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          重金屬廢水處理技術探討及其前景展望

          發布時間:2012-1-29 15:00:36  中國污水處理工程網

          隨著經濟的快速發展,廢水的大量排放,土壤和水源中重金屬積累的加劇,重金屬的污染也日益嚴重。由于重金屬易通過食物鏈而生物富集,構成對生物和人體健康的嚴重威脅。如何有效地治理重金屬污染已成為人類共同關注的問題。而重金屬的污染情況在開發區的污水中也較為嚴重,根據長沙市環境監測站的檢測情況,我們發現開發區廢水中的鎳(Ni)存在間歇超標的現象,在對污泥進行監測的時候也發現了污泥中總鎘、總鎳、總銅超過了污泥農用時污染控制標準限值因此在這里對重金屬的處理方法進行了以及發展前景進行了探討。

          國內外學者對重金屬污染的治理問題做了大量的研究。目前已開發應用的廢水處理方法主要有化學法、物理化學法和生物法,包括化學沉淀、電解、離子交換、膜分離、活性碳和硅膠吸附、生物絮凝、生物吸附、植物整治等方法。采用化學法、物理化學法都將殘生污染轉移,易造成二次污染,且對于大流域、低濃度的有害重金屬污染難以處理。而生物法具有效果好、投資少及運作費用低、易于管理和操作、不產生二次污染等優點,日益受到人們的關注。下面就這幾種方法進行探討:

          1 化學法

          化學法主要包括化學沉淀法和電解法,主要適用于含較高濃度重金屬離子廢水的處理。

          化學沉淀法的原理是通過化學反應使廢水中呈溶解狀態的重金屬轉變為不溶于水的重金屬化合物,通過過濾和分離使沉淀物從水溶液中去除,包括中和沉淀法、硫化物沉淀法、鐵氧體共沉淀法。由于受沉淀劑和環境條件的影響,沉淀法往往出水濃度達不到要求,需作進一步處理,產生的沉淀物必須很好地處理與處置,否則會造成二次污染。

          電解法是利用金屬的電化學性質,金屬離子在電解時能夠從相對高濃度的溶液中分離出來,然后加以利用。電解法主要用于電鍍廢水的處理,這種方法的缺點是水中的重金屬離子濃度不能降的很低。所以,電解法不適于處理較低濃度的含重金屬離子的廢水。

          2 物理化學法

          離子交換法和膜分離技術適用于含較低濃度重金屬離子廢水的處理。

          離子交換法是在離子交換器中進行,此方法借助離子交換劑來完成。在交換器中按要求裝有不同類型的交換劑,含重金屬的液體通過交換劑時,交換劑上的離子同水中的重金屬離子進行交換,達到去除水中重金屬離子的目的。這種方法受交換劑品種、產量和成本的影響。幾年來,國內外學者就離子交換劑的研制開發展開了大量的研究工作。隨著離子交換劑的不斷涌現,在電鍍廢水深度處理、高價金屬鹽類的回收等方面,離子交換法越來越展現出其優勢。

          膜分離技術是利用一種特殊的半透膜,在外界壓力的作用下,不改變溶液中化學形態的基礎上,將溶劑和溶質進行分離或濃縮的方法,包括電滲析和隔膜電解。電滲析是在直流電場作用下,利用陰陽離子交換膜對溶液陰陽離子選擇透過性使水溶液中重金屬離子與水分離的一種物理化學過程。隔膜電解是以膜隔開電解裝置的陽極和陰極而進行電解的方法,實際上是把電滲析與電解組合起來的一種方法。上述方法在運行中都遇到了電極極化、結垢和腐蝕等問題。

