重金屬廢水的處理方法綜述

精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)專心---專注---專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)重金屬廢水處理方法綜述張姍化學(xué)化工學(xué)院科學(xué)教育專業(yè)2008級指導(dǎo)教師：何平摘要：水體重金屬污染嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境與人類健康，必須加以治理。針對重金屬廢水的不同特點，處理方法也多種多樣。本文綜述了重金屬廢水的來源、危害及目前常用的處理技術(shù)。包括傳統(tǒng)的方法和新技術(shù)，并對上述方法的機理、研究進展、優(yōu)缺點進行了評述，同時闡述了處理重金屬廢水的技術(shù)和方法的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：重金屬廢水處理方法優(yōu)缺點進展趨勢TheMethodsofHeavyMetalsLiquidWasteProcessingZhangshan2008GradeInstructor:HepingAbstract:Heavymetalpollutionisseriousharmtoecosystemsandhumanhealth,mustbegovernance.Thedifferentcharacteristicsofheavymetalwastewatertreatmentmethodsarealsodiverse.Thisarticlereviewsthesourceofheavymetalsinwastewater,harmandcommonprocessingtechnology.Includingtraditionalmethodsandnewtechnologies,andthemechanismoftheabovemethods,researchprogress,theadvantagesanddisadvantageshavebeenreviewed,andalsodescribedthedevelopmenttrendoftheWastewaterTreatmenttechniquesandmethods.Keywords:Heavymetalpollution;Approach;Advantagesanddisadvantages;Progresstrend引言我國水資源總量居世界第6位，但人均水量卻僅為世界人均水量的1/4，是水資源嚴(yán)重不足的國家之一[1]。近年來隨著工業(yè)生產(chǎn)和城市現(xiàn)代化水平的高速發(fā)展，廢水大量排放，水源中重金屬積累加劇，重金屬污染越來越嚴(yán)重。在環(huán)境與人類健康領(lǐng)域，重金屬主要指汞（Hg）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、砷（As）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鈷（Co）、鎳（Ni）等重金屬[2]。他們以不同的形態(tài)存在于環(huán)境之中，并在環(huán)境中遷移、積累。因而對含重金屬廢水的治理受到國內(nèi)外科研工作者的高度重視。本文綜述了重金屬廢水的來源、危害，傳統(tǒng)的和新興的處理重金屬廢水的方法，以及其優(yōu)缺點和發(fā)展趨勢。重金屬廢水的來源及危害重金屬廢水的來源重金屬廢水主要來自礦山坑內(nèi)排水，選礦廠尾礦排水，廢石場淋浸水，有色金屬冶煉廠除塵排水，有色金屬加工廠酸洗水，電鍍廠鍍件洗滌水，鋼鐵廠酸洗排水，以及電解、農(nóng)藥、醫(yī)藥、油漆、顏料等工業(yè)。近年來，隨著工業(yè)發(fā)展和人類自身活動的增加，大量含有重金屬污染物的工業(yè)廢水和城市生活污水被排入江河湖泊。據(jù)Nriagu[3]估算，全球每年排放到環(huán)境中的有毒重金屬高達數(shù)百萬噸，其中砷（As）約為12.5萬噸，鎘(Cd)約為3.9萬噸，銅(Cu)約為14.7萬噸，汞(Hg)約為1.2萬噸，鉛(Pb)約為34.6萬噸，鎳(Ni)約為38.1萬噸，并且呈逐年上升的趨勢。重金屬廢水的危害重金屬廢水具有毒性強、持久性、不可降解性等特點，這些重金屬在水體中通過食物鏈影響動植物生長，最終進入人體，并在人體內(nèi)累積，從而導(dǎo)致各種疾病和機能紊亂，嚴(yán)重危害人體健康。日本水俁灣由汞中毒造成“水俁病”，神通川流域由鎘引起的“痛痛病”，都是重金屬污染給人體健康帶來損害的典型事例。水體重金屬污染已成為當(dāng)今世界主要的環(huán)境問題之一，因此如何無害化處理好重金屬廢水已是當(dāng)前亟待解決的工作。