《重金属废水的处理技术分析》5800字

重金属废水的处理技术分析目录TOC\o"1-2"\h\u22646摘要 111634关键词 114911前言 147112重金属废水特点及危害 262622.1重金属废水的特点 2317642.2重金属废水的危害 5174833重金属废水处理技术 6217943.1物理技术 6240853.2生物技术 8268834总结与展望 93669参考文献 9摘要：我国目前的水体污染物中，对水体环境污染程度和影响最大的是重金属废水。水体中的各种重金属离子会严重破坏水体生态平衡，并通过自然界的物质循环等途径遍及生物圈各处。过量的重金属离子不仅严重危害了水生物的健康，而且会在动物甚至人的体内富集，严重威胁人体健康，会造成人体内脏、大脑等重要器官衰竭或损伤。现存水体中常见的重金属离子主要有Cu2+、Hg2+、Pb2+等，由于重金属离子本身的难降解性、富集性以及持续性等特性，使得重金属废水处理与其他传统污染物处理方法有所不同。本文研究了目前去除水体中重金属的两种主要技术：物理、化学和生物技术，总结了两种方法的优缺点。提出今后重金属废水的处理方法，应该发展以生物技术为主、多技术协同的环保、高效的系统方法。关键词:废水；重金属；物理法；生物法1前言重金属污染水体具有长期积累性、毒性大、难降解等特征，对环境资源的保护和利用、人类及其他生物的生存构成了极大威胁。例如，汞（Hg）侵入人体内主要会对器官和神经系统造成一系列损伤。一是损害呼吸系统，使人体呼吸困难，最后导致呼吸衰竭甚至死亡。二是损害肾脏，导致急性肾功能衰竭和急性间质性肾炎。[1]三是损害中枢和周围神经系统，引起神经功能下降。铅（Pb）在人体内含量过多，会引发铅中毒，还会导致贫血症、神经功能失调及肾脏损伤，且在人体内不易排出。铬（Cr）对环境的也具有一定破坏性，当土壤环境中的铬超量时，将严重影响植物生长，主要表现有植株变矮，茎叶数量降低，最后导致数量下降。砷（As）在自然界广泛分布，矿石、食品、水、土壤等均有一定含量的砷，砷不能以单质形式存在，在自然界中往往以化合物（As3+、As4+、As5+）的形式存在，其污染源主要有冶炼和含砷矿石的开采，砷溶于水后会在水生生物体内富集，使生物体中毒；土壤环境的砷污染会造成土壤肥力丧失、土壤性质改变，严重危害作物生长、成熟和土壤动物的生存[2]。重金属资源本身作为一种宝贵的自然生态资源，又具有很大的利用空间。因此，如何安全有效的回收利用废水中的重金属、处理重金属污染水体成为社会各界普遍关注的焦点问题。去除废水中重金属的方法中，物理法去除的仅仅是处于稳定形态的重金属，故去除效率不高，往往作为废水处理的前处理工艺；化学法中的吸附法、沉淀法等是在重金属废水中加入化学药剂，使之被吸附或者形成沉淀物而从水体中除去，该种方法具有金属去除率高，但是往往由于在水中添加了化学试剂而与水环境中其他物质发生反应，造成二次污染，故用化学法处理时要考虑生成物的后续处理；生物法则是利用自然界广泛存在的微生物体对重金属的吸收、富集作用等，待其将重金属储存、累积后再用一定的方法除去体内重金属。与物理和化学法相比，由于微生物的种类繁多、广泛分布，以及其能处理的重金属种类更多，所以，生物法在处理重金属废水的过程中更高效，对环境的危害可降至最低，故目前生物处理重金属的技术工艺得到显著关注，并在未来污水处理中有相当的发展前景。2重金属废水特点及危害2.1重金属废水的特点废水中主要重金属有Cu、Zn、Hg、Ni、Cd、Pb和Cr等，由于重金属本身性质的特点，使得重金属对废水的污染与传统污染物有所不同。