莊 園，孔德超，薛 楠

（1.山東魯金環(huán)境工程有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2.山東省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250109；3.江蘇中車華騰環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇 常熟 215500）

引言

在世界經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，各個(gè)國(guó)家都在大力發(fā)展工業(yè)經(jīng)濟(jì)，而在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)使用大量水資源。此外，由于人類的過(guò)度破壞，自然環(huán)境中的水資源處于逐年下降的趨勢(shì)，再加上干旱以及人口快速增長(zhǎng)等因素，最終使水資源短缺問(wèn)題更加突出。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，大量廢水會(huì)排放到自然環(huán)境中，這些廢水中包含無(wú)機(jī)污染物與有機(jī)污染物。無(wú)機(jī)污染物中存在的重金屬離子會(huì)隨著食物鏈進(jìn)入人體，如果人體中的重金屬含量超過(guò)某一數(shù)值，則會(huì)誘發(fā)程度不等的疾病。比如，當(dāng)人體中的鋅含量大于標(biāo)準(zhǔn)限值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)嘔吐、胃痙攣等癥狀，并且會(huì)誘發(fā)腎癌、肺癌等疾病。所以如果不能有效地處理工業(yè)廢水中的重金屬離子，就會(huì)加劇人體患病的幾率，不利于人體健康以及城市的發(fā)展。總之，為了更好地發(fā)展經(jīng)濟(jì)、保障人體健康，相關(guān)部門和企業(yè)需要采取措施妥善處理工業(yè)廢水中的重金屬離子，確?？梢杂行У厝コ渲杏卸?、有害的重金屬離子，從而促進(jìn)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的良性發(fā)展[1]。

1 重金屬離子概述

在工業(yè)體系中，化工行業(yè)、冶金行業(yè)以及電鍍行業(yè)的快速發(fā)展，使得工業(yè)廢水的排放量增加。由于工業(yè)廢水中含有重金屬離子，會(huì)對(duì)生態(tài)水環(huán)境造成嚴(yán)重污染。另外，部分工業(yè)企業(yè)為了提高經(jīng)濟(jì)收益，不重視廢水處理工作，導(dǎo)致大量未經(jīng)處理的工業(yè)廢水直接排放至自然環(huán)境中，不僅破壞了土壤，水資源與空氣質(zhì)量也每況愈下，從而導(dǎo)致生態(tài)發(fā)展受到了極大的影響。另外，與其他離子相比，重金屬離子不易在自然環(huán)境下降解，而且隨著時(shí)間的推移還會(huì)逐漸累積，并具有很強(qiáng)的滲透性，一旦進(jìn)入食物鏈，就會(huì)對(duì)人類以及其他動(dòng)物的健康造成威脅。隨著我國(guó)不斷加大對(duì)工業(yè)廢水中重金屬離子的處理力度，使水環(huán)境治理工作逐漸取得成效，但是工業(yè)廢水中重金屬離子的去除將成為一項(xiàng)長(zhǎng)期的任務(wù)，這無(wú)疑會(huì)增加水環(huán)境保護(hù)部門的工作強(qiáng)度[2]。

2 重金屬離子的危害

在工業(yè)生產(chǎn)中，重金屬離子會(huì)隨著工業(yè)廢水排放到自然環(huán)境中。如果將重金屬離子釋放到大氣環(huán)境中，則重金屬離子會(huì)在大氣環(huán)境中長(zhǎng)久存在。當(dāng)人體中的重金屬離子濃度達(dá)到一定量時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)重金屬中毒的情況，嚴(yán)重危害人體健康。在地殼環(huán)境中，鉛、銅、鋅等元素大量存在，并且隨著近年來(lái)人類活動(dòng)的增加，采礦作業(yè)以及冶煉工作等均會(huì)導(dǎo)致重金屬離子加速進(jìn)入到自然環(huán)境中，如果人體中積累了大量鉛元素，不僅會(huì)影響腎臟器官，而且也會(huì)誘發(fā)高血壓。此外，在城市化高速推進(jìn)的今天，鎘元素在環(huán)境中的含量也在不斷增加，當(dāng)人體吸入鎘元素后，將會(huì)影響正常的化合物代謝，同時(shí)也會(huì)損害腎臟與肝臟。當(dāng)農(nóng)作物中有鎘元素侵入時(shí)，不僅會(huì)影響農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)，由于鎘元素會(huì)隨著食物鏈進(jìn)入人體，還會(huì)威脅人體健康。因此，為了保護(hù)人類健康，相關(guān)部門和企業(yè)應(yīng)高度重視重金屬離子的處理工作[3]。

3 傳統(tǒng)工業(yè)廢水中重金屬離子處理技術(shù)

3.1 電化學(xué)處理技術(shù)