重金屬廢水的傳統(tǒng)處理方法不同于有機物可以被分解破壞，重金屬只能轉(zhuǎn)移其存在位置和改變物理和化學(xué)狀態(tài)。所以，對重金屬廢水的治理包括傳統(tǒng)方法和新興技術(shù)。其中較傳統(tǒng)的治理方法有：化學(xué)法，包括化學(xué)沉淀法、電化學(xué)法；物理法，包括吸附法、離子交換法等；生物法，包括生物修復(fù)法、生物絮凝法、生物吸附法。較新的技術(shù)如：納米技術(shù)、光催化法、新型介孔材料和基因工程。3.1.化學(xué)法3.1.1.化學(xué)沉淀法化學(xué)沉淀法指向重金屬廢水中加入藥劑，通過化學(xué)反應(yīng)使呈溶解狀態(tài)的重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苡谒幕衔锍恋矶コ?。包括中和沉淀法、硫化物沉淀法、鋇鹽沉淀法和鐵氧體共沉淀法等。其中中和沉淀法是應(yīng)用最廣的一種方法，向重金屬廢水中投加堿中和劑（通常為Ca(OH)2）使廢水中的重金屬形成溶解度較小的氫氧化物或碳酸鹽沉淀而去除。鐵氧體共沉淀法是日本電氣公司（NEC）研究出來的一種新技術(shù)，是近十年來剛出現(xiàn)的方法。向重金屬廢水中投加鐵鹽，通過工藝控制，達到有利于形成鐵氧體的條件，使污水中多種重金屬離子與鐵鹽生成穩(wěn)定的鐵氧體晶粒共沉淀，再通過磁力分離等手段，達到去除重金屬離子的目的[4]。趙如金[5]采用鐵氧體法處理重金屬廢水，發(fā)現(xiàn)重金屬離子的半徑接近鐵離子、n(Fe2+)/n(M2+)的值越大，磁性產(chǎn)物中金屬的回收率、磁性產(chǎn)物的穩(wěn)定性及飽和磁化率越大，且處理后的廢水中各種金屬離子的質(zhì)量濃度均達到污水綜合排放指標(biāo)。化學(xué)沉淀法是目前發(fā)展時間較長，工藝較成熟的方法。去除范圍廣、效率高、經(jīng)濟簡便。但需要投加大量化學(xué)藥劑，并以沉淀物的形式沉淀出來，存在二次污染問題。3.1.2.電化學(xué)法電化學(xué)法是應(yīng)用電解的基本原理，使廢水中重金屬離子在陽極和陰極上分別發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使重金屬富集，從而去除廢水中重金屬，并且其中的重金屬可以回收利用[6]。電解法是集氧化還原、分解和沉淀為一體的處理方法，包括電凝聚、電氣浮、電解氧化和還原等多種凈化過程。按照陽極類型不同，電解法可分為電解沉淀法和回收重金屬電解法[7]。其中電解沉淀法主要用于含鉻廢水的處理，一般采用鐵板作為陰極和陽極，在直流電作用下，鐵陽極不斷溶解，產(chǎn)生的亞鐵離子在酸性條件下將六價鉻還原成三價鉻。隨著反應(yīng)的進行，氫離子的濃度逐漸降低，使得溶液從酸性轉(zhuǎn)變?yōu)閴A性，使溶液中的Cr3+生成沉淀[8]?；厥罩亟饘匐娊夥ㄖ饕脕硖幚聿缓t的電鍍廢水，陽極使用惰性電極，通過電化學(xué)作用，貴重金屬沉積到陰極板上而回收。電化學(xué)法工藝成熟，設(shè)備簡單，占地面積小，無二次污染，所沉淀的重金屬可回收利用。但耗電量大，廢水處理量小，出水水質(zhì)差，不適合處理低濃度廢水。近年來，一種新型的水處理技術(shù)——內(nèi)電解法克服了上述缺點。內(nèi)電解法絮凝床中電化學(xué)反應(yīng)均自發(fā)進行，無需消耗能源，以廢治廢?？梢酝瑫r處理多種污染物，并提高難降解污染物的可生化性，可作為難生化有機廢水的預(yù)處理手段[9]。3.2.物理吸附法3.2.1.吸附法吸附法是利用吸附劑吸附廢水中重金屬的一種方法，其中吸附法被認(rèn)為是去除痕量重金屬有效的方法。常用的吸附劑有活性炭、沸石、硅藻土、凹凸棒石、二氧化硅、天然高分子及離子交換樹脂等。其中天然沸石吸附能力最強，也是最早用于重金屬廢水處理的礦物材料［10］。而納米FeO是一種有效的脫鹵還原的納米材料。與常規(guī)的顆粒鐵粉相比，納米FeO顆粒有粒徑小、易分散、比表面積大，表面吸附能力強，反應(yīng)活性強，還原效率和還原速度遠高于普通鐵粉的特點［11］。納米FeO除了可以高效還原有機氯代物以外，其對Cr6+、Pb2+和As3+等多種重金屬同樣表現(xiàn)出良好的處理效果［12］。凹凸棒石又稱坡縷石，是一種2：1(TOT)型層鏈狀海泡石族的含水富鎂、鋁的硅酸鹽黏土礦物，其晶體化學(xué)式：Mg5(H2O)4[Si4O10]2(OH)2，它比表面積大、吸附性能良好、來源廣、成本低、儲量豐富，但是目前國內(nèi)應(yīng)用凹凸棒石吸附處理重金屬廢水還處在研究階段，凹凸棒石黏土吸附金屬離子的種類有待擴寬。3.2.2.離子交換樹脂法離子交換樹脂法是一種應(yīng)用廣泛的方法，樹脂中含有的氨基、羥基等活性基團可以與重金屬離子進行螯合、交換反應(yīng)，從而去除廢水中重金屬離子的方法，同時還可以用于濃縮和回收溶液中痕量的重金屬，其優(yōu)點是樹脂具有可逆性，可通過再生重復(fù)使用，且交換選擇性好，缺點是價格昂貴。