湘江流域重金属污染治理技术研考

湘江流域重金属污染治理技术研考

国务院批复的《湘江流域重金属污染治理实施方案》，无论是主要任务、建设内容，还是实施效益、保障措施，都对科技支撑做出了部署安排。因此，在湘江流域重金属污染治理过程中，明确技术要求、研究技术路线、考察技术举措，对于深入推进湘江流域重金属污染治理、完成目标任务，意义重大。一湘江流域重金属污染治理的技术要求（一）科技攻关针对湘江流域的特点与重金属污染治理的复杂性，突出重金属污染防治共性和关键性技术攻关研究、涉重金属行业污染控制及受污染地区的环境修复的有关规范、标准研究；突破重金属行业清洁生产、涉重金属企业“三废”深度处理与资源化，重金属污染土壤、底泥与水体的治理与修复等关键技术，形成重金属污染防治技术与管理体系。开展与重金属污染治理密切相关的应用基础技术研究，包括湘江流域涉重金属产业发展与保障生态环境安全的综合研究、重金属污染物大尺度时空迁移转化规律研究、重金属污染风险评估及控制研究、长株潭地下水重金属污染风险分析及控制研究，为流域经济社会发展与环境安全保障提供决策支持。（二）关键技术研究与集成围绕湘江流域重金属污染治理迫切需要解决的问题，研发集成一批针对性强、技术含量高的应用性技术，重点对流域循环经济和主要重金属排放行业清洁生产关键技术和支撑体系、含重金属废水废气深度处理零排放关键技术、含重金属固废的资源化及二次污染控制技术、污染耕地大规模修复经济适用技术等进行研发、综合集成和示范应用，为湘江流域重金属污染治理提供技术支持。以有色采选、冶炼和化工行业为重点，采用先进适用的技术改造升级，提升工艺装备水平，提高废水循环使用、废渣综合利用率及采掘、选矿、冶炼回收率、共伴生金属综合利用率，建设一批含重金属废水深度处理、循环利用示范企业，鼓励相关工业园区建设含重金属“三废”集中深度处理设施，引导大型企业和重点排放企业积极采用世界先进技术装备，提高产业技术水平。（三）具体任务一是清洁生产。要求流域内所有重金属排放企业推行清洁生产，包括矿山无尾排放生产工艺技术、盐化工清洁生产工艺技术、提取技术、精炼技术等。二是含重金属废水治理。积极开展交流合作，引进、消化、吸收先进的治理技术和成套设备。采用经济成熟可靠的物化絮凝工艺经沉淀初级处理，然后再经电化学、离子膜、吸附等工艺深度处理并回用，最大限度减少重金属的排放。三是含重金属废气治理。治理方法主要是除尘，包括干式除尘和湿式除尘。有色金属冶炼含尘烟主要采用干式除尘，除尘设备主要采用重力沉降室、旋风除尘器、滤袋除尘器和电除尘器等。湿法除尘适用于精矿和渣干燥等含水量大的含尘废气的除尘，一般以水或酸溶液为洗涤剂洗涤含尘废气，主要使用的湿式除尘器有水膜旋风分离器、冲击式除尘器、自激式收尘器和文丘里收尘器等。对于挥发性强的汞、镉、砷、铅等气型污染物，主要采用吸附法和化学法来控制重金属的排放，常用吸附剂有活性炭、多孔材料等。四是含重金属固废治理。按照“减量化、无害化、资源化”的原则处理有色金属冶炼废物和制硫酸渣，根据危险固废的种类和堆放地点的实际情况选择处理技术，目前采用国内推荐的填埋、焚烧、解毒和综合利用技术，处理方法的优先考虑顺序依次是：源头减量→分离和减量（脱水、浓缩等）→作为原料循环使用→有用物质的回收处理→安全处置（填埋）。五是重金属污染土壤治理技术。对轻、中度污染耕地进行治理试点，治理技术包括生物法、化学法、热力学方法等。对修复投资大、修复效果差的重度污染耕地，按法定程序调整土地用途。六是含重金属河道底泥治理技术。