2.1.1难降解性环境中存在的重金属由于其结构稳定、形态多样，普通处理方法及工艺手段都无法有效地降解，目前已有的重金属处理处置技术也多是仅以多种方式改变废水重金属化合态或化合物类型，减少毒性或使之从水体中分离出其他物质。这些技术在一定程度上限制了重金属离子对人类健康的影响，而且还会造成二次污染。水中重金属和其所形成污染产物的存在形式、成分非常复杂。其中有些金属离子在一定浓度范围内能对生物体产生毒害作用，甚至是致癌或致畸毒。重金属多为过渡态元素，它们的化学价态千差万别，并随周围环境和水中PH的变化而变化、水体温度的变化等等，将导致配位体具有不同的态态态，加之各水体氧化还原条件各异，将生成多种化合状态与结合状态，因而呈现不同迁移规律，生物毒性大；同时重金属又可参与多种代谢过程，影响生物体内酶的活性。此外，重金属在微生物的作用下也会发生分解并释放进入水体中。这些因素都使得重金属离子具有很强的迁移性，并最终导致对生物体有害或使水质恶化。另外，重金属会随着水的流动进入污水处理厂，对污水处理厂会产生不同程度的二次污染。[3]2.1.2生物富集性重金属污染可以通过食物摄入、皮肤接触等方式被生物体吸收、富集，再通过自然生态系统中生物之间形成的食物链而得以放大。随着食物链物种的逐渐演变，使得重金属在更高级物种甚至人体内成千上万倍地富集，最终会使人体健康受到严重的威胁[4]。更由于这种富集作用，处于食物链顶端的人类通过食物获得的重金属浓度比环境中的高得多，随着时间的推移，这些重金属在人体器官组织或血液中持续积累，从而造成不可逆转的伤害。表1常见水生植物对部分重金属的富集系数物种Species处理Treatment富集系数EnrichmentcoefficientCdPb豆瓣菜CK——Cd8.601±0.793—Pb—0.013±0.001Cd+Pb10.415±0.1750.030±0.004水萝卜CK——Cd5.170±0.036—Pb—0.106±0.014Cd+Pb14.743±0.0220.504±0.036沼生蔊菜CK——Cd8.100±0.168—Pb—0.037±0.005Cd+Pb5.005±0.0150.000±0.000白芥CK——Cd4.664±0.209—Pb—10.176±0.257Cd+Pb3.225±0.0814.185±0.081水芹CK——Cd7.442±0.122—Pb—0.318±0.008Cd+Pb10.895±0.7110.268±0.012续表1蕹菜CK——Cd5.149±0.035—Pb—1.282±0.175Cd+Pb2.365±0.2010.024±0.0042.1.3污染持续性废水中的重金属离子不仅可以与等价的阴离子、酸根等形成沉淀物，如与碳酸根生成碳酸盐、与磷酸根生成磷酸盐以及与硫离子生成硫化物等难溶性化合物。而且可与废水中的Cl-、SO42-、NH4+、OH-、有机酸等，形成各种无机络合物或者金属螯合物，使水中难溶重金属再次被释放出来，水体中的重金属溶解性变大，经过长期积累后形成较为稳定的的次生污染源。2.2重金属废水的危害2.2.1对人体的危害水是生命之源。当重金属废水污染饮用水、纯净水和其他人类生存所必需的水源时，它会通过各种方式直接或间接地危害人类健康。主要有两种形式，一种是饮用水源受到污染，当废水中的重金属含量超过限值时，会引起细胞的毒性反应，导致人体细胞产生毒性物质而中毒[5]。当体内重金属含量超过正常值时，就会损害人体的神经系统。