因此研究和選擇成本低、選擇性高、交換容量大、吸附－解吸過程可逆性好的離子交換樹脂，對于處理重金屬廢水有著重要意義［13］。3.3.生物法3.3.1.植物修復(fù)法植物修復(fù)法是指利用高等植物通過吸收、沉淀、富集等作用降低已被污染的土壤或地表水的重金屬含量，以達到治理污染、修復(fù)環(huán)境的目的。該方法實施較簡便、成本較低并且對環(huán)境擾動少，但是治理效率較低，不能治理重度污染的土壤和水體。3.3.2.生物絮凝法生物絮凝法是利用微生物或微生物產(chǎn)生的代謝物進行絮凝沉淀的一種除污方法。目前已開發(fā)出具有絮凝作用的微生物有細(xì)菌、霉菌、放線菌、酵母菌和藻類等共17個品種，而對重金屬有絮凝作用的只有12個，陳天［14］等從多種微生物中提取殼聚糖為絮凝劑回收水中Pb2+、Cr3+、Cu2+等重金屬離子。3.3.3.生物吸附法生物吸附法是利用生物體本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)及成分特性來吸附溶于水中的金屬離子，再通過固液兩相分離去除水溶液中的金屬離子的方法。該方法在低濃度下，選擇吸附重金屬能力強，處理效率高，操作的pH值和溫度范圍寬，易于分離回收重金屬，成本低等特點。同時還可從工業(yè)發(fā)酵工廠及廢水處理廠中排放出大量的微生物菌體，用于重金屬的吸附處理。其中毛木耳子實體是很有發(fā)展?jié)摿Φ闹亟饘購U水處理技術(shù)[15]。重金屬廢水的處理新技術(shù)4.1.納米技術(shù)及材料納米技術(shù)[16]是指在1～100nm尺度上研究和應(yīng)用原子、分子現(xiàn)象，由此發(fā)展起來的多學(xué)科的、基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究緊密聯(lián)系的新科學(xué)技術(shù)。達到納米尺度范圍或以它們?yōu)榛締卧鶚?gòu)成的材料就是納米材料。納米技術(shù)作為一門新興學(xué)科，對其研究才剛剛開始。但納米技術(shù)在水污染治理方面所具有的巨大潛力已得到廣泛認(rèn)同。納米過濾（Nanofiltration，NF）是一種由壓力驅(qū)動的新型膜分離過程，介于反滲透與超濾之間。納濾膜主要存在以下2個特點：（1）膜的截留相對分子質(zhì)量為100～1000，納濾膜存在真正的微孔，孔徑處于納米級范圍；（2）納濾膜對不同價態(tài)離子的截留效果不同，對單價離子的截留率低，對二價及多價離子的截留率則相對較高，由于讓大部分單價離子自由通過，使得納濾膜只需使用較低的操作壓力（一般為0.5～1.5MPa）；同時納濾膜的通量高，相比于反滲透，納米過濾具有設(shè)備投資低，能耗低的優(yōu)點[17]。利用納米級的零價鐵處理含鉻（VI）廢水，已經(jīng)收到了良好效果。近來，JHChoi[18]等合成了納米級的ETS－10，該材料對Pb2+和Cd2+均有很強的吸附性。4.2光催化技術(shù)光催化法[19]是一種環(huán)境友好型水處理方法，利用光催化劑表面的光生電子或空穴等活性物種，通過還原或氧化反應(yīng)去除水中的重金屬離子。目前，實驗室常用的光催化劑有TiO2、ZnO、WO3、SrTiO3、SnO2、WSO2和Fe2O3。其中TiO2以良好的光催化熱力學(xué)和動力學(xué)優(yōu)勢被更多地采用[20]。TiO2光催化除去重金屬離子可能存在3種機理：（1）光生電子直接還原金屬離子；（2）間接還原，即由空穴先氧化被添加的有機物，然后由產(chǎn)生的中間體來還原金屬離子；（3）氧化除去金屬離子。納米TiO2能將高氧化態(tài)汞、銀、鉑等貴重金屬離子吸附于表面，利用光生電子將其還原為細(xì)小的金屬晶體，并沉積在催化劑表面，這樣既消除了廢水的毒性，又可從工業(yè)廢水中回收重金屬。光催化法，耗能低，無毒性，選擇性好，常溫常壓，快速高效等，在重金屬廢水處理中前景廣闊且日益受到重視。但從實際應(yīng)用的角度出發(fā)還存在著許多問題。如重金屬離子在光催化劑表面的吸附率低，光催化劑的吸光范圍窄等。4.3新型介孔材料根據(jù)國際理論和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（(IUPAC）定義，介孔材料指孔徑介于2～50nm的多孔材料。介孔材料具有長程結(jié)構(gòu)有序、孔徑分布窄、比表面大（>1000cm2·g-1）、孔隙率高且水熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點。因此，介孔材料是當(dāng)今國際上的研究熱點和前沿之一。近年來，研究者通過對材料進行化學(xué)修飾或改性處理，已制備出了諸多新型功能化介孔材料，為含Hg[21-24]、Cu[25]、Pb[26-27]、Cd[28]等的重金屬廢水治理展示了誘人前景。