張 坤,羅 書

(瀘州市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站,四川 瀘州 646000)

水體重金屬污染治理技術(shù)研究進(jìn)展

張 坤,羅 書

(瀘州市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站,四川 瀘州 646000)

隨著工業(yè)的發(fā)展和人口的不斷增加,重金屬?gòu)U水排放量增加。有毒重金屬對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重威脅正逐漸成為全球性問(wèn)題,不僅對(duì)環(huán)境造成危害,還威脅著人類的健康。介紹了水體重金屬污染現(xiàn)狀及危害,綜述了目前國(guó)內(nèi)外治理水體重金屬污染主要技術(shù)的研究進(jìn)展,指出了微生物治理重金屬污染水體的良好應(yīng)用前景。

重金屬;水體污染;微生物治理

國(guó)際上自上世紀(jì)60年代開(kāi)展水體重金屬污染的研究,而我國(guó)對(duì)水體重金屬污染的研究始于上世紀(jì)80年代。環(huán)境中常見(jiàn)的重金屬污染物質(zhì)有:汞、鎘、鉛、鉻以及類金屬砷等毒性顯著的元素,也包括鋅、銅、鈷、鎳、錫等毒性一般的元素,以及放射性重金屬鈾、鐳、釷等。工礦業(yè)廢水、生活污水等未經(jīng)適當(dāng)處理即向外排放,污染土壤和廢棄物堆置場(chǎng)受流水作用,以及富含重金屬的大氣沉降物輸入,都會(huì)使水體重金屬含量急劇升高,導(dǎo)致水體受到重金屬污染,進(jìn)而嚴(yán)重威脅人類和水生生物的生存[1～2]。據(jù)聯(lián)合國(guó)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì),由于全球工業(yè)污染,世界上約80%的人口飲用水無(wú)法達(dá)到衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。在已知的人類疾病中70%～80%與水污染有關(guān)[3]。

1 水體重金屬污染現(xiàn)狀及危害

我國(guó)水體重金屬污染問(wèn)題已十分突出。江河湖庫(kù)底質(zhì)污染嚴(yán)重,重金屬污染率高達(dá)81%[4]。根據(jù)對(duì)我國(guó)七大水系中水質(zhì)最好的長(zhǎng)江的調(diào)查,其近岸水域已受到不同程度的重金屬污染,Zn、Pb、Cd、Cu、Cr等元素污染嚴(yán)重,而親硫元素如Cd、Pb、Hg、Cu的潛在活性大,易參與環(huán)境中各類物質(zhì)的反應(yīng)[5]。21個(gè)沿江主要城市中,攀枝花、宜昌、南京、武漢、上海、重慶6個(gè)城市的重金屬累積污染率已達(dá)到65%[6]。

國(guó)外水體重金屬污染現(xiàn)狀也不容樂(lè)觀。早在20世紀(jì)50年代,日本就曾出現(xiàn)由于汞污染引起的“水俁病”和鎘污染引起的“骨痛病”事件;波蘭由采礦和冶煉廢物導(dǎo)致約50%的地表水達(dá)不到水質(zhì)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[7]?？梢?jiàn),水體重金屬污染已成為全球性的環(huán)境污染問(wèn)題。

重金屬污染物進(jìn)入水生生態(tài)系統(tǒng)后對(duì)水生植物和動(dòng)物均產(chǎn)生影響,并通過(guò)食物鏈發(fā)生富集,引起人體病變,危害人類健康。

2 水體重金屬污染治理修復(fù)方法

水體重金屬污染的日趨嚴(yán)重已引起全社會(huì)的關(guān)注,除嚴(yán)格控制各種污水的排放外,另一項(xiàng)重要工作就是采取有效措施治理、凈化被污染的水體,并實(shí)現(xiàn)廢水的再生回用。

2.1 物理方法

2.1.1 蒸發(fā)法

蒸發(fā)法的原理是通過(guò)使水蒸發(fā)而濃縮電鍍廢水,工藝成熟簡(jiǎn)單,可實(shí)現(xiàn)水的回用和有用重金屬的回收,但耗能大,雜質(zhì)含量高,會(huì)嚴(yán)重干擾重金屬資源回收。

2.1.2 換水法

換水法是將被重金屬污染的水體移去,換上新鮮水,水量一般要求較小,應(yīng)用局限性明顯。

2.1.3 稀釋法

稀釋法就是把被重金屬污染的水混入未污染的水體中,從而降低重金屬污染物濃度。此法適于輕度污染水體的治理。當(dāng)重金屬污染物在這些水體中的濃度達(dá)到一定程度時(shí),生活在其中的生物就會(huì)受到重金屬的影響,發(fā)生病變和死亡等現(xiàn)象。所以這種處理方法目前漸漸被否定。

2.2 化學(xué)方法

2.2.1 化學(xué)沉淀法

化學(xué)沉淀法的原理是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)使廢水中呈溶解狀態(tài)的重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苡谒闹亟饘倩衔?通過(guò)過(guò)濾和分離使沉淀物從水溶液中去除,包括中和沉淀法、中和凝聚沉淀法、硫化物沉淀法、鋇鹽沉淀法、鐵氧體共沉淀法等[8～9]。產(chǎn)生的沉淀物必須很好地處理與處置,否則會(huì)造成二次污染。瀘州市環(huán)境監(jiān)測(cè)站對(duì)某廠中和沉淀法處理含銅、鋅、鎳廢水監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表:

