废水中重金属污染处理方法

　　水环境已成为世界各国普遍关注的问题，而重金属污染是水环境污染的一个重要方面，随着经济水平以及工农业的快速发展，水环境中的重金属污染日趋严重已成为一个不争的事实。重金属污染物具有不被生物降解，高毒性、高致癌性、污染长期性、易生物富集性等特点，能在动物和植物体内积累，通过食物链逐步富集，对环境、生物以及人体健康造成严重的危害。因此，寻找安全、经济有效的方法来处理含重金属废水成为水环境修复研究中的一个重要课题。传统的重金属处理方法主要有化学沉淀法、氧化还原法、电解法、渗透膜法、理化吸附法等，虽然能达到一定的处理效果，但具有成本高、造成二次污染、操作复杂等缺点。相比传统方法，近年来发展起来的生物法具有高效率、低成本、环境友好、材料来源广、操作方便简单等优点，已逐渐成为重金属水处理研究中的热点，具有潜在及广阔的应用前景。

　　一、传统的处理方法

　　传统的处理污废水中重金属污染物的方法主要是有化学方法和物理方法，最常见的有化学沉淀法、氧化还原法、电解法、渗透膜法和理化吸附法等。

　　化学沉淀法即是向水中投入相应的化学药剂，使其与水中的重金属离子发生反应实现溶解性的金属离子转化为难溶或不溶的金属化合物，通过沉淀过滤实现与水分离。主要包括中和沉淀法、钡盐沉淀法、硫化物沉淀法以及铁氧体共沉法。化学沉淀法要求对化学药剂的投加量严格控制，如果投加过量则会造成水体的二次污染，因此一般都需要进行二次处理，处理效果不彻底，且工艺比较复杂，投资高。

　　氧化还原法常用在重金属废水处理中的前处理。一般而言，氧化反应和还原反应是同时发生的，但常习惯性分为药剂氧化法和药剂还原法。药剂氧化法主要用于去除水中Fe2+、Mn2+，而药剂还原法主要用于去除水中的Cr6+、Cd2+和Hg2+等重金属离子。

　　电解法是利用直流电对溶质进行氧化还原反应的过程。这种方法可通过控制电极电势，将混合金属离子进行逐级分离，分别回收提纯得到纯度比较高的单一金属，便于重金属的直接回收利用。但电解法存在的问题是耗电量太大，工艺要求复杂，需严格控制溶液、pH、空气搅拌速度等条件来避免阳极钝化，提高分离效率。

　　渗透膜法是利用一种特殊膜在某种驱动力下将溶质与水分子隔开，将污染物进行浓缩的方法。在处理废水中，去除重金属离子主要采用的膜渗透法有反渗透膜法和电渗透膜法。渗透膜法具有不需要加入化学试剂的特点，因此也没有二次污染问题，但其膜的价格昂贵，且易污染使得通量降底导致处理效果下降。

　　吸附法的基本原理主要是物理吸附和化学吸附。物理吸附剂种类繁多，均表达出孔隙发达、比表面积巨大的特点，活性炭是最普遍的物理吸附剂。常用的化学吸附剂有腐殖酸类物质，适用于处理水量大、含多种重金属离子但浓度低的矿山废水。

　　二、生物法

　　生物法是利用活的生物体或没有生命的生物材料对水中的重金属离子进行吸附、运转、转化等作用从而达到去除水体中有害重金属离子的目的。生物法作为一种新型的处理方法，具有高效率、低成本、无二次污染、环保等优势。其主要包括生物吸附法、生物絮凝法、生物表面活性剂修复、复合硫酸盐还原菌去除法、纳米材料与微生物复合材料等方法。

　　2.1 生物吸附法

　　生物吸附法是利用微生物及其衍生物等吸附水中的重金属离子从而去除水中重金属离子的方法。生物吸附概念最早是由Ruchhoft在1949年提出来的，从20世纪50年代到现在，生物吸附材料不断涌现，生物吸附机理研究不断深入。生物吸附法主要包括微生物吸附法和生物质吸附法。

　　2.1.1 微生物吸附法

　　微生物吸附法即利用微生物细胞能够将水中的重金属离子吸附到细胞表面，然后通过细胞膜将重金属离子运输到细胞体中“积累冶起来，对重金属离子达到去除效果。在20世纪，国外学者AnoopK就通过实验证明了微生物细胞壁化学功能团(氨基、羧基、磷酸基等)对重金属离子具有吸附作用。我国学者吴涓等也对黄孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)菌丝球吸附Pb2+的过程和机理进行了研究。与传统处理方法相比，微生物吸附法具有以下几个优点：(1)可以选择性去除某种重金属离子，(2)处理效率高，不引起二次污染，(3)pH值范围较宽，(4)易于分离回收金属。目前，已研究的关于吸附重金属的微生物有很多，例如：苦味诺卡菌、水洗工业废菌、青霉菌、曲霉菌、酿酒酵母、深海细菌、藻类等。

　　对于微生物吸附处理重金属离子，目前有研究提出对微生物进行基因工程改造，以加强对重金属离子的吸附或代谢，从而提高处理效果，此方法在国外研究较多。如美国学者将Hg2+转运蛋白基因merT和merP与植物螯合肽在大肠杆菌中共同表达使得大肠杆菌能够结合的Hg2+是一般大肠杆菌的6倍，日本学者将拟南芥的植物螯合肽基因通过基因改造，让其受固氮基因nifH启动子的调控，并转入紫云英根瘤菌中，这种工程菌比未经改造的菌结合土壤中镉的能力提升9~19倍。