電化學(xué)處理技術(shù)是常見(jiàn)的工業(yè)廢水處理手段，但是該技術(shù)需要耗費(fèi)大量的電力資源，因而增加了工業(yè)廢水的處理成本。另外，在降解工業(yè)廢水時(shí)，電化學(xué)處理技術(shù)有著不可替代的地位，其可以加快工業(yè)廢水的降解速度。電化學(xué)處理技術(shù)主要有三種類型，即：電浮選技術(shù)、電沉積技術(shù)與電絮凝技術(shù)。

3.1.1 電絮凝技術(shù)

與其他電化學(xué)處理技術(shù)相比，電絮凝技術(shù)具有操作便捷、處理高效等優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)作為工業(yè)廢水處理的手段之一，所需要的電流強(qiáng)度比較小，并且在反應(yīng)池的幫助下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)廢水的有效電解，電絮凝反應(yīng)器示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 電絮凝反應(yīng)器示意圖

在電解池中，陽(yáng)極材料可使用多種性質(zhì)類似的金屬材料，例如鋁或鐵等。在一定強(qiáng)度的電流作用下，工業(yè)廢水中的重金屬離子會(huì)聚集在一起，并且會(huì)在廢水中懸浮，隨著通入電流時(shí)間的增加，最終所有的重金屬離子會(huì)發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象，粘合為一個(gè)重金屬顆粒，從而使工業(yè)廢水得到有效處理。電絮凝技術(shù)具有良好的穩(wěn)定性，可以形成較大體積的絮凝物質(zhì)，因而降低了重金屬離子的處理難度；缺點(diǎn)則是需要較高的處理成本[4]。在應(yīng)用電絮凝技術(shù)時(shí)，不需要額外添加化學(xué)試劑，因而不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，屬于一種環(huán)境友好型技術(shù)。在應(yīng)用電絮凝技術(shù)時(shí)，技術(shù)人員要注意其不能處理無(wú)限可溶的污染顆粒，但是對(duì)微小膠體粒子具有較高的處理效率。

3.1.2 電浮選技術(shù)

在處理工業(yè)廢水中的重金屬離子時(shí)，電浮選技術(shù)的作用十分重要。該技術(shù)通常應(yīng)用于礦山廢水處理領(lǐng)域，另外還可以有效地處理低濃度廢水，且具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，同時(shí)操作便捷，處理成本低，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，處理設(shè)備的占地面積較小。電浮選技術(shù)主要包括以下步驟：（1）由一個(gè)電源和兩個(gè)電極組組成反應(yīng)器，污染物則會(huì)在反應(yīng)器中被吸附。在電解水反應(yīng)的作用下，溶液會(huì)釋放大量氧分子與氫分子，使重金屬離子在此過(guò)程中形成絮凝體。（2）利用沉降方式從工業(yè)廢水中分離絮凝體。（3）利用過(guò)濾手段，完成污染物的收集工作。在反應(yīng)器的幫助下，可以有效地去除工業(yè)廢水中的重金屬離子，而反應(yīng)器的功耗則會(huì)直接影響重金屬離子的去除效率。因此，在設(shè)計(jì)反應(yīng)器時(shí)，需要合理選擇電極材料，并合理控制電流密度，嚴(yán)格控制操作條件，以確保工業(yè)廢水中的重金屬離子可以有效且安全地去除干凈[5]。

3.1.3 電沉積技術(shù)

該技術(shù)可以將工業(yè)廢水中的重金屬離子轉(zhuǎn)化為固體顆粒，并且可以在離子導(dǎo)體中沉積，從而成為離子導(dǎo)體的保護(hù)膜，保證了離子導(dǎo)體能夠長(zhǎng)時(shí)間且安全地使用。與其他技術(shù)相比，電沉積技術(shù)在使用過(guò)程中不會(huì)有污泥產(chǎn)生，并且可以控制工業(yè)廢水的處理成本，同時(shí)也不需要添加任何試劑，所以不存在二次污染問(wèn)題。電沉積技術(shù)所使用的反應(yīng)器由四部分組成，即：陽(yáng)極、陰極、電解液與電源，重金屬離子可以在反應(yīng)器中進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，并電鍍到陰極表面，從而完成對(duì)重金屬離子的處理。工業(yè)廢水中重金屬離子的處理效率與廢液的溫度、濃度以及酸堿度有關(guān)，可以通過(guò)嚴(yán)格控制上述影響因素加快重金屬離子的處理速度。

3.2 物理化學(xué)處理技術(shù)

3.2.1 化學(xué)沉淀法

為了處理工業(yè)廢水中的重金屬離子，可以采用化學(xué)沉積法降低工業(yè)廢水中重金屬離子的濃度，確保所處理的工業(yè)廢水可以達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)要求。通過(guò)化學(xué)沉積法可以使重金屬離子與沉淀劑發(fā)生反應(yīng)并形成固體顆粒，這種固體顆粒具有不溶于水的特性[6]。隨后，利用沉淀及過(guò)濾等手段，將重金屬離子與工業(yè)廢水分離。但是在應(yīng)用化學(xué)沉淀法前，需要對(duì)工業(yè)廢水的化學(xué)成分進(jìn)行分析，然后再利用有針對(duì)性的處理手段加快重金屬離子轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w顆粒的速度，具體反應(yīng)流程如圖2所示。