根据目前的可控程度及欧美的经验，对于干流底泥加强监控，进行相关治理技术攻关，对支流底泥开展治理试点，治理技术主要采用原位治理和环保疏浚。二湘江流域重金属污染治理的技术路线（一）土壤重金属污染治理技术坚持以生物修复为主，微生物修复与植物修复协同，利用植物对土壤中相应污染元素的特殊吸收富集能力处理土壤中特定的污染重金属。注重优化组合修复技术，如植物＋微生物、动物＋微生物、理化方法＋微生物等。运用化学处理技术对局部污染土壤、特定类型土壤、特殊性质土壤以及轻度污染土壤进行治理，并尽可能减少环境二次污染和对土壤结构的破坏，扩大微生物修复技术应用规模，研发降低、防治土壤二次污染新方法（见表1）。表1土壤重金属治理技术（二）底泥重金属污染治理技术一是采用工程处理技术处理底泥重金属污染，改进工艺流程，优化处理环节，提升处理质量；二是采用生物修复技术处理底泥重金属污染，动物修复、植物修复、微生物修复、植物-微生物联合修复等协同处理，重点研究探索超积累植物的新品种、植物微生物相互作用机理、微生物重金属抗性基因的结构和功能等。应少采用化学处理技术，以免二次污染（见表2）。表2底泥重金属污染治理技术对比（三）水体重金属污染治理主要采用物理处理、化学处理、物理化学处理和生物处理四种技术。物理处理主要采用蒸发法、换水法和稀释法，操作简单易行，但主要适用于轻度污染水体；化学处理以沉淀法和电解法为主，处理效果较好，但电解法不适于处理较低浓度含重金属废水，且耗能大，易产生二次污染；物理化学处理有吸附法、离子还原法和膜分离法，易造成后续处理问题；生物处理中微生物处理方法最佳，植物处理和动物处理效果较好。对于局部轻度重金属污染水体，采用物理处理技术；对于特定重金属污染水体，采用化学和物理化学处理技术；应大力发展生物修复技术，把植物、动物和微生物处理作为重要方法和手段，进行组合修复。（四）矿冶重金属污染治理技术矿冶重金属污染处理技术主要有：中和沉淀法、硫化物沉淀法、铁氧体法、萃取法、离子交换法、氧化还原法、膜分离法、萃取电积法、自然沉淀法、混凝沉淀法、浮上法和电解法。基于各类处理技术不同的机理和操作方法，适用对象不尽相同。矿冶重金属污染治理技术流程如图1所示。图1矿冶重金属污染治理技术流程（五）重金属污染治理技术路线图按照重金属清洁生产技术、重金属冶炼废物循环利用、重金属污染水体底泥处置、重金属污染场地及土壤修复、重金属污染监控等要求，控制重金属污染增量、消化重金属污染存量、恢复湘江生态功能的治理技术路线如下所示（见表3）。表3湘江流域重金属污染治理技术路线三湘江流域重金属污染治理的技术举措湖南重金属污染防治的技术举措，目前从采矿到选矿、从冶炼到加工的各个环节，都设立了国家和省级的重大专项，建立了科技创新和产学研合作平台，一批关键瓶颈技术取得了突破，并已相继应用到生产实践中。（一）设立省科技重大专项近年来，湖南省科技厅集中70%的科技经费，组织实施科技重大专项，其中与湘江流域重金属污染治理直接相关的有8个。这些项目，以株洲清水塘、湘潭竹埠港、衡阳水口山等污染源相对集中的重点工业区和大中型有色采选、冶化企业为载体，以行业清洁生产和治理工程的关键共性技术为突破口，依托省内大型企业、优势高校院所，瞄准两大技术攻关。一是控源头。株洲清水塘重金属冶炼节能减排专项，在株洲冶炼集团建成重金属废水处理与回用工程，年减排废水500万吨，该技术已在湘江流域多家重金属冶炼企业推广应用。二是还旧账。株洲清水塘工业区固体废物利用专项，突破了固体废弃物制备胶凝材料技术，预计将在五年内，消纳该工业区几十年来积存的近1000万吨废渣。