含有重金属废水处理技术的研究进展概述

    摘要：论述了处理含重金属废水的新技术，包括沉淀法、萃取法、离子交换法、吸附法、新工艺法、生化处理法等。阐述各种处理技术的原理、进展及其应用。

    关键词：重金属；废水；处理

    1含重金属离子废水处理新技术

    含重金属废水处理新技术主要包括两方面，一方面是对传统技术的改进，另一方面是处理重金属废水的新方法。

    1.1化学沉淀法

    化学沉淀法有中和沉淀法、硫化物沉淀法、钡盐沉淀法和铁氧体法[1]，其中较为新型的技术是铁氧体法。铁氧体法是日本电气公司（NEC）研究出的一种从废水中去除重金属离子的新方法。做法是：在含重金属离子的废水中加入铁盐，利用共沉法从废水中制取铁氧体粉末。铁氧体法可一次去除废水中多种重金属离子，铁氧体沉淀不再溶解。铁氧体法处理重金属废水效果好，投资省，设备简单，沉渣量少，且化学性质比较稳定。在自然条件下，一般不易造成二次污染。铁氧体法捕集金属离子的机理是通过晶格取代的方式而非一般的化学反应，因此有可能突破溶度积常数的限制而同时对多种重金属离子产生作用，特别适用于处理工业生产中所产生的含多种重金属离子的废水。

    1.2吸附法

    吸附法是利用多孔性固态物质吸附水中污染物的一种方法。海泡石[2]是一种天然纤维状含镁水合硅酸盐粘土，对废水中重金属的吸附有很好的效果，理想分子式为[Si12Mg8(OH)4](H2O)48H2O。海泡石对水中的Ni2+,Co2+,Pb2+,Cu2+和Cd2+有较好的吸附效果，尤其对高浓度重金属有较好的吸附性能。有机硅吸附剂对重金属也有较好的吸附效果[3]。有机硅吸附剂是一类由碳官能有机硅单体制备的聚合物或经这些单体处理过的无机材料或合成材料。化工及金属冶炼企业所排出的废水中常含有有色金属及有毒金属元素，采用含NHC(S)CH3和NHC(S)NH官能团的有机硅可有效地吸附这些元素，它们具有很高的吸附容量及分配系数。此类有机硅吸附剂对Hg,Cu,As,Sb的吸附容量最大，对Cu,Hg,Te,Th,Bi的分配系数大。利用这些吸附剂可以同时分离多种金属，并且可以在很宽的pH范围内吸附重金属，一般不需要特定的pH值，但净化污水的最佳pH值为5~9。未改解的水解木质素本身可以作为吸附剂，主要用于吸附去除各种重金属离子。Karsheva等人研究发现，水溶性木质素是一种有效的吸附剂，可用于去除水中的铅离子[4]。Lalvani发现一种可以吸附溶液中的Cr3+和Cr6+的木质素，该木质素可以去除63%的Cr6+、100%的Cr3+[5]。

    1.3离子交换法

    由于重金属废水中的重金属大多以离子状态存在，所以用离子交换法处理能有效地除去和回收废水中的重金属。采用微波辐射促进化学反应技术，引用氧化还原引发体系，可在纤维素上接枝丙烯酸/丙烯酰胺来合成具有特定功能的吸附树脂[5]。研究表明：在最佳的合成工艺条件下，树脂对Cu2+的吸附率为99.2%，吸附容量为49.6mg/g,用8%NH3H2O作为淋洗液对树脂洗脱再生，洗脱率在85%以上。大昂吸附树脂重复使用7次时，对重金属离子的吸附率仍可保持在90%以上,具有良好的再生使用寿命。超级吸水树脂SAPC[6]也可以脱除废水中的重金属离子，SAPC对Cr3+，Co2+离子的富集能力强，对Hg2+，Pb2+，Ni2+富集能力次之。

    1.4改性滤料法

    同济大学高乃云教授分别用氧化铝涂层砂和氧化铁涂层砂去处水中的金属锌，发现pH>9时，涂层砂除锌率达100%[7]。印度工业学院JibanK.Satpathy用平均尺寸为0.71mm的过滤石英砂涂以硝酸铁，将涂层滤料（15cm高度）置于直径1.1cm的玻璃柱中，实现了分别在不同的pH值条件下从镀镉、镀铬废水中有效去除镉、铬[7]。Edwards等人用铁氧化物覆盖的砂粒柱进行了Pb2+，Cd2+，Ni3+和Cr3+吸附实验，结果表明：水中溶解态的重金属离子Pb2+，Cd2+，Ni3+，Cr3+在pH为8.5时几乎可以全部除去[8]。高乃云等在用氧化铁涂层改性滤料除砷，实验中发现除砷效果显著，去除率可以达到95%以上，且遵循pH值、高去除率的规律[8]。