          3 生物法

          3.1 生物絮凝法

          生物絮凝法是利用微生物或微生物產生的代謝物,進行絮凝沉淀的一種除污方法。微生物絮凝劑是由微生物自身構成的,具有高效絮凝作用的天然高分子物,它的主要成分是糖蛋白、粘多糖、纖維素和核酸等。由于多數微生物具有一定線性結構,有的表面具有較高電荷或較強的親水性,能與顆粒通過各種作用相結合,起到很好的絮凝效果。目前開發出具有絮凝作用的微生物有細菌、霉菌、放線菌、酵母菌和藻類等共17種。其中對重金屬有絮凝作用的有12種。陳天等[7]利用從多種微生物中提取的殼聚糖為絮凝劑回收模擬工業廢水中Pb2+、Cr3+、Cu2+,在離子濃度是100mg/L的200mL廢水中加入10mg殼聚糖,處理后溶液中Cr3+、Cu2+濃度都小于0.1mg/L, Pb2+濃度小于1 mg/L,得到了令人滿意的結果。用微生物絮凝法處理廢水安全方便無毒、不產生二次污染、絮凝效果好,且微生物生長快、易于實現工業化等特點。此外,微生物可以通過遺傳工程、馴化或構造出具有特殊功能的菌株。因此微生物絮凝法具有廣闊的發展前景。

          3.2 生物吸附法

          生物吸附是對于經過一系列生物化學作用使重金屬離子被微生物細胞吸附的概括理解,這些作用包括絡合、鰲合、離子交換、吸附等。這些微生物從溶液中分離金屬離子的機理有胞外富集、沉淀;細胞表面吸附或絡合;胞內富集。其中細胞表面吸附或絡合對死活微生物都存在,而胞內和胞外的大量富集則往往要求微生物具有活性。許多研究表明活的微生物和死的微生物對重金屬離子都有較大的吸附能力,作為生物吸附劑的生物源能夠從低濃度的含重金屬離子的水溶液中吸附重金屬,且有實用價值的微生物容易獲得。例如:發酵過程中的酵母菌是生物吸附劑很好的生物源,大量來自海洋中的藻類也是便宜的生物源。趙玲等用海洋赤潮生物原甲藻(Prorocentrum micans)的活體和甲醛殺死的藻體對Cu2+、Pb2+、Ni2+、Zn2+、Ag1+、Cd2+的吸附能力進行研究,實驗證明,金屬離子混合液經原甲藻吸附30min后,各離子的濃度顯著下降且達到平衡,原甲藻的活體和死體對這六種金屬離子具有相似的吸附能力。

          利用載體通過物理或化學方法將微生物吸附劑經預處理固定后,吸附劑吸附機械強度和化學穩定性增強、使用周期延長、可以提高廢水處理的深度和效率、減少吸附—解吸循環中的損耗。近年來,國內外很多學者開展了固定化細胞處理含重金屬有毒廢水的研究工作。生物吸附劑具有來源廣、價格低、吸附能力強、易于分離回收重金屬等特點,而且使用死的微生物作為生物源具有容易固定化,并可根據需要制成特殊的生物吸附劑并反復使用。因此,生物吸附法有很好的工業應用前景。現階段我國的污水處理廠大多數采用活性污泥處理法,因此可以考慮在需進行重金屬去除的地域,通過對活性污泥的馴化(在此過程中應注意避免過量重金屬使活性污泥中毒),以及生物接種法接種相應的菌種,達到對低濃度含重金屬污水的處理。

          3.3 植物整治技術

          植物對重金屬的吸收富集機理,主要為兩個方面:一是利用植物發達的根系對重金屬廢水的吸收過濾作用,達到對重金屬的富集和積累。二是利用微生物的活性原則和重金屬與微生物的親和作用,把重金屬轉化為較低毒性的產物。通過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,達到治理污染、修復環境的目的。

          在植物整治技術中能利用的植物很多,有藻類植物、草本植物、木本植物等等。其主要特點是對重金屬具有很強的耐毒性和積累能力,不同種類植物對不同重金屬具有不同的吸收富集能力,而且其耐毒性也各不相同。

          浩云濤等分離篩選獲得了一株高重金屬抗性的橢圓小球藻(Chlorella ellipsoidea),并研究了不同濃度的重金屬銅、鋅、鎳、鎘對該藻生長的影響及其對重金屬離子的吸收富集作用。結果顯示,該藻對Zn2+和Cd2+具有很高的耐受性。對四種重金屬的耐受能力依次為鋅>鎘>鎳>銅。該藻對重金屬具有很好的去除效果,經15μmol/L Cu2+、300μmol/L Zn2+、100μmol/L Ni2+、30μmol/L Cd2+濃度72h處理,去除率分別達到40.93%、98.33%、97.62%、86.88%。由此可見,此藻類可應用于含重金屬廢水的處理。

