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重金屬廢水處理技術研究進展

發布時間:2019-06-29 08:49人氣:

對農業而言,“一籽下地,萬粒歸倉”的豐收景象歸功于水;在工業上,水參與生產過程中的加工、制造、洗滌、凈化等很多方面,并發揮著重要的作用,被譽為工業的血液??傊?,水作為世界上最常見的物質之一,在生命演化歷程中起到了至關重要的作用。

然而,隨著人類社會的不斷發展,水體也逐漸被污染,進入水中的有毒有害物質也越來越多。人類的工業發展對水體的損害十分巨大,特別是采礦、冶金、化工、電鍍和電子工業等行業對水體造成的重金屬污染。同時,給人類帶來了很大的傷害。

2重金屬廢水

重金屬廢水是指冶煉、化工生產等企業加工過程中產生外排含重金屬離子的污水。污水中的重金屬物質在《污水綜合排放標準》(GB8978)有明確的界定,包括有毒金屬和類金屬,如汞、鎘、鉻、鎳、砷、銅、鉬、鋅、錫、鈷、釩和錳等。

2.1重金屬廢水的來源

重金屬廢水主要來自采礦、煉鐵、金屬加工、電鍍、農藥、醫藥、油漆、顏料等企業生產過程中排出的多種污水。其中包含的重金屬種類、含量及其存在形式因生產企業的不同而有所差異。

2.2重金屬廢水的危害

重金屬廢水是一種具有強毒性、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、長期持續性、生物不可降解性等特點,且可通過食物鏈作用進入人體,并在人體內累積,從而導致各種疾病和機能紊亂,最終對人體健康造成嚴重危害。加之世界各地相繼頻繁發生重金屬廢水污染事件:日本富縣的神通川流域出現的“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損害的典型事例,除此之外,還有很多類似的重金屬廢水污染事件時常發生。對人民群眾的生命健康帶來極大地威脅。因此,研究行之有效的重金屬廢水去除污方法已成為當前的工作重點。

3重金屬廢水處理技術

重金屬(如含鎘、鎳、汞、鋅等)廢水是對環境污染最嚴重和對人類健康危害最大的工業廢水之一,其水質水量與生產工藝有關。重金屬污染控制的首要方法是改革生產工藝,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。經過長期的研究發現,重金屬廢水處理技術主要包括:沉淀法、物理化學法、電化學法、生物化學法以及近年來出現的一系列新技術,具體情況如下。

3.1沉淀法

沉淀法處理模式為“重金屬廢水+沉淀劑→沉淀物”,經過濾使得重金屬離子得以去除。其實質是重金屬廢水中的重金屬一般不能被分解破壞,只能轉移其存在位置和改變其物化形態。包括中和沉淀、螯合沉淀、硫化物沉淀等。

3.1.1中和沉淀法

中和沉淀法是通過向重金屬廢水中投加堿中和劑,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。其最佳適用對象為酸堿廢水和處理殘后溶液中的重金屬離子。其優點是操作簡單,缺點是沉渣量較大,含水率高,二次污染較為嚴重并且某些離子難以達到排放的標準。

3.1.2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,從而達到捕集去除重金屬離子的目的。螯合沉淀法具有技術成熟、操作簡單等諸多優點,在電子、電鍍等行業得到廣泛應用。如何降低螯合劑的成本和濾渣后續處理還值得深入研究。

3.1.3硫化物沉淀法

硫化物沉淀法是指將重金屬廢水pH值調節為一定堿性后,向重金屬廢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生成難溶的沉淀,然后被過濾分離的方法。由于金屬硫化物的溶度積很小,致使該技術具有比如沉渣量少、容易脫水、沉渣金屬品位高、有利于金屬的回收等優點。硫化物沉淀除用于重金屬廢水的治理外,還可以用于重金屬溶液的凈化。該法也有不足之處,如硫化物結晶比較細小,難以沉降等。如何改善硫化物的沉降性能值得進一步研究。

此外,重金屬廢水處理技術還包括鐵氧化沉淀法、鋇鹽沉淀法等。

3.2物理化學法

處理重金屬廢水的物理化學法主要包括離子交換法、吸附法、膜分離技術和溶劑萃取法等。其中離子交換法和膜分離技術適用于含較低濃度重金屬離子污水的處理。

3.2.1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生反應,去除廢水中的重金屬。離子交換劑有離子交換樹脂、沸石和膨潤土等。該技術具有處理污水量大,出水水質良好,可回收重金屬資源等優點。適宜于含較低濃度重金屬離子污水的處理。天津經濟技術開發區電鍍廢水處理中心運用離子交換車載移動處理裝置對廠區點狀分布污染源進行源頭現場處置,輔以必要的后續集中處置,從而對開發區重金屬廢水進行合理的控制。該技術也存在反應周期較長,處理成本較高等缺點。

