李 霞李 華 焦曉燕 王慧賢

（1.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,山西 太原 0 300061；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)〔山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院〕,山西 太原 030031；3.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院,山西 太原 030024）

近年來，我國(guó)出現(xiàn)了較大的突發(fā)性重金屬污染事件，湖南瀏陽鎘污染事件便是典型的例子。重金屬行業(yè)容易存在違規(guī)開采現(xiàn)象，超標(biāo)排污等相關(guān)問題不斷發(fā)生，這實(shí)際也是引發(fā)水體產(chǎn)生突發(fā)性重金屬污染的重要原因。通過調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前在重金屬污染事件應(yīng)急處理方面所使用的方法比較有限。因此，針對(duì)性研究重金屬水體污染的應(yīng)急處置技術(shù)以及方法，具有較強(qiáng)的實(shí)踐作用和有效性，可在將來的重金屬水體污染處置中發(fā)揮重要的作用。

1 水體重金屬處理方法分析

1.1 膜生物反應(yīng)處理法

膜生物反應(yīng)技術(shù)的原理就是以膜分離的方式來進(jìn)行重新組合，膜分離需在一定的驅(qū)動(dòng)力作用下對(duì)分離混合物中的離子與顆粒進(jìn)行選擇性透過。膜在離子范圍內(nèi)分離而不發(fā)生變化，其厚度為微米，膜的分離與保留性能由其孔徑大小所決定。膜可以分為微濾膜與反滲透膜，依照膜的分離特性可將其區(qū)分為致密膜與多孔膜。而膜生物反應(yīng)器就是膜分離技術(shù)和生物化學(xué)相結(jié)合形成的新工藝，其以膜組件取代傳統(tǒng)生物處理技術(shù)末端二沉池，在生物反應(yīng)器中保持高活性污泥濃度，提高生物處理有機(jī)負(fù)荷，從而減少水體金屬處理設(shè)施占地面積，并通過保持低污泥負(fù)荷減少剩余污泥量，主要利用膜分離設(shè)備截留水中的活性污泥與大分子有機(jī)物。由于具備截留性，其能夠保留世代時(shí)間較長(zhǎng)的微生物，可實(shí)現(xiàn)對(duì)污水深度凈化，同時(shí)硝化菌在系統(tǒng)內(nèi)能充分繁殖，硝化效果明顯，為深度除磷脫氮提供可能。膜分離和結(jié)合時(shí)還能實(shí)現(xiàn)物質(zhì)濃縮和分離，進(jìn)行水體金屬處理。圖1為膜生物反應(yīng)技術(shù)運(yùn)用原理圖。

圖1 膜生物反應(yīng)技術(shù)運(yùn)用原理

作為水體金屬處理中應(yīng)用的新型技術(shù)，膜生物反應(yīng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中的占地面積較小，且不會(huì)產(chǎn)生污泥沉降的問題，能夠進(jìn)一步提升水體重金屬處理效率及質(zhì)量，這是該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，相比于其他污水處理技術(shù)而言，其操作更加簡(jiǎn)便，沒有繁雜的操作程序。膜生物反應(yīng)技術(shù)中曝氣系統(tǒng)的使用以新型透氣膜為基準(zhǔn)，這與過往使用的透氣膜相比，其傳質(zhì)阻力較小，且具備抗高壓的能力，能夠避免因外部環(huán)境因素的影響而無法正常運(yùn)行，防止此類現(xiàn)象的發(fā)生，為供氧系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供有效保障[1]。

1.2 化學(xué)處理法

采用化學(xué)技術(shù)需要依托化學(xué)反應(yīng)的原理針對(duì)性除去水體中的重金屬相關(guān)離子，主要采用的化學(xué)法涉及堿性沉淀、氧化還原、硫化物沉淀、絡(luò)合法、電化學(xué)法以及組合或其他化學(xué)沉淀等。堿性化學(xué)沉淀法主要是有效調(diào)節(jié)水體的pH值，將其調(diào)減到弱堿性范圍，進(jìn)而促使相關(guān)重金屬離子產(chǎn)生難溶的金屬氫氧化物，或者使其產(chǎn)生化學(xué)變化形成碳酸鹽，去除重金屬離子，適用的金屬離子主要以鉻、汞和鉛等為主[2]。硫化物沉降法主要是將硫化鈉等物質(zhì)投放到相關(guān)化學(xué)反應(yīng)中，使其反應(yīng)得到金屬硫化物，而這種物質(zhì)通常難溶于水，其適用對(duì)象以鉛和汞等特殊重金屬為主，在其他化學(xué)沉淀法主要是借助氧化還原反應(yīng)，通過這種反應(yīng)來轉(zhuǎn)化金屬離子價(jià)態(tài)，完成價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化工作后借助化學(xué)沉淀的方式，適應(yīng)對(duì)象主要集中在砷和鉻(Ⅵ)等重金屬。上述重金屬沉降去除法采用的工藝參數(shù)如表1所示。