圖2 化學(xué)沉淀法重金屬去除過(guò)程示意圖

3.2.2 離子交換法

所謂離子交換法，是指在一定條件下，離子可逆交換在液相與固相之間發(fā)生，其交換速度與溶液的溫度、酸堿度以及接觸時(shí)間等參數(shù)有關(guān)。通常來(lái)說(shuō)，利用離子交換法可以將重金屬離子從無(wú)機(jī)廢水中吸附出來(lái)，并且在合適試劑的作用下，可以對(duì)重金屬離子進(jìn)行分離與回收，從而有利于提升重金屬離子的利用率。與其他處理技術(shù)相比，離子交換法具有使用成本低、處理效率較高等特點(diǎn)，并且不會(huì)產(chǎn)生污泥。圖3為離子交換水處理塔。

3.2.3 吸附法

吸附法是在化學(xué)吸附與物理吸附的共同作用下將重金屬離子從工業(yè)廢水中分離出來(lái)。在應(yīng)用吸附法時(shí)，吸附劑的作用具有以下作用：（1）在吸附劑的作用下，重金屬離子可以從溶液中滲透到吸附劑表面；（2）吸附劑可以有效地吸附重金屬離子。（3）重金屬離子可以滲透到吸附劑中。

吸附劑不僅可以從農(nóng)業(yè)廢料中提取，也可以從天然材料中提取，所以吸附劑的來(lái)源十分廣泛。

4 工業(yè)廢水中重金屬離子處理的新興技術(shù)

4.1 膜過(guò)濾技術(shù)

膜過(guò)濾技術(shù)包括超濾、微濾、納濾、反滲透與電滲析。超濾膜、微濾膜屬于多孔膜，可以在小于0.2 MPa的壓力下工作。納濾膜的孔徑為1 nm，其工作壓力最大可以為2 MPa。對(duì)于反滲透膜來(lái)說(shuō)，由于其為無(wú)孔結(jié)構(gòu)，所以需要與納米孔膜配合使用。電滲析膜屬于分離膜，由陽(yáng)離子或陰離子交換材料構(gòu)成，通常在不大于0.3 MPa的條件下使用[7]。

4.2 光催化技術(shù)

作為一項(xiàng)新型技術(shù)，光催化技術(shù)可以利用一定波長(zhǎng)的光，在無(wú)毒半導(dǎo)體的幫助下完成重金屬離子的處理工作。光催化技術(shù)不僅可以高效率地完成重金屬離子去除作業(yè)，而且使用成本低廉，因而具有廣闊的應(yīng)用潛力。光催化反應(yīng)是光催化技術(shù)的核心，光催化半導(dǎo)體包括硫化物型與氧化物型，光催化半導(dǎo)體具有良好的抗腐蝕性，并且不會(huì)破壞環(huán)境[8]。

4.3 納米技術(shù)

隨著材料技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用納米材料同樣可以有效去除工業(yè)廢水中的重金屬離子。在處理工業(yè)廢水過(guò)程中，可借助納米材料出眾的化學(xué)反應(yīng)特性以及極高的比表面積，加快重金屬離子的去除效率。

近年來(lái)，納米磁性氧化物的出現(xiàn)，進(jìn)一步提升了納米材料的吸附特性。與其他納米材料相比，納米磁性氧化物的穩(wěn)定性更好，比表面積更大，所以成為了工業(yè)廢水處理領(lǐng)域主要使用的納米材料。此外，在納米顆粒材料中，納米零價(jià)鐵同樣可以加快工業(yè)廢水中重金屬離子的去除效率，并對(duì)重金屬離子進(jìn)行轉(zhuǎn)化，降低其危害程度。最后，隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，磁性納米顆粒憑借其低廉的價(jià)格，成為工業(yè)廢水處理工作中主要使用的納米材料，并且磁性納米顆粒去除重金屬離子的效率同樣十分顯著。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，重金屬離子在工業(yè)廢水中大量存在，如果僅依靠自然條件進(jìn)行處理是非常困難的，并且隨著重金屬離子在自然水環(huán)境中濃度的逐漸提升，將會(huì)對(duì)人體健康以及水環(huán)境穩(wěn)定發(fā)展帶來(lái)負(fù)面影響。因此，為了改善水環(huán)境質(zhì)量，消除重金屬離子帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，相關(guān)研究人員要重視工業(yè)廢水中重金屬離子處理方法的研究，不斷提升重金屬離子處理效果，從而確保水環(huán)境質(zhì)量可以持續(xù)變好。