表1中和沉淀法處理金屬?gòu)U水結(jié)果

2.2.2 電解法

電解法是利用金屬離子在電解時(shí)能夠從相對(duì)高濃度的溶液中分離出來(lái)的性質(zhì),主要用于電鍍廢水的處理。缺點(diǎn)是耗能大,廢水處理量小,不適于處理較低濃度的含重金屬離子的廢水。

2.3 物理化學(xué)方法

2.3.1 吸附法

吸附法是一種常用來(lái)處理重金屬?gòu)U水的方法,一些天然物質(zhì)或工農(nóng)業(yè)廢棄物具有吸附重金屬的性能,可降低重金屬?gòu)U水的處理費(fèi)用。但由于存在后處理問(wèn)題,限制了它們的工業(yè)化應(yīng)用。

2.3.2 離子還原法、離子交換法

離子還原法是利用化學(xué)還原劑將水體中的重金屬還原,將其形成難以污染的化合物,從而降低重金屬在水體中的遷移性和生物可利用性,減輕危害。離子交換法是利用重金屬離子交換劑與污染水體中的重金屬物質(zhì)發(fā)生交換作用,從水體中把重金屬交換出來(lái),達(dá)到治理目的。這類方法處理費(fèi)用較低,操作人員不直接接觸重金屬污染物,但適用范圍有限,容易造成二次污染。

此外,應(yīng)用于重金屬污染水體治理的物理化學(xué)方法還包括溶劑萃取法、膜分離技術(shù)法等[10]。

2.4 集成技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)廢水回用和重金屬回收,可采用集成技術(shù)處理重金屬?gòu)U水。張永鋒[11]采用絡(luò)合—超濾—電解集成技術(shù)處理重金屬?gòu)U水(圖1)。研究結(jié)果表明,在試驗(yàn)的最佳條件下,重金屬可達(dá)到100%的去除,超濾的濃縮液可通過(guò)電解回收重金屬,從而實(shí)現(xiàn)廢水回用和重金屬回收的雙重目的,為重金屬?gòu)U水的根治找到了新出路。

圖1 絡(luò)合—超濾—電解集成過(guò)程原理

2.5 生物方法

2.5.1 植物

重金屬污染水體的植物修復(fù)是指通過(guò)植物系統(tǒng)及其根系移去、揮發(fā)或穩(wěn)定水體環(huán)境中的重金屬污染物,或降低污染物中的重金屬毒性,以達(dá)到清除污染、修復(fù)或治理水體為目的的一種技術(shù)。按其機(jī)理可分為植物揮發(fā)、植物吸收和植物吸附。

目前已發(fā)現(xiàn)700多種重金屬超量積累植物[12](hyperaccumulator)。這些超量積累植物具有較高的重金屬臨界濃度,在重金屬污染環(huán)境中能夠良好生長(zhǎng)。但是,由于生長(zhǎng)緩慢、生物量小,又極大地限制了其在環(huán)境治理中的應(yīng)用價(jià)值。對(duì)于用作修復(fù)的植物,其生物量的增加、生長(zhǎng)周期的縮短、積累的機(jī)理等方面還有待進(jìn)一步研究。

2.5.2 動(dòng)物

水體底棲動(dòng)物中的貝類、甲殼類、環(huán)節(jié)動(dòng)物以及一些經(jīng)過(guò)優(yōu)選的魚類等對(duì)重金屬具有一定富集作用。如三角帆蚌、河蚌對(duì)重金屬(Pb2+、Cr2+、Cu2+)具有明顯自然凈化能力[13]。

此法的應(yīng)用局限性在于需要馴化出特定的水生動(dòng)物,處理周期較長(zhǎng),費(fèi)用高,且后續(xù)處理費(fèi)用較大,推廣較困難。目前水生動(dòng)物主要用作環(huán)境重金屬污染的指示生物,用于污染治理的不多。