　　2.1.2 生物质吸附法

　　生物质吸附法主要是利用廉价或废弃的天然高分子生物质及其改性材料对水中的重金属离子进行吸附处理。现在研究十分活跃的生物质吸附材料包括壳聚糖、纤维素、木质素、农林废弃物等。这些天然高分子生物质资源丰富，与传统的吸附剂相比，具有可再生、易降解、成本低、环境友好、等优点，利用农林废弃物处理还能达到以废治废的目的，绿色环保。研究发现通过相应的方法化学改性生物质材料，其处理时间缩短，效果提高，特别是对低浓度的重金属有极强的选择吸附能力和高吸附量，因此成为目前研究的热点，其相关报道较多，例如林芳芳等研究的高锰酸钾改性花生壳、刘恒博等利用氯化锌改性小麦秸秆、张玮等利用异丙醇溶液改性橙皮等。研究结果均表明，对生物质材料采用相应的改性措施后，其吸附性能有很大的改善，吸附效果提高，且再生利用性能好，是未来重金属处理研究发展方向之一。

　　2.2 生物表面活性剂修复技术

　　生物表面活性剂是微生物在代谢过程中分泌的具有一定表面和界面活性，同时含有亲水基和疏水基的两性化合物。生物表面活性剂一般由植物、动物或微生物产生，主要分为糖脂类、脂多肽和脂蛋白、磷脂、脂肪酸类、聚合表面活性剂类和微性表面活性剂5大类。生物表面活性剂具有良好的热稳定性、化学稳定性以及良好的抗菌性能。与传统化学合成表面活性剂相比，其具有耐温、耐盐、可生物降解、环境友好、可原位合成、生产原料来源广等优点。目前在重金属污染修复中，研究较多的生物表面活性剂有：鼠李糖脂(rhamnolipid)、槐糖脂(sophorolipid)、枯草杆菌表面活性剂(surfactin)、皂角苷(saponin)等。

　　2.3 硫酸盐还原菌去除法

　　硫酸盐还原菌去除法是微生物法常见的一种，该方法是利用SBR还原菌能将硫酸根离子(SO2-4)和有机硫还原为负二价的硫离子(S2-)，S2-与重金属离子生成溶度积很小的硫化物沉淀，则重金属被去除。相比传统的硫化物沉淀法，硫酸盐还原菌去除法对重金属离子的去除率高，去除的重金属种类多，处理潜力大，操作管理方便，投资运行费用低等优势。目前，在酸性矿山废水的生处理中主要应用的就是SBR处理技术，依赖高的SBR代谢活性而产生大量的金属硫化物。但此方法也有一定的弊端，应用SRB处理含重金属废水，通常会导致菌体和金属硫化物一起沉淀，其后果是水中的微生物浓度降低，处理效果变差。针对这一问题目前有学者提出两段式工艺和ZVI-SRB(零价铁-硫酸盐还原菌)系统。

　　2.4 纳米材料与微生物复合材料

　　纳米科技为解决环境问题提供了有力的技术手段，将纳米材料与微生物结合形成新型的复合材料用于水中重金属离子的处理具有潜在的应用前景，成为目前的研究热点之一。例如由硫酸盐还原菌(SRB)原位生成纳米级的硫铁化合物而形成生物的硫铁复合材料(生物硫铁)兼具有微生物处理和化学处理方法的优点。生物硫铁不但具有较强的还原性还具有磁性和较强的再生性能，特别其磁性吸附作用在低浓度重金属废水处理中效果较好。我国学者张云松等还研究了纳米TiO2结合酵母菌形成新型复合吸附剂，在特定的条件下可提高对Cu2+的吸附容量。

　　三、结语

　　重金属污染对人类生活和环境危害大，因此对重金属污染水的治理是水环境保护中的一项重要内容。利用化学沉淀法、氧化还原法、电解法、渗透膜法、理化吸附法等传统的处理方法虽然也能达到较好的处理效果，但其普遍存在着运行费用高、投资大、操作复杂、二次污染、处理低浓度重金属离子效果差或成本高等缺点。生物法作为治理重金属污染的一项新技术被广泛关注，是近年来研究的热点，其具有处理效率高、无二次污染、适用范围广、材料来源广、成本低、操作简单方便、易于原位修复等优势，并具有环保特色而其他技术不可比拟。

　　但是值得注意的是运用生物法处理水中的重金属虽然效果极好，目前大部分的生物处理技术仍然还是停留在实验室水平，较少应用于工业生产和环保领域中。由于生物体机制的复杂性，目前对生物体与重金属离子的相互作用机制的研究理解还有限，生物法本身也存在着一些问题，例如利用微生物处理重金属离子，微生物生命有限的问题，生物吸附剂来源、种类多样化，无固定形状，没有统一标准的产品，生物吸附剂最终去向等问题。但我认为利用生物法去除水中的重金属仍然是最具潜力的处理方法，是重金属处理未来必然的发展趋势，具有广阔的应用前景。针对目前所存在的一些问题，建议在今后的研究领域中可以从以下几个方面实现研究突破：

　　(1)进一步对生物体对重金属离子的作用机制进行系统性的总结和深入的理论构建

　　(2)研究开发新型高效、低成本、可持续处理大量重金属废水的生物处理技术及工艺

　　(3)对来源广泛，成分复杂的生物材料进行处理制成固定化的产品，并制定一定标准进行分类使其便于投入实际应用

　　(4)研究环保有效的方式解决生物处理材料的最终处置问题。

　　(来源：中国市政工程中南设计研究总院有限公司)