表1 常見重金屬沉淀法處理工藝參數(shù)

對(duì)于表中的重金屬元素進(jìn)行分析，化學(xué)沉降法除砷主要是借助AsO4的3價(jià)負(fù)離子和諸如3價(jià)鐵、鋁離子以及2價(jià)鈣離子等形成難溶鹽，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上借助沉淀以及過濾的方式有效去除這些難溶鹽。在實(shí)際處理的過程中，需要將三價(jià)砷轉(zhuǎn)化成五價(jià)砷，所采用的氧化劑主要以軟錳礦等為主，通過這種方式除去水體重金屬，比如，可以采用零價(jià)鐵和被污染的三價(jià)砷進(jìn)行氧化還原，將其中的單質(zhì)砷還原出來，在該反應(yīng)中，還會(huì)伴隨著一些鐵氧化物，對(duì)于這些物質(zhì)可以借助吸附的方法將其有效去除[3]。在除砷環(huán)節(jié)可采用漂白粉，通過氧化作用，并使用石灰乳來調(diào)節(jié)pH值，將該值調(diào)節(jié)到11左右便可以達(dá)到除砷需求。對(duì)于Hg(Ⅱ)的還原而言，可以借助生物觸媒，置換出單質(zhì)汞，再借助高錳酸鉀或者是濃硫酸溶液有效氧化回收汞蒸汽，在30h內(nèi)需要將水中5～10 mg/L的汞濃度降低到120μg/L；在除鉛時(shí)，可以借助高錳酸鉀和活性炭的工藝措施，在該工藝環(huán)節(jié)中，預(yù)氧化劑主要是高錳酸鉀，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)高比表面積、高活性的中間產(chǎn)物新生態(tài)水合二氧化錳，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用活性炭的吸附性，去除鉛離子[4]。采用電化學(xué)法去除水體重金屬，其需要經(jīng)歷的過程有電絮凝、電氣浮和電氧化等，比如，在除砷的環(huán)節(jié)中，可以借助電凝聚法，所采用的陽極材料主要以鐵或者鋁為主，通過此方法得到的氫氧化物可以用來做絮凝劑與砷酸根離子進(jìn)行反應(yīng)。

1.3 固定化微生物處理法

固定化微生物技術(shù)是將特選的微生物固定在載體上，使其高度密集并保持生物活性，在適宜條件下使其能夠快速、大量增殖。這種技術(shù)應(yīng)用于廢水中的水體重金屬處理，有利于提高生物反應(yīng)器內(nèi)微生物尤其是具備特殊功能微生物的濃度，有利于微生物抵抗不利環(huán)境的影響，有利于反應(yīng)后的固液分離，縮短處理所需的時(shí)間。利用固定化微生物技術(shù)提高廢水處理效率的工藝方法也被稱作“生物增效”，其適用的領(lǐng)域非常廣泛，例如：化糞池、隔油槽、排水管、城市污水處理廠以及工業(yè)廢水等。一般而言，針對(duì)特殊污染源，來自天然環(huán)境的微生物消耗很快、效率低下，即使有快速的繁殖能力仍無法負(fù)荷。因此，生物增效的作業(yè)過程如果依循自然的方式，向目標(biāo)添加定制的、具有已知降解能力的微生物制劑（固定化微生物），處理效果則有明顯的提升。

2 水體重金屬污染處理方法在應(yīng)急處置場(chǎng)景使用中受限情況

（1）膜生物反應(yīng)處理法在水體重金屬污染應(yīng)急處置場(chǎng)景的應(yīng)用中存在一定的局限，雖能可有效控制污泥，但會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部膜的使用時(shí)限縮短，對(duì)其使用壽命造成較大的影響，這一點(diǎn)與傳統(tǒng)型污水處理技術(shù)相比，其缺點(diǎn)太過于明顯。在實(shí)際運(yùn)用中，如果污水泥沙較多，且使用時(shí)間較長(zhǎng)，就會(huì)對(duì)使用的設(shè)備造成損壞，致使其不能正常運(yùn)行，這也正是當(dāng)下相關(guān)部門在開展水體重金屬污染處理工作時(shí)，沒有選擇該項(xiàng)技術(shù)的原因所在，主要就是擔(dān)心設(shè)備使用壽命，如果在使用途中出現(xiàn)無法正常使用的問題，就會(huì)對(duì)水體重金屬污染處理工作的開展造成阻礙，不僅影響工作進(jìn)度，還會(huì)增加成本費(fèi)用。