2.5.3 微生物

目前,重金屬?gòu)U水處理中應(yīng)用較為廣泛的微生物治理方法主要有微生物絮凝法和生物吸附法。

2.5.3.1 微生物絮凝法

微生物絮凝法是利用微生物或微生物產(chǎn)生的代謝物,進(jìn)行絮凝沉淀的一種除污方法。至今發(fā)現(xiàn)的對(duì)重金屬有絮凝作用的微生物有12種。田小光等[14]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,用硫酸鹽還原菌培養(yǎng)液作為凈化劑,使電鍍廢水中鉻的含量由44.11 mg/L下降到5.365 mg/L。康建雄等[15]進(jìn)行了生物絮凝劑Pullulan絮凝水中Pb的試驗(yàn),結(jié)果表明,在PullMan與A1C1用量比為4:1.1,溶液p H值為6.5～7,Pb2+初始濃度為10,25,60和100 mg/L時(shí),分別投加8,25,40,80 mg/L的Pullulan,對(duì)Pb2+的去除率可達(dá)最高,分別為73.86%、76.30%、77.07%和81.19%。6次重復(fù)性試驗(yàn)表明,PullMan的絮凝效果具有較高的穩(wěn)定性。近年來(lái),多菌株共同培養(yǎng)的生物絮凝劑,因其可促進(jìn)微生物絮凝劑的產(chǎn)生且絮凝效果好,成為研究熱點(diǎn)。用微生物絮凝法處理廢水安全、方便、無(wú)毒,不產(chǎn)生二次污染,絮凝效果好,絮凝物易于分離,且微生物生長(zhǎng)快,易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。此外,微生物可以通過(guò)遺傳工程、馴化或構(gòu)造出具有特殊功能的菌株。因此微生物絮凝法具有廣闊的發(fā)展前景。瀘州市環(huán)境監(jiān)測(cè)站對(duì)采用BM菌絮凝沉淀法處理的電鍍廢水監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2:

表2 BM菌絮凝沉淀法處理電鍍廢水監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.5.3.2 生物吸附法

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外廣泛利用微生物制成生物吸附劑來(lái)處理重金屬污染的水體。生物吸附劑是利用一些微生物對(duì)重金屬的吸附作用,并以這些微生物為主要原料,通過(guò)明膠、纖維素、金屬氫氧化物沉淀等材料固定化顆粒制得。用固定化細(xì)胞作為生物吸附劑與直接用游離微生物處理相比,可以提高生物量的濃度,提高廢水處理的深度和效率,大大減少吸附—解吸循環(huán)中的損耗,固液相分離容易,吸附劑機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性增強(qiáng),使用周期明顯延長(zhǎng),降低成本。若將多種對(duì)不同金屬具有不同親緣性的微生物固定化后,分別填裝組成復(fù)合式的生物反應(yīng)器,則可用于處理含多種污染成分的廢水[16]。Tsezos和Mclready[17]等研究了固定化少根根霉(R.arrhizus)細(xì)胞分離廢水中鈾的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,固定化微生物可以回收稀溶液(鈾濃度≤300 mg/L)中所有的鈾,洗脫液中鈾濃度超過(guò)5 000 mg/L,循環(huán)使用12次后,生物質(zhì)仍保持其生物吸附鈾的能力達(dá)50 mg/g,工業(yè)應(yīng)用很有希望。在國(guó)內(nèi)陳林等[18]從活性污泥中分離出多株高效凈化重金屬的功能菌,對(duì)Cr6+吸附率80%以上。徐容、湯岳琴、王建華[19]使用海藻酸鈉固定的產(chǎn)黃青霉顆粒處理含鉛廢水也取得了較高的金屬去除率。

生物吸附應(yīng)用于重金屬?gòu)U水的凈化在工藝上是可行的,在技術(shù)上更表現(xiàn)出極大的優(yōu)越性和競(jìng)爭(zhēng)力,無(wú)論是吸附性能、p H值適應(yīng)范圍還是運(yùn)行費(fèi)用等方面都優(yōu)于其他方法。

3 展望

微生物在環(huán)境保護(hù)和環(huán)境治理中起著舉足輕重的作用。微生物具有容易發(fā)生變異的特點(diǎn),隨著新污染物的產(chǎn)生和數(shù)量的增多,微生物的種類可隨之相應(yīng)增多,更加呈現(xiàn)出多樣性。這使其有別于其他生物,在環(huán)境污染治理中,微生物的作用獨(dú)樹(shù)一幟。微生物修復(fù)法具有成本低、效益高、反應(yīng)條件溫和、無(wú)二次污染,在恢復(fù)水體功能的同時(shí)可以增強(qiáng)水體環(huán)境的自我凈化能力等許多優(yōu)點(diǎn)。另外,通過(guò)基因工程、分子生物學(xué)等技術(shù)應(yīng)用,可使微生物具有更強(qiáng)的吸附、絮凝、整治修復(fù)能力。因此微生物治理法無(wú)論對(duì)于環(huán)境的改善還是有限資源的再利用都具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值及廣闊的發(fā)展前景。

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Progress in Technology Study of Heavy Metal Pollution Control in Water Body

Zhang Kun,Luo Shu
(Luzhou Environmental Monitoring Station,Luzhou Sichuan646000)

With the development of industry and the increase of population,more and more wastewater containing heavy metal is let out.The serious threat of toxic heavy metal pollution to the environment is becoming a global problem.It is not only harmful to the environment,but also a threat to human health.This paper introduced the present situation and the harm of heavy metal pollution of water body,and summed up current research trends of controlling technique for heavy metal pollution of water body at home and abroad,then pointed that the microorganism treatment techniques is promising in the practical field.

heavy metal;pollution of water body;microorganism treatment techniques

X52

A

1008-813(2010)03-0062-04

10.3969/j.issn.1008-813X.2010.03.018

2010-03-30

張坤(1976-),男,四川瀘州人,1999年畢業(yè)于四川大學(xué)環(huán)境監(jiān)測(cè)專業(yè),注冊(cè)環(huán)評(píng)工程師,長(zhǎng)期從事環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工作。