    1.5萃取法

    萃取法属于物化处理法，是水处理技术中的一个重要方法，大多数重金属废水可以用萃取法处理。传统重金属的溶剂萃取，前处理费时费力，还必须使用大量有机溶剂，如果后期处理不当，会对环境造成二次污染。而超临界CO2流体（CO2SFE），选择性好，流程简便，萃取速度快，能耗低，后处理简单，具有溶剂萃取所没有的优势。超临界流体是指处于临界温度和临界压力以上的流体。SFE化学性质稳定，萃取条件温和，萃取后可回收，无溶剂残留，被称为“绿色溶剂”，是目前应用最为广泛的超临界流体萃取剂。尽管利用CO2SFE萃取技术大规模治理环境重金属污染的经济性尚无定论，但随着工业级CO2SFE流体萃取技术的日益完善，其节能、节时、省力的优势会逐渐显现出来。

    1.6新工艺法

    1.6.1无害化诱导结晶新工艺[10]

    无害化诱导结晶新工艺利用诱导结晶原理，以碳酸钠为沉淀剂，使重金属离子形成难溶盐在流态化的硅砂表面结晶沉积从而达到去除重金属的目的。这种工艺操作方便，处理量大，占地面积小，而且在硅砂表面产生的金属沉积物，结构密实，含水率低。对反应饱和后的硅砂可采取加酸溶解回收重金属或采用水泥固化硅砂的措施，从而达到对重金属废水的最终无害化处理。重金属废水经流态化结晶沉积法及过滤处理后，重金属离子去除率可达99%，无需沉淀池，反应速度快，且无污泥产生。

    1.6.2微电解生物法组合工艺[11]

    采用微电解生物法组合工艺处理含铬废水时，在实验过程中，电镀废水中的重金属离子通过微电解法预处理可去除90%以上，剩余部分被后续工艺的微生物功能菌去除。实验结果表明：对Cr6+含量为50mg/L，Cu2+含量为15mg/L，Ni2+含量为10mg/L的废水，经处理后，重金属离子的净化率达99.9%，且无二次污染。微电解法利用机械加工过程中的废铁屑处理电镀废水，不仅处理效果较好，而且成本低廉，操作简便。生物法净化含铬电镀废水的优点是污泥量少，净化效果好。实际工程运用中，对电镀废水选用廉价的铁碳法进行预处理，再用SR功能菌进行深度处理，也不失为一种降低处理费用提高处理效率的好方法。利用微电解生物法组合工艺处理含铬电镀废水，完全能够达到国家规定的排放标准。

    1.6.3铁屑固定床工艺

    铁屑固定床处理重金属废水工艺是指：电镀生产工艺过程中产生的含Cr6+废水，经过铁屑固定床的综合作用，出水在进入沉淀池沉淀后，上清液可作为处理水排放或回用。其基本原理是铁屑对絮体的电附集和对反应的催化作用，以及电池反应产物的混凝、新生絮体的吸附和床层的过滤等作用的综合效应的结果，其中主要作用是氧化还原和电附集。该工艺具有省水、节电、运行费用低、无二次污染等特点，可以解决重金属废水治理难题，对于其他重金属的处理，只需调整工艺参数即可。

    1.7生化处理法

    生化处理法是借助微生物或植物的絮凝、吸收、积累、富集等作用去除废水中重金属的方法，包括生物吸附、生物絮凝、微生物代谢等方法。

    1.7.1生物吸附法

    生物吸附法是指生物体借助化学作用吸附金属离子的方法。藻类和微生物菌体对重金属有很好的吸附作用，并且具有成本低、选择性好、吸附量大、浓度适用范围广等优点，是一种比较经济的吸附剂。用生物吸附法从废水中去除重金属的研究，美国等国家已初见成效[12，13]。有研究者预处理假单胞菌的菌胶团后，将其固定在细粒磁铁矿上来吸附工业废水中Cu2+，发现当浓度高至100mg/L时，除去率可达96%，用酸解吸，可以回收95%铜，预处理可以增加吸附容量[14]。但生物吸附法也存在一些不足，例如吸附容量易受环境因素的影响，微生物对重金属的吸附具有选择性，而重金属废水常含有多种有害重金属，影响微生物的作用，应用上受限制等，所以还需再进行进一步研究。

    1.7.2生物絮凝法

    生物絮凝法是利用微生物或微生物产生的代谢物进行絮凝沉淀的一种除污方法。生物絮凝法的开发虽然不到20年，却已经发现有17种以上的微生物具有较好的絮凝功能，如霉菌、细菌、放线菌和酵母菌等，并且大多数微生物可以用来处理重金属。生物絮凝法具有安全无毒、絮凝效率高、絮凝物易于分离等优点，具有广阔的发展前景。邵颖和叶玉汉[15]研究了聚合铝与天然阳离子有机高分子壳聚糖复合后的絮凝特征及复合絮凝剂对重金属废水的处理应用。结果表明，聚合铝与壳聚糖复合能相互促进其絮凝效能，对重金属废水的去除率可达97%以上。

    2结语

    由于重金属废水处理比较复杂，且水体中含有多种重金属离子，所以在处理过程中应该考虑采用多种方法和工艺的综合运用，以达到最好的处理效果。在选择方法上也应该遵循经济、方便、不产生二次污染的原则。

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    时间：2011-08-09来源：电力科学与工程作者：李娜靳晓洁

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