（2）化學(xué)處理法在實(shí)際應(yīng)用中需要的藥劑來源相對(duì)廣泛，即便污染事件多次發(fā)生，但在自然水體中產(chǎn)生污染現(xiàn)象時(shí)，水體中的重金屬通常情況下會(huì)以沉降的方式沉到水底中，此外，重金屬還會(huì)伴隨著懸移質(zhì)或者是推移質(zhì)進(jìn)行遷移。采用諸如電化學(xué)法等相關(guān)化學(xué)法，容易導(dǎo)致操作方式較為復(fù)雜，且在操作過程中需要使用相關(guān)設(shè)備，但這些設(shè)備往往難以在現(xiàn)場(chǎng)中使用，在時(shí)間比較短的重金屬污染治理中很難適用，導(dǎo)致該方法在實(shí)際水體重金屬污染處理應(yīng)急處置的場(chǎng)景中難以發(fā)揮自身效能及作用[5]。

（3）由于水體重金屬污染處理應(yīng)急處置場(chǎng)景較為特殊，固定微生物處理法實(shí)際操作雖簡(jiǎn)便，經(jīng)濟(jì)性較好，但存在無法實(shí)現(xiàn)高精確處理的問題，在實(shí)際處理中去除重金屬離子的速度較慢，整體效率較低，在應(yīng)急處置場(chǎng)景下應(yīng)用，無法第一時(shí)間取得成效，最終就會(huì)阻礙整個(gè)水體重金屬污染處理應(yīng)急方略的具體實(shí)施，無法在該情形下得到充分利用，難以完全去除水體中的重金屬物質(zhì)[6]。

3 處置突發(fā)性重金屬水污染應(yīng)急方略

3.1 重金屬水污染團(tuán)擴(kuò)散程度分析

在實(shí)際工作開展中，根據(jù)污染團(tuán)擴(kuò)散先后順序進(jìn)行分類，可以將其分為產(chǎn)生污染團(tuán)、豎向混合、橫向混合以及縱向混合。結(jié)合生物膜技術(shù)的應(yīng)用，在完成豎向混合后，一般情況下近河床剪切離散容易對(duì)其產(chǎn)生影響，有效強(qiáng)化了縱向彌散，使得污染團(tuán)在這種狀態(tài)下容易被拉伸成具有帶狀特征的污染物。而在穩(wěn)態(tài)污染源的排放過程中，將推流遷移和縱向彌散進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，污染物在縱向混合傳質(zhì)過程中產(chǎn)生的影響并不大。而在瞬時(shí)排放的污染團(tuán)中，縱向彌散所表現(xiàn)出來的強(qiáng)度實(shí)際更容易對(duì)污染帶長(zhǎng)度產(chǎn)生影響。而采取措施來清除排放到自然界的污染物，其產(chǎn)生的成本通常都和污染團(tuán)擴(kuò)散程度息息相關(guān)，在該程度增加的過程中，其指數(shù)級(jí)也不斷增加。因此，在沒有完成豎向混合之前需要對(duì)污染團(tuán)的擴(kuò)散程度進(jìn)行控制，而最佳的水污染處置措施通常情況下是將污染團(tuán)及時(shí)移出主干渠，但這種處理措施的實(shí)行前提是需要有效研究限制污染團(tuán)豎向彌散和橫向彌散的裝備與技術(shù)。至于明渠河流，由于河渠的深度和寬度一般成反比，通常寬度較深度大，因此，其中的水溶性污染容易呈豎向彌散狀態(tài)，這就容易加快縱向彌散拉伸速度，且在橫向擴(kuò)散方面容易隨河床形貌等產(chǎn)生變化[7]。

