重金屬廢水處理工藝:化學法、物理法和生物法

2020-12-06 中國水網

水資源在國民經濟發展和社會生產中發揮著重要的作用，同時也是人們生活中不可缺少的一部分。但是隨著工農業的迅速發展，工業廢水大量排放，使得水體重金屬汙染日益嚴重。據統計，我國每年產生400億t左右的工業廢水。其中重金屬廢水約佔60%。這些廢水嚴重汙染地表水與地下水，造成可利用水資源總量急劇下降。重金屬廢水一般來源於礦山開採、金屬冶煉與加工、電鍍、製革、農藥、造紙、油漆、印染、核技術及石油化工等行業。重金屬難以生物降解且易被生物吸收富集，毒性具有持續性，是一類極具潛在危害的汙染物，如不治理必將對生態環境及人體健康造成嚴重的威脅。然而，重金屬作為一類重要的寶貴的資源，又具有很高的使用價值。因此如何有效治理水體重金屬汙染，保護人類健康和生態環境，同時回收利用重金屬，緩解我國資源和環境的壓力，是當前不可忽略的問題。

目前，重金屬廢水處理方法主要有三種:第一種化學法，通過化學反應將重金屬離子去除的方法，包括化學沉澱法、化學還原法、電化學和高分子重金屬捕集劑法等。第二種物理法，在不改變重金屬離子化學形態的條件下，通過吸附、濃縮而分離的方法，包括吸附法、溶劑萃取法、蒸發和凝固法、離子交換法和膜分離法等。第三類是生物法，主要是藉助微生物或植物的絮凝、吸收、積累、富集等作用去除重金屬的方法，包括生物絮凝、植物修復和生物吸附。本文介紹了上述方法在重金屬廢水中的應用及研究進展，以便為水體重金屬汙染的治理提供一定理論的參考。

1  化學法

1.1化學沉澱法

化學沉澱法是廣泛應用於工業重金屬廢水處理中比較有效的方法，是向水體中投加化學藥品，通過沉澱反應去除重金屬離子的方法，主要包括氫氧化物沉澱、硫化物沉澱和鐵氧體法。

氫氧化物沉澱法處理含重金屬廢水具有技術成熟、投資少、處理成本低、管理方便等優點。MirbagherzSA等採用鹼性試劑，如石灰、氫氧化鈉對含銅鉻廢水進行處理，在pH值分別為12和8.7時，Cu2+和Cr3+完全沉澱下來，廢水可達標排放。唱鶴鳴等用氫氧化鈉溶液逐漸調節電鍍廢水pH值，在多個pH值點分別沉澱出電鍍廢水中銅、鉻、鋅和鎳，使廢水中的重金屬含量減少到最低。雖然氫氧化物沉澱法可以實現重金屬離子從廢水中的分離，但氫氧化物沉澱法也存在不足之處:對於兩性氫氧化物，pH值若控制不當，重金屬離子將會再次溶解;對稀溶液中重金屬去除效果不好;沉澱體積量大、含水率高、過濾困難。目前此法在重金屬廢水的處理中已很少應用。

硫化物沉澱反應速度較快，沉澱物溶解度低，可以選擇性處理重金屬離子，通過冶煉，實現重金屬離子的回收。李靜文採用硫化鈉沉澱法處理模擬含鉛廢水。在反應時間20min，硫化鈉投加量與鉛離子的物質的量比為5∶1，初始pH值為8的條件下，對廢水中鉛離子的去除率為99.72%，出水達到了國家汙水綜合排放標準。硫化物處理重金屬廢水時，沉澱劑本身在水中殘留，過量時易形成水溶性多硫化物，遇酸生成硫化氫氣體，產生二次汙染。