馬國正[29]等以十六烷基三甲基溴化銨為模板劑，合成了A1-MCM-41介孔分子篩，結(jié)果表明，Cd2+能定量吸附在A1-MCM-41分子篩上，靜態(tài)飽和吸附量為136.86mg·g-1。AMLiu和KHidajat[30]等用氨基功能介孔材料SBA-15，結(jié)果表明，產(chǎn)物SBA-15(NH2)對Cu2+、Zn2+、Cr3+和Ni2+均有很強的去除力。4.4基因工程技術(shù)Wilson在上世紀(jì)90年代嘗試用基因工程技術(shù)對微生物進行改造，并將其應(yīng)用于含汞廢水的治理，取得了較好結(jié)果。隨后其他研究者也逐漸將基因工程技術(shù)應(yīng)用于不同類型重金屬廢水的處理，從而使這一領(lǐng)域的研究日趨活躍?；蚬こ碳夹g(shù)應(yīng)用于重金屬廢水的治理指通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)，將外源基因轉(zhuǎn)入微生物細(xì)胞中表達，使之表現(xiàn)出一些野生菌沒有的優(yōu)良遺傳性狀，從而實現(xiàn)對重金屬Hg[31]、Cu[32]、Cd[33]等高效的生物富集。利用基因工程處理重金屬廢水目前尚處于實驗研究階段，真正用于工業(yè)水平還存在一些問題，如利用基因工程菌連續(xù)化處理重金屬廢水就面臨難題。重金屬廢水處理發(fā)展趨勢及展望一、生物法將成為主導(dǎo)方法雖然化學(xué)法、物理化學(xué)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(tài)環(huán)境的改善。另外，通過基因工程、分子生物學(xué)等技術(shù)應(yīng)用，可使生物具有更強的吸附、絮凝、整治修復(fù)能力。因此生物法具有更加廣闊的發(fā)展前景。二、幾種技術(shù)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(jīng)濟效益。電化學(xué)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(tǒng)的電化學(xué)法來處理，電流效率較低，電能消耗較高。因此，為滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，實現(xiàn)廢水回用和重金屬回收,可將幾種技術(shù)集成起來處理重金屬廢水，同時發(fā)揮各種技術(shù)的長處。采用絡(luò)合-超濾-電解集成技術(shù)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(xiàn)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(yīng)該充分利用自然界中的微生物與植物的協(xié)同凈化作用，并輔之以物理或化學(xué)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(yán)格的控制和監(jiān)督，利用物理和化學(xué)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(wǎng)。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(jīng)濟效益和環(huán)境效益。在已建成的環(huán)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(yīng)重金屬的處理，而在有必要進行重金屬處理的未建成環(huán)境治理項目，應(yīng)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(fù)環(huán)境的目的。參考文獻：[1]劉燕,郭良.繼續(xù)探討解除中國人口、資源、環(huán)境壓力的措施[J].中國人口·資源與環(huán)境,2001,52(11):38-39.[2]席北斗，魏自民，夏訓(xùn)峰.農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保護與綜合治理[M].新時代出版社，2008[3]NriaguJeromeO.Quantitativeassessmentofworldwidecontaminationofairwaterandsoilsbytracemetals[J].Nature,1988,333:134-139.[4]丁明.鐵氧體工藝處理重金屬污水研究現(xiàn)狀及展望[J].環(huán)境科學(xué),1992,13(2):59-60.[5]趙如金.常溫鐵氧體處理重金屬離子廢水研究[J].化工環(huán)保,2005,25(4):263-266.