3.2 重金屬水污染橫向混合前應(yīng)急措施

應(yīng)急處理重金屬水污染可采取設(shè)堰的措施將相關(guān)污染物從主干渠中引出，一旦污染物成為橫向斷面混合，就容易對(duì)引流除污產(chǎn)生較大的影響，很難發(fā)揮其除污價(jià)值。對(duì)此，可以設(shè)置導(dǎo)流堰，通過導(dǎo)流堰將污染帶導(dǎo)出主干渠，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上有效采用靜態(tài)處理措施，這實(shí)際是在突發(fā)性重金屬污染事件中采用的一種有效的應(yīng)急處置技術(shù)。污染物在整個(gè)斷面完全混合后，呈現(xiàn)出來的水量比較大，同時(shí)在水流相對(duì)緩的前提下，借助吸附壩的污染去除方式，呈現(xiàn)出來的效果也比較好。但對(duì)于傳統(tǒng)吸附壩而言，過壩的流速容易受到阻力的影響，在大量的河流明渠中，需要過濾的面積比較大，進(jìn)而導(dǎo)致水力壅高也隨之增高，一般的堤壩實(shí)際很難滿足條件，這也是當(dāng)前在很多重金屬污染處理中沒有直接采用這種方式的主要原因。如果能有效研發(fā)出和傳統(tǒng)吸附壩效果相近但產(chǎn)生的阻力較小的新型吸附壩，就能夠解決污染物擴(kuò)散產(chǎn)生的相關(guān)問題，同時(shí)，這種方法能夠?yàn)榉帕飨♂尳档臀廴疚餄舛确ǖ膽?yīng)用提供優(yōu)質(zhì)的條件。主要的原因是在放流稀釋的過程中，可以有效提高污染團(tuán)遷移速度，但呈現(xiàn)出來的稀釋作用相對(duì)有限。吸附壩有阻滯緩釋污染物的作用，可通過放流來水的措施稀釋污染物。

對(duì)水體突發(fā)重金屬污染團(tuán)擴(kuò)散的不同階段所采取的應(yīng)急處置方略可總結(jié)為“圍”“追”“堵”“截”。在污染團(tuán)進(jìn)入水體伊始且尚未充分?jǐn)U散時(shí)，可采取“圍”與“追”兩種方式，通過運(yùn)用圍欄、無紡布或是多級(jí)石灰堰等設(shè)施將污染團(tuán)限定在一個(gè)小的區(qū)域內(nèi)，在流速小時(shí)可將污染區(qū)的水抽至安全地區(qū)處理（“圍”），在類似溢油污染應(yīng)急處置時(shí)使用圍油欄，以移動(dòng)式處理設(shè)備追蹤污染團(tuán)并清除其中的污染物（“追”），如2016年在進(jìn)行山西省昔陽縣楊家坡水庫水污染應(yīng)急處置時(shí)采用環(huán)保疏浚船。若污染物尚未完成橫向混合，且沿河渠有引流條件，則宜將污染帶引入并堵在池塘、濕地等處進(jìn)行靜態(tài)處置（“堵”），如2017年在進(jìn)行山東臨沂邳蒼分洪道砷污染應(yīng)急處置時(shí)，依托現(xiàn)狀地形開挖導(dǎo)流溝，在導(dǎo)流溝內(nèi)修建吸附壩，并布置抽排水設(shè)施。若污染物已完成橫向混合，則需通過設(shè)置大流量、低流阻的吸附壩或混凝沉淀等方式對(duì)污染物進(jìn)行截留削減（“截”），如2018年廣西龍江發(fā)生鎘污染事件，通過投加生石灰與聚合氯化鋁沉淀混凝方式除鎘。

4 結(jié)語

針對(duì)水體突發(fā)重金屬污染團(tuán)擴(kuò)散，需要結(jié)合不同階段情況采取專業(yè)的應(yīng)急處置措施，在污染團(tuán)進(jìn)入水體的初始階段且沒有全面擴(kuò)散的情況下，比較適合的處置方法是采用圍欄、多級(jí)水灰堰或者是無紡布等相關(guān)設(shè)施，進(jìn)而有效將污染團(tuán)限制在相對(duì)較小的空間中，而在流速相對(duì)較小的情況下，應(yīng)將污染水體抽離到比較安全的地帶進(jìn)行處理[8]。有效去除水體重金屬離子的方法主要有物理化學(xué)法、化學(xué)法以及生物法。此外，還需要深層次研究應(yīng)急處置方法，采取針對(duì)性的突發(fā)性重金屬水體污染應(yīng)急處置策略，滿足突發(fā)性重金屬水污染的重金屬離子去除需求，優(yōu)化突發(fā)性重金屬水污染應(yīng)急處置措施，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)環(huán)境以及提供優(yōu)質(zhì)水源的目標(biāo)。