另一种是重金属废水污染灌溉水源，进而对农田、耕地等造成污染，而且重金属物质也可以被其他种类的作物所吸收、富集，最终进入人体中并影响人体健康，对人体的免疫功能造成破坏并最终患上各种疾病[7]。Zn2+和Ca2+等是人体不可或缺的微量元素，适量的Ca2+会参与骨骼的构建、肌肉的收缩，还能促进凝血等，但当人体内Ca2+的含量过高会导致肾功能损害、患结石、影响中枢神经系统等。因此，人体内的重金属应保持在适量范围，否则就会对人体器官、细胞组织等造成不可逆伤害。如上世纪50年代日本发生的"水俣病"事件，其根源就是由于当时的水体发生严重的汞污染，水体中的汞通过食物链的传递与富集作用最终进入了人体内，极大损伤了人体的中枢神经系统。同时期发生的“痛痛病”也是由过量的镉引起的，含镉废水进入河流并使稻米和鱼虾内富集了大量的镉，进入人体后导致人体关节疼痛、骨质疏松以及骨质萎缩等疾病。2.2.2对水生植物的危害含有重金属的废水排放到天然水体后与其混合，当混合水体流经有植物生长的土壤时，部分重金属物质会被截留下来，不仅干扰植物的光合作用，还严重影响植物体内各种酶的合成。因此会间接妨碍植物的正常代谢及生命活动。例如，当月牙藻和羊角等植物在遭到重金属废水污染时，均会降低自身的光合作用程度，降低植物的综合防御能力，也会导致自身环境条件质量下降[6]。采用混酸消解体系，使用氢化物发生-原子荧光光度法分别对美人蕉、千屈菜、水生黄鸢尾和菖蒲四种水生植物根、叶中重金属含量进行测定。结果表明，菖蒲对Pb、Cd、As的富集能力最强，美人蕉最弱。其中水生黄鸢尾对Pb的富集能力比千屈菜强，但对As的富集能力则相反。2.2.3对水生动物的危害水中重金属含量过高会对生物体的健康带来严重影响，主要表现为生长发育迟缓、代谢能力及酶的活性下降。比如，废水中的汞、铅、铜等重金属超标，就会导致鱼类中毒，水中生物的生长异常，甚至会导致生物的基因发生变异，对水体生物造成严重危害。重金属在淡水鱼中的毒性和富集情况，发现Cd在淡水鱼中的富集情况如下:血液>肝脏>肾脏>腮丝>肌肉。此外，一些水生生物通过鳃的呼吸使重金属进入体内或者通过体表与水之间的相互接触而渗透交换将其富集。镉对背角无齿蚌鳃组织能量代谢的毒性效应，结果表明镉会导致背角无齿蚌鳃组织中线粒体受损，蛋白质代谢受阻，影响了背角无齿蚌鳃、消化腺和闭壳肌组织的相关能量代谢酶活性，造成机体的无氧代谢、有氧代谢以及蛋白质代谢系统速率异常，导致组织能量代谢紊乱，影响了机体正常生命活动，随着镉浓度不断增加和暴露时间逐渐延长，背角无齿蚌肌肉组织的镉蓄积量逐渐升高，闭壳肌的肌肉组织结构损伤越来越严重。[7]3重金属废水处理技术基于重金属废水的严重危害，重金属废水技术的应用和发展也日益广泛。目前，国内外常用的重金属废水处理技术主要有三类，即物理、化学和生物处理技术。3.1物理技术当前去除废水中重金属的物理方法中，常见的有电离法、气浮法、离子交换吸附、电解法等。物理法处理废水主要是通过物理作用如沉淀、过滤等手段分离和去除废水中不溶性悬浮或漂浮态污染物。这种方法大多设备简单，操作方便，分离效果好且对环境危害相对较小。3.1.1膜分离膜分离技术是将已经过预处理的水转变成具有一定粒度的不溶性颗粒，然后利用特殊的半渗透膜将水中的某些溶质和溶剂保留下来，从而将重金属离子分离出去。膜分离技术具有适应性好、能耗低、运行效率高、二次污染极少、无需加入化学药剂等优点，但其使用成本较高，不宜用于处理水量大的工程。根据孔径大小可将滤膜分成反渗透膜、微滤膜、超滤膜、纳滤膜四种类型[8]。