3.2.2吸附法

常見的吸附法包括無機材料吸附、樹脂吸附、生物吸附。最常用的無機吸附材料為活性炭?;钚蕴勘砻婀倌軋F可與重金屬離子發生生質子交換、離子交換、絡合反應、氧化還原反應以及粒子之間的靜電作用等,將重金屬離子從廢水中分離。近年來無機吸附材料發展較快,先后出現了活性炭纖維、沸石等衍生物等。無機材料吸附法的重金屬去除效率高,但重金屬廢水處理產生的廢渣量大,必須對其進行二次處理,成本高且容易出現二次污染。

樹脂吸附基于樹脂中含有各種活性基團(根據活性基團種類的不同,分為陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂),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生螯合反應,生成穩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加工成的生物吸附劑。目前生物吸附劑包括細菌、藻類、酵母、霉菌等在內的生物體及其衍生物。該技術具有以下幾個特點:

一是生物吸附劑可以降解,一般不會發生二次污染;二是來源廣泛,容易獲取并且價格便宜;三是生物吸附劑容易解析,能夠有效地回收重金屬。在實際的污染治理過程中,pH值、溫度以及其他離子的影響較敏感,制約其應用。該技術在低濃度重金屬廢水方面取已得了較好的效果,需繼續深入研究,擴大其應用范圍。

3.3電化學處理技術

電化學水處理技術主要包括直接電解、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,利用電化學產生的氧化還原物質作為反應劑,使污染物轉化成毒性更小的物質;電解絮凝是指在直流電的作用下,陽極被溶蝕,產生陽離子,再經水解、聚合等一些列過程,生成絡合物或(和)氫氧化物沉淀,使廢水中的待處置的物質凝聚沉淀而分離。隨著工藝研究的不斷深入和完善,新型電化學技術比較成功地實現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用和新型電極的開發聯用,電化學技術在重金屬廢水處理中將有較好的應用前景。

3.4生物化學法

生物化學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,具有原材料來源豐富、處理效果好、成本低廉等很多優點,而備受親睞[35]。生物化學法包括生物絮凝法、生物吸附法和植物修復法。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。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。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作用,達到對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。

3.5重金屬廢水處理新技術

3.5.1光催化技術

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生氧化還原反應,從而實現重金屬廢水處理的技術。以二氧化鈦(TiO2)為例,近年來,利用半導體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CrS+的研究。該技術作為新興的高效節能現代污水處理技術具備高效、無污染等優良特性。通過對納米TiO2和其它半導體光催化劑的改性、固定化、制備方法研究的不斷深入和完善,光催化技術有可能廣泛應用于工業廢水處理領域。

3.5.2新型介孔材料

根據國際理論和應用化學聯合會(IUPAC)定義,介孔材料指孔徑介于2~50nm的多孔材料。該材料具有長程結構有序、孔徑分布窄、比表面大、孔隙率高且水熱穩定性好等優點。通過進一步深入研究和開發,介孔材料在重金屬廢水的處理中可能投入實際應用。

3.5.3基因工程技術

基因工程技術應用于重金屬廢水的治理指通過轉基因技術,將具有特殊功能的外源基因轉入載體微生物細胞中,外源基因包括植物基因使之表現出寄主沒有的優良治污性狀,從而實現對重金屬高效的生物富集,凈化污水水質。實踐中以“重金屬+蛋白”、“重金屬+肽”以及特異性轉運系統等形式進行重金屬廢水處理,拓展生物技術在廢水處理領域應用范圍。生物富集存在飽和界點問題,影響該技術的應用。

3.5.4膠束強化超濾———電解法

目前,將膜技術和電化學法這兩種技術結合處理重金屬廢水的方法備受關注。該工藝能夠實現污水的凈化處理與重金屬資源的有效回收共同進行。如:膠束強化超濾(MEUF)———電解法。其工作原理為:當表面活性劑濃度超過其臨界膠束濃度時,大的兩性聚合物膠束形成,溶液經過超濾膜時,吸附有大部分金屬離子和有機溶質的膠束被截留,透過液可回用,含重金屬的濃縮液則進一步被電解,回收重金屬。以單皮層聚醚酰亞胺(PEI)中空纖維超濾膜進行重金屬廢水處理試驗結果表明超濾膜對廢水中重金屬離的截留去除效果良好。

4結語

重金屬廢水污染的情況因重金屬種類不同而有類、性質、組成以及要求標準等選擇相應的合適處理方法。所差異,所采用的處理方法也不盡相同,根據其種物理、化學、生物、基因技術和MEUF等方法重金屬廢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廢水的處理技術,才能取得良好的效果。重金屬廢水污染治理與重金屬的回收利用相結合是未來治理的發展之路,也是技術開發與應用的方向。

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