目前，已经突破了重金属废水处理、冶化固废资源化利用、行业清洁生产和治理修复等重大关键技术，有效控制了一批重大污染源，技术辐射带动了整个湘江流域相关产业的减排。典型例子如下。湘潭竹埠港工业区减排关键技术与工程示范。专项以竹埠港工业区含多种重金属和有机污染物的复杂废水、二氧化硫烟气和固体废弃物为研究对象，以废水的零排放和循环利用，废渣的无害化处理和资源化利用，低浓度二氧化硫烟气的锰矿脱硫和硫、锰资源回收利用为研究目标，通过三年研发，攻克了含镉重金属复杂废水生物制剂处理技术、含锰废水生物制剂处理技术、低浓度二氧化硫锰矿脱硫及资源化利用技术、锰渣低温烧结固化制砖技术、锰渣复合激活改性制备凝胶材料技术等五大关键技术，建立了重金属有机废水治理、烟气锰矿脱硫和资源化利用、含锰固废无害化处理和资源化利用技术示范工程。实现示范企业出水重金属镉、锰含量远低于《污水综合排放标准》（GB8978—1996）的限值，含锰废水处理后回用率95%以上，每年减排镉100公斤、锰1200公斤。减少锰渣7万吨/年，减少堆放场地12000平方米，节约黏土3万吨。湘江流域镉污染控制关键技术研究与示范。该专项主要针对湘江流域大型铅锌冶炼企业湿法炼锌镉存在镉的浸出率低，浸出过程中镉、铜、钴难以分离，镉在各段工序中易分散污染且其回收率低，矿冶区土壤镉污染严重等突出问题，研发出浸渣还原体系强化浸出以及有价金属高效萃取分离技术、含镉多金属料渣强化浸出及高效提镉新工艺、矿冶区镉污染土壤修复新技术，建立湿法炼锌过程镉的高效富集与减排新技术体系，集成创新矿冶区镉污染土壤化学——植物联合生态修复新技术体系，为湘江流域镉污染源头减排与镉污染土壤修复提供技术支撑。专项由省科技厅、衡阳市政府及湖南水口山集团共同出资，由中南大学联合中科院过程所、北京矿冶研究院、湖南有色金属研究院等单位共同承担。有色冶炼铜镉渣中有价金属提取技术开发。该专项由省环境保护科学研究院承担。专项运用微生物物化联合浸提技术，独创铜镉渣资源化处理技术，成功将铜镉渣中镉的浸出率提高到96%，镉回收率提高到90%，精镉纯度达到99.995%，解决了有色冶炼重金属污染严重问题，形成了“产学研”结合研究模式，建设了重金属固废污染控制技术团队。技术成果在株洲冶炼集团股份有限公司得到应用，为湖南资源综合有效利用与环境污染治理提供了示范。（二）争取国家项目支持2009年11月，《湘江水环境重金属污染整治关键技术研究与综合示范实施方案》列入《国家水体污染控制与治理科技重大专项》；2010年，国家紧急启动“湘江流域冶炼重金属污染物减排与利用关键技术及示范”；2011年，科技部立项支持重金属冶炼和造纸废水深度处理关键技术与工程示范、湘江流域冶炼重金属污染物减排与利用关键技术及示范等一批项目；2012年，科技部将铅锌重金属清洁冶炼关键技术、大型矿产基地生态恢复技术与示范等项目纳入实施计划。近年来，在重金属污染治理领域，湖南承接了“湘江水专项”“863计划”、科技支撑计划等一批国家项目，“有色金属资源基地重金属减排与废物循环利用技术及示范”“大型矿产基地生态恢复技术与示范”“大型有色金属基地及周边地区重金属污染土壤植物修复技术研究及示范”等14个项目获得国家立项，项目资金达3亿多元。这些项目瞄准有色冶炼清洁生产、废物循环利用、污染土壤修复等重大技术难题，集聚全国优势资源，开展产学研联合攻关，突破了重金属废水生物制剂处理、冶化固废资源化利用等一批绿色低碳关键技术。在科技部发布的《重金属污染防治技术汇编》的35项技术中，湖南省有8项入选，为湘江流域重金属污染治理提供了有力支持。