有較好的應(yīng)用前景。
4、生物化學(xué)法
生物化學(xué)法借助微生物或植物的絮凝、吸收、積累、富集等作用去除污水中重金屬的生物技術(shù)，具有原材料來(lái)源豐富、處理效果好、成本低廉等很多優(yōu)點(diǎn)，而備受親睞。生物化學(xué)法包括生物絮凝法、生物吸附法和植物修復(fù)法。生物絮凝法是利用微生物或微生物產(chǎn)生的代謝物，進(jìn)行絮凝沉淀的一種除污方法。生物吸附是對(duì)于經(jīng)過(guò)一系列生物化學(xué)作用使重金屬離子被微生物細(xì)胞吸附的概括理解，這些作用包括絡(luò)合、鰲合、離子交換、吸附等。植物對(duì)重金屬的吸收富集機(jī)理，主要為兩個(gè)方面:一是利用植物發(fā)達(dá)的根系對(duì)重金屬?gòu)U水的吸收作用，達(dá)到對(duì)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(zhuǎn)化為較低毒性的產(chǎn)物。通過(guò)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(dá)到治理污染、修復(fù)環(huán)境的目的。
5、重金屬?gòu)U水處理新技術(shù)
（1）光催化技術(shù)
光催化法是指利用光催化劑表面的光生電子或空穴等活性物種，與污水中重金屬離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)重金屬?gòu)U水處理的技術(shù)。以二氧化鈦（TiO2）為例，近年來(lái)，利用半導(dǎo)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(duì)CrS+的研究。該技術(shù)作為新興的高效節(jié)能現(xiàn)代污水處理技術(shù)具備高效、無(wú)污染等優(yōu)良特性。通過(guò)對(duì)納米TiO2和其它半導(dǎo)體光催化劑的改性、固定化、制備方法研究的不斷深入和完善，光催化技術(shù)有可能廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水處理領(lǐng)域。
（2）新型介孔材料
根據(jù)國(guó)際理論和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）定義，介孔材料指孔徑介于2～50nm的多孔材料。該材料具有長(zhǎng)程結(jié)構(gòu)有序、孔徑分布窄、比表面大、孔隙率高且水熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)進(jìn)一步深入研究和開(kāi)發(fā)，介孔材料在重金屬?gòu)U水的處理中可能投入實(shí)際應(yīng)用。
（3）基因工程技術(shù)
基因工程技術(shù)應(yīng)用于重金屬?gòu)U水的治理指通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)，將具有特殊功能的外源基因轉(zhuǎn)入載體微生物細(xì)胞中，外源基因包括植物基因使之表現(xiàn)出寄主沒(méi)有的優(yōu)良治污性狀，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬高效的生物富集，凈化污水水質(zhì)。實(shí)踐中以“重金屬+蛋白”、“重金屬+肽”以及特異性轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)等形式進(jìn)行重金屬?gòu)U水處理，拓展生物技術(shù)在廢水處理領(lǐng)域應(yīng)用范圍。生物富集存在飽和界點(diǎn)問(wèn)題，影響該技術(shù)的應(yīng)用。
（4）膠束強(qiáng)化超濾———電解法
目前，將膜技術(shù)和電化學(xué)法這兩種技術(shù)結(jié)合處理重金屬?gòu)U水的方法備受關(guān)注。該工藝能夠?qū)崿F(xiàn)污水的凈化處理與重金屬資源的有效回收共同進(jìn)行。如:膠束強(qiáng)化超濾（MEUF）———電解法。其工作原理為:當(dāng)表面活性劑濃度超過(guò)其臨界膠束濃度時(shí)，大的兩性聚合物膠束形成，溶液經(jīng)過(guò)超濾膜時(shí)，吸附有大部分金屬離子和有機(jī)溶質(zhì)的膠束被截留，透過(guò)液可回用，含重金屬的濃縮液則進(jìn)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(jìn)行重金屬?gòu)U水處理試驗(yàn)結(jié)果表明超濾膜對(duì)廢水中重金屬離的截留去除效果良好。
四、重金屬污染防治的技術(shù)發(fā)展方向
國(guó)內(nèi)外不少成功的案例表明，重金屬污染治理與其回收利用相結(jié)合是重金屬污染防治的發(fā)展之路，也是技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的方向。
五、結(jié)語(yǔ)
重金屬?gòu)U水污染的情況因重金屬種類(lèi)不同而有類(lèi)、性質(zhì)、組成以及要求標(biāo)準(zhǔn)等選擇相應(yīng)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(jù)其種物理、化學(xué)、生物、基因技術(shù)和MEUF等方法重金屬?gòu)U水的處理中都起到了積極作用。只有因地制宜地選擇重金屬?gòu)U水的處理技術(shù)，才能取得良好的效果。重金屬?gòu)U水污染治理與重金屬的回收利用相結(jié)合是未來(lái)治理的發(fā)展之路，也是技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的方向。