          對重金屬離子具有吸附作用的草本植物有鳳眼蓮(Eichhoria crassipes Somis)、香蒲(Typhao rientalis Presl)等。香蒲是國際上公認和常用的一種治理污染的植物,它具有特殊的結構與功能,如葉片成肉質、柵欄組織發達等。香蒲植物長期生長在高濃度重金屬廢水中形成特殊結構以抵抗惡劣環境并能自我調節某些生理活動,以適應污染毒害。招文銳等研究了寬葉香蒲人工濕地系統處理廣東韶關凡口鉛鋅礦選礦廢水的穩定性。歷時10年的監測結果表明,該系統能有效地凈化鉛鋅礦廢水。未處理的廢水含有高濃度的有害金屬鉛、鋅、鎘經人工濕地后,出水口水質明顯改善,其中鉛、鋅、鎘的凈化率分別達到99.0%,97.%和94.9%。分析其pH和Pb、Zn、Cd、Hg、As質量分數的年份和月份變化趨勢,發現經濕地處理的廢水出水水質中的各指標的年份和月份變化幅度較小,且都在國家工業污水的排放標準之下,可見該濕地的污水凈化具有很高的穩定性。

          采用木本植物來處理污染水體,具有凈化效果好,處理量大,受氣候影響小,不易造成二次污染等優點,越來越受到人們的重視。胡煥斌等試驗結果表明,蘆葦和池杉兩種植物對重金屬鉛和鎘都有較強富集能力,而木本植物池杉比草本植物蘆葦具有更好的凈化效果。周青等研究了5種常綠樹木對鎘污染脅迫的反應,實驗結果表明,在高濃度鎘脅迫下,5種樹木葉片的葉綠素含量、細胞質膜透性、過氧化氫酶活性及鎘富集量等生理生化特性均產生明顯變化,其中,黃楊、海桐,杉木抗鎘污染能力優于香樟和冬青。以木本植物為主體的重金屬廢水處理技術,能切斷有毒有害物質進入人體和家畜的食物鏈,避免了二次污染,可以定向栽培,在治污的同時,還可以美化環境,獲得一定的經濟效益,是一種理想的環境修復方法。具體參見http://www.muchasautorepair.com更多相關技術文檔。

          4 重金屬廢水處理發展趨勢及展望

          一、生物法將成為主導方法 雖然化學法、物理化學法、生物法都可以治理和回收廢水中的重金屬,但由于生物法處理重金屬廢水成本低、效益高、易管理、無二次污染、有利于生態環境的改善。另外,通過基因工程、分子生物學等技術應用,可使生物具有更強的吸附、絮凝、整治修復能力。因此生物法具有更加廣闊的發展前景。

          二、幾種技術集成起來處理重金屬廢水 重金屬廢水是一種資源,許多重金屬都比較昂貴。如果將廢水中的重金屬作為一種資源來回收,不但解決了重金屬的污染,而且還具有一定的經濟效益。電化學法就可以滿足這些要求處理重金屬廢水,但由于廢水中重金屬的濃度一般較低,用傳統的電化學法來處理,電流效率較低,電能消耗較高。因此,為滿足日益嚴格的環保要求,實現廢水回用和重金屬回收,可將幾種技術集成起來處理重金屬廢水,同時發揮各種技術的長處。Tung Chung-Ching等集成采用膠束增強超濾法去除水溶液中的銅離子取得了顯著效果。張永鋒采用絡合-超濾-電解集成技術處理重金屬廢水,超濾的濃縮液可通過電解回收重金屬,從而實現廢水回用和重金屬回收的雙重目的,為重金屬廢水的根治找到了新的出路。

          我們應該充分利用自然界中的微生物與植物的協同凈化作用,并輔之以物理或化學方法,尋找凈化重金屬的有效途徑。對重金屬的污染源頭進行嚴格的控制和監督,利用物理和化學的辦法處理好源頭的含較高濃度的重金屬廢水,不讓高含量的重金屬廢水進入城市排水管網。這樣可以減少治理成本,又減輕了二級污水廠的處理難度,取得較好的經濟效益和環境效益。在已建成的環境治理項目中,可以考慮進行對重金屬處理的改進和改造以達到對相應重金屬的處理,而在有必要進行重金屬處理的未建成環境治理項目,應該在立項時即考慮對重金屬的去除,以達到更好的治理污染,修復環境的目的。(谷騰水網)

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