其中，微滤膜的孔径范围是0.30-10μm，而由于重金属颗粒的相对粒径范围较小，常规的微滤膜对重金属离子的去除效果并不理想，通常需要与一定的前处理工艺结合才能到达较高的重金属去除率。使用中和/微滤法处理技术，以聚四氟乙烯为膜物质，处理浓度为132.99mg/L的含Fe2+、Zn2+废水，在一定条件下两种离子去除率分别为99.96%、99.83%。超滤膜的孔径一般在0.01μm以下，比微滤膜具有更高的分离率，常与其他方法联合使用，去除金属离子。以聚丙烯酸(PAA)为络合剂，采用络合/超滤耦合技术处理重金属废水，该技术对Cu2+、Zn2+的截留率可达95%以上。纳滤膜的孔径范围为0.001-0.01μm，截留精度很高，但是由于纳滤膜的微孔尺寸较小，在长期使用中会对膜的分离效果产生一定的影响。反渗透膜对重金属的分离率最高，分离范围为0.0001μm，加压溶液，在反渗透膜的作用下，使溶质与溶剂分离。。图1膜分离技术3.1.2吸附所谓吸附法，就是使用某种吸附剂，在液体成分或气体成分中，有选择的分离了一个或多个不同成分，将被吸附组分浓缩于吸附剂的表面，将它们从溶液中分离出来。吸附法作为一项新型水处理技术，近年来发展很快，已成为当今水污染控制领域研究和开发的热点之一。在污水处理中，因活性炭特殊的孔隙结构，有较大的比表面积、吸附容量大，物料来源广、再生性能良好等，被广泛应用。3.2生物技术许多重金属对微生物的正常生长十分重要，但在微生物细胞中浓度过高时，会对微生物体产生毒性。微生物可以通过细胞表面的富集或改变细胞膜的组成来减少毒性损伤。图2重金属与微生物的作用机制3.2.1生物转化生物转化指微生物细胞主动代谢，涉及到能量的生产与消费。在这种条件下，微生物将底物分解为简单的小分子化合物。废水中的某些重金属首先被微生物细胞吸附，再经过它身体里生化过程：氧化，还原、甲基化与去甲基化，减少其毒性的过程是微生物解毒重金属。生物除汞技术是将细菌等有机污染物转化成无害物质而不影响水体环境或去除其它有毒有害元素，是一种环境友好型的废水处理新方法。与活性污泥分离的对汞、铬、铜耐受微生物，这些细菌多为微球菌属，假单胞菌属，用以上菌类制备活性污泥进行含铬处理、铜质废水治理效果较好。硫酸盐还原菌处理Zn2+最佳操作工艺研究表明，进水COD浓度320mg/L、Zn2+浓度100mg/L，这一过程可以高效地操作，Zn2+去除率高达99.6%。3.2.2生物絮凝生物絮凝法是利用微生物与重金属离子反应生成沉淀物，对含有重金属离子的工业废水进行处理的方法。在这个过程中，微生物就像高分子聚合物一样，充当着使重金属聚集和沉淀的絮凝剂的作用。目前，对金属有累积作用的生物种类约有12种，生物絮凝剂中的氨基和羟基可以与重金属离子Cu2+、Hg2+、Ag+和Au2+等形成稳定的螯合物并稳定下来。在活性污泥中发现一种对废水中的Na+、Ca2+、Fe3+等金属离子具有较高絮凝活性的MY-88絮凝性菌株，在pH值为6.5，温度为25℃时，该菌株对Ca2+絮凝作用最强，絮凝率可达99.6%。4总结与展望随着各行业的发展，各种重金属废水处理技术受到的关注也越来越高。重金属废水的成分非常复杂，各种污水处理技术各有优缺点和不同的使用条件，必须通过重金属废水处理技术的不断改进来完善处理效果。人类面临着环境污染的挑战，而应用某些技术来回收含有重金属的废水，不仅有可观的经济效益，而且对环境和社会也有积极的影响。与物理和化学方法相比，用生物法处理含重金属离子的污水，可使重金属浓度大大