举例如下。湘江水环境重金属污染整治关键技术研究与综合示范。该项目又称“湘江水专项”，是国家唯一针对水体重金属污染开展系统研究的项目。项目涵盖重金属污染点源、面源、内源多个方面的控制与治理，重金属污染监控预警及防控决策管理，汇集了北京大学、湖南大学、中南大学、中科院生态环境中心、湖南省环境科学研究院、湖南省环境监测中心站、湘潭大学等20余家科研院所与企业的力量。通过科研攻关，项目组研发了一系列关键技术。在生物制剂处理重金属技术方面的突破，使废水回用95%以上，削减重金属污染80%以上。研发的常压富氧浸锌处理锌渣清洁生产减污技术、锌冶炼行业重金属污染控制与处理关键技术等，不仅使清水塘工业示范区每天排放的废水稳定达标，还改善了流域的水环境。目前，湘江省控断面Ⅰ～Ⅲ类水质所占比例92.8%，Ⅱ类水质断面数逐步增加。有色金属资源基地重金属减排与废物循环利用技术及示范。项目以提升有色金属资源基地的清洁生产水平为目标，设置6个子课题，它们分别是：“湿法炼锌中镉和砷高效分离清洁工艺与示范”“有色冶炼高铁含铅固废清洁处理与铁回收技术及应用”“重金属冶炼气型污染物净化与利用技术及示范”“含铟重金属物料清洁回收技术与示范”“有色金属基地多元废物低温胶凝大宗利用关键技术与示范”“重金属冶炼过程污染风险控制模式与减排技术集成”，在推进重金属污染源头治理、改善湘江流域环境方面发挥重要作用。科技惠民计划项目。主要有“冷水江市锡矿山矿区蔬菜安全保障技术应用示范”“清水塘重金属污染区绿色家园生态恢复重建技术应用示范”“湘乡市冶化工业区居民生活饮用水安全保障技术应用示范”“桑植县采矿污染区农产品质量安全保障技术应用示范”“资兴市重金属加工区居民健康保障技术应用示范”等项目，这些项目在集中示范应用一批综合集成技术、推广普及一批先进适用技术成果方面，取得了显著的成效。长沙42万吨铬渣污染治理示范。项目采用“铬渣水溶除毒法”专利技术，在工艺和设备上进行了大胆创新改造，在技术指标、产能、降耗等方面取得丰硕成果，有改进工艺配方、调整钢球的大小配比和浆料浓度与流速的配比、选用水力旋流器替代振动筛、自控投料加药、降低固液分离工序的能耗等。其中，自主制订的《长沙市铬渣污染治理项目解毒铬渣稳定性检测暂行标准》和《试验方法暂行办法》，走在全国铬渣治理的前列。株洲清水塘重金属污染治理重点工程。该项目有霞湾港底泥清淤工程、大湖治理工程、清水塘废渣治理工程和中小企业关闭淘汰搬迁、生态修复等内容。已经实施：大湖治理工程——对大湖水面水体进行抽排处理、湖底清淤，底泥稳定固化，湖底防渗、回填封场等；清水塘废渣治理工程——对清水塘历史遗留的冶炼、化工含重金属废渣采用稳定化、固化技术进行安全处置。还将启动清水塘工业区重金属污染土壤修复工程、株冶总废水提质改造工程、废渣无害化处置工程、场地修复工程等，项目的实施将彻底改变清水塘工业区的面貌。（三）建设科技创新和产学研合作平台依据重金属污染治理科技创新和产学研合作需求，重点组建三大高端平台。组建国家重金属污染防治工程技术研究中心。该中心依托中南大学，是重金属污染治理首个国家级科技创新平台，建有重金属清洁生产减污新工艺、重金属废水处理、重金属固废处理与资源化、烟尘污染控制与模拟、重金属污染土壤修复、矿冶环境生物技术等七个实验室。在重金属污染防治技术研究开发方面，先后承担了国家科技重大专项、国家“973”计划、国家“863”计划、国家科技支撑计划、国家自然科学基金重点项目、国际科技合作与交流专项等科研项目63项；取得各类科技成