目前應用較廣的是鐵氧體法，是指向重金屬廢水中投加硫酸亞鐵鹽，通過控制pH值和加熱條件等，使廢水中的重金屬離子與鐵鹽生成穩定的鐵氧體共沉澱物。左明等研究了鐵氧體法處理含鎳、鉻、鋅、銅的廢水，處理後，出水水質指標符合國家汙水排放標準。但處理時間較長，溫度要求較高，約70℃，因此不適用於處理較大規模的重金屬廢水，目前常將鐵氧體法同其他廢水處理方法聯合使用。陳夢君等利用鐵氧體聯合硫化物沉澱處理電鍍廢水，Cu、Cr及Ni的去除率分別高達94.51%、97.78%和96.94%，達到電鍍汙染物排放標準。

1.2電化學法

電化學法是近年發展起來的頗具競爭力的水處理方法，它是應用電解原理，通過電極反應和重金屬離子在溶液中的遷移來實現對廢水淨化。隨著科技發展，傳統電化學處理工藝的改進以及新型電化學反應器的研製，使電化學法在重金屬廢水治理領域的應用更為有效，更加廣泛。

1.2.1電絮凝法

電凝聚法作為一項比較成熟的廢水處理工藝，得到了廣泛應用。丁春生等考察了初始pH值、電解時間、電流強度、NaCl投量、離子共存及曝氣量等因素對電凝聚法處理含Cr6+、Cu2+廢水的影響。研究表明，在一定的pH值下，電流強度為4A時，在很短的時間內，即可達到較穩定的去除效果;同時金屬離子的共存對重金屬廢水的處理起促進作用，並且適當的曝氣會提高重金屬的去除率。凝聚法不宜長時間連續操作，否則電極表面易產生緻密的黏膜，形成鈍化。

近年來採用脈衝電凝聚替代直流電凝聚可有效降低濃差極化，防止鈍化。求淵等利用脈衝電凝聚法處理電鍍含鉻廢水，鉻離子去除率保持在99.5%以上，達到排放標準。與直流電凝聚法相比，其能效比高，處理時間短。電凝聚法的最新研究方向是周期換向的脈衝信號電凝聚，既具備高壓脈衝電凝聚法的優點，又由於兩極均可溶，更有利於金屬離子與膠體間的絮凝作用，防止電極鈍化。

1.2.2微電解

微電解是基於電極表面的化學反應，在電解槽中加入一定量的活性填料，重金屬廢水為電解質，活性填料就形成了原電池，在填料的表面，電流在成千上萬個細小的微電池內流動，在低壓直流的作用下發生的電化學反應和絮凝作用，進而將水體重金屬離子有效地去除。

在微電解工藝中，常用填充填料為鐵屑(鑄鐵屑或鋼鐵屑)加入石墨或炭粒。周杰等採用鐵碳微電解法處理含鉻廢水，研究了廢水中Cr(Ⅵ)的去除效果。結果表明，採用鐵碳微電解法處理含鉻廢水對Cr(Ⅵ)的去除效果較好，出水Cr(Ⅵ)含量低於0.1mg/L，與常規的焦亞硫酸鈉還原工藝相比，鐵碳微電解處理含鉻廢水可節省75%以上的成本。微電解與其他工藝結合可增強廢水的處理效果。黃樹傑採用微電解—鹼液中和沉澱法處理Cr6+、Cu2+低濃度電鍍廢水，處理後廢水中的Cr6+、Cu2+含量均達到了GB8978-96《汙水綜合排放標準》中的一級排放標準。電解—微電解相結合的複合電解技術是微電解發展的方向之一，探討複合微電解技術的反應機理、過程動力學是目前該領域的研究重點。

1.2.3電還原法

電還原法又稱陰極還原法，其原理為水體中的重金屬離子在靜電引力的作用下向陰極遷移，在陰極表面發生還原反應而析出。該法既能去除水體中的重金屬離子，又能回收高純度重金屬。但對於低濃度的重金屬廢水，採用傳統二維電極電解時，電流密度小，電解效率低，電耗大。電化學反應本質上是一種在固液相界面上發生的電子轉移反應，因此，固液相界面傳質問題成為要解決的難點，各類高效傳質的反應器也成為研究重點。

編輯：汪茵

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