[6]筍建民,于麗青.重金屬廢水處理技術(shù)進展[J].河北大學(xué)學(xué)報,2004,24(4):439.[7]顧雪斤.槽邊循環(huán)電解法從酸性鍍銅廢水中回收銅[J].電鍍與環(huán)保,1984,4(2):26-28.[8]蔣繼穆.“八五”期間重有色金屬冶煉技術(shù)進展概述[J].世界有色金屬,1997,12(1):1-51.[9]賈金平,謝少艾,陳宏錦.電鍍廢水處理技術(shù)及工程實例[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003:15-30.[10]沈濱,李尚文.一種新型水處理技術(shù)內(nèi)電解法絮凝床的研究[J].IM&P化工礦務(wù)與加工,2002,12(19):19－21.[11]牛少鳳，李春暉，樓章華．納米鐵對水中Ｃｒ(Ⅵ)和ｐ－ＮＣＢ的同步修復(fù)機制[Ｊ]．環(huán)境科學(xué)，2009，30(1)：146~150．[12]黃園英，劉丹丹，劉菲．納米鐵用于飲用水中As(=3\*ROMANIII)去除效果[J]．生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2009，18(1)：83~87．[13]RaiUN,SinhaS．DistributionofmetalsinaquaticediblePlants:rapaNatans(Roxb.)MakinoandIpomoeaAquaticaForsk[J].EnviromentalMonitoringandAssessment,2001(70):241~252．[14]陳天，汪士新．利用殼聚糖為絮凝劑回收工業(yè)廢水中蛋白質(zhì)、染料以及重金屬離子[J]．江蘇環(huán)境科技，1996(1):452~461．[15]蔣新宇，黃海偉，曹理想，等．毛木耳對Cd2+、Cu2+、Pb2+、Zn2+生物吸附的動力學(xué)和吸附平衡研究[J]．環(huán)境科學(xué)報，2010，30(7):1431~1438.[16]王銀川,王保學(xué).納米技術(shù)及材料在廢水處理中的應(yīng)用研究[J].國外建材科技,2007,28(1):49-51.[17]鄒哲,王敏.納米材料在廢水處理中的應(yīng)用進展[J].江西化工,2003,3(11):34.[18]梁奇峰,曾育才.納米技術(shù)在水處理中的應(yīng)用[J].科技縱橫,2004,2(2):30-31.[19]ChoiJH,KimSD,NohSH.Adsorptionbehaviorsofnano-sizedETS-10andAl-substituted-ETAS-10inremovingheavymetalions,Pb2+andCd2+[J].MicroporousandMesoporousMaterials,2006,87(3):163-169.[20]劉守新.金屬離子的光催化去除研究進展[J].化學(xué)通報,2004,12(15):898-903.[21]AntochshukValentyn,JaroniecMietek.1-Allyl-3-propylthioureamodifiedmesoporoussilicaformercuryremoval[J].ChemicalCommunications,2002,3:258-259.[22]JenniferBrown,RogerRicher,LouisMercier.One-stepsynthesisofhighcapacitymesoporousHg2+adsorbentsbynon-ionicsurfactantassembly[J].MicroporousandMesoporousMaterials,2000,37(2):41-48.[23]ZhangLingxia,ZhangWenhua,ShiJianlin.Anewthioetherfunctionalizedorganic-inorganicmesoporouscompositeasahighlyselectiveandcapaciousHg2+adsorbent[J].ChemicalCommunications,2003,2:210-211.[24]LiuAM,HidajatK,KawiS,etal.Anewclassofhybridmesoporousmaterialswithfunctionalizedorganicmonolayersforselectiveadsorptionofheavymetalions[J].ChemicalCommunications,2000,13:1145-1146.[25]MercierLouis,PinnavaiaThomasJ.Heavymetalio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