《重金屬廢水的處理技術(shù)分析》5800字

重金屬廢水的處理技術(shù)分析目錄TOC\o"1-2"\h\u22646摘要 111634關(guān)鍵詞 114911前言 147112重金屬廢水特點(diǎn)及危害 262622.1重金屬廢水的特點(diǎn) 2317642.2重金屬廢水的危害 5174833重金屬廢水處理技術(shù) 6217943.1物理技術(shù) 6240853.2生物技術(shù) 8268834總結(jié)與展望 93669參考文獻(xiàn) 9摘要：我國(guó)目前的水體污染物中，對(duì)水體環(huán)境污染程度和影響最大的是重金屬廢水。水體中的各種重金屬離子會(huì)嚴(yán)重破壞水體生態(tài)平衡，并通過自然界的物質(zhì)循環(huán)等途徑遍及生物圈各處。過量的重金屬離子不僅嚴(yán)重危害了水生物的健康，而且會(huì)在動(dòng)物甚至人的體內(nèi)富集，嚴(yán)重威脅人體健康，會(huì)造成人體內(nèi)臟、大腦等重要器官衰竭或損傷。現(xiàn)存水體中常見的重金屬離子主要有Cu2+、Hg2+、Pb2+等，由于重金屬離子本身的難降解性、富集性以及持續(xù)性等特性，使得重金屬廢水處理與其他傳統(tǒng)污染物處理方法有所不同。本文研究了目前去除水體中重金屬的兩種主要技術(shù)：物理、化學(xué)和生物技術(shù)，總結(jié)了兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。提出今后重金屬廢水的處理方法，應(yīng)該發(fā)展以生物技術(shù)為主、多技術(shù)協(xié)同的環(huán)保、高效的系統(tǒng)方法。關(guān)鍵詞:廢水；重金屬；物理法；生物法1前言重金屬污染水體具有長(zhǎng)期積累性、毒性大、難降解等特征，對(duì)環(huán)境資源的保護(hù)和利用、人類及其他生物的生存構(gòu)成了極大威脅。例如，汞（Hg）侵入人體內(nèi)主要會(huì)對(duì)器官和神經(jīng)系統(tǒng)造成一系列損傷。一是損害呼吸系統(tǒng)，使人體呼吸困難，最后導(dǎo)致呼吸衰竭甚至死亡。二是損害腎臟，導(dǎo)致急性腎功能衰竭和急性間質(zhì)性腎炎。[1]三是損害中樞和周圍神經(jīng)系統(tǒng)，引起神經(jīng)功能下降。鉛（Pb）在人體內(nèi)含量過多，會(huì)引發(fā)鉛中毒，還會(huì)導(dǎo)致貧血癥、神經(jīng)功能失調(diào)及腎臟損傷，且在人體內(nèi)不易排出。鉻（Cr）對(duì)環(huán)境的也具有一定破壞性，當(dāng)土壤環(huán)境中的鉻超量時(shí)，將嚴(yán)重影響植物生長(zhǎng)，主要表現(xiàn)有植株變矮，莖葉數(shù)量降低，最后導(dǎo)致數(shù)量下降。砷（As）在自然界廣泛分布，礦石、食品、水、土壤等均有一定含量的砷，砷不能以單質(zhì)形式存在，在自然界中往往以化合物（As3+、As4+、As5+）的形式存在，其污染源主要有冶煉和含砷礦石的開采，砷溶于水后會(huì)在水生生物體內(nèi)富集，使生物體中毒；土壤環(huán)境的砷污染會(huì)造成土壤肥力喪失、土壤性質(zhì)改變，嚴(yán)重危害作物生長(zhǎng)、成熟和土壤動(dòng)物的生存[2]。重金屬資源本身作為一種寶貴的自然生態(tài)資源，又具有很大的利用空間。因此，如何安全有效的回收利用廢水中的重金屬、處理重金屬污染水體成為社會(huì)各界普遍關(guān)注的焦點(diǎn)問題。去除廢水中重金屬的方法中，物理法去除的僅僅是處于穩(wěn)定形態(tài)的重金屬，故去除效率不高，往往作為廢水處理的前處理工藝；化學(xué)法中的吸附法、沉淀法等是在重金屬廢水中加入化學(xué)藥劑，使之被吸附或者形成沉淀物而從水體中除去，該種方法具有金屬去除率高，但是往往由于在水中添加了化學(xué)試劑而與水環(huán)境中其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，造成二次污染，故用化學(xué)法處理時(shí)要考慮生成物的后續(xù)處理；生物法則是利用自然界廣泛存在的微生物體對(duì)重金屬的吸收、富集作用等，待其將重金屬儲(chǔ)存、累積后再用一定的方法除去體內(nèi)重金屬。與物理和化學(xué)法相比，由于微生物的種類繁多、廣泛分布，以及其能處理的重金屬種類更多，所以，生物法在處理重金屬廢水的過程中更高效，對(duì)環(huán)境的危害可降至最低，故目前生物處理重金屬的技術(shù)工藝得到顯著關(guān)注，并在未來污水處理中有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展前景。2重金屬廢水特點(diǎn)及危害2.1重金屬廢水的特點(diǎn)廢水中主要重金屬有Cu、Zn、Hg、Ni、Cd、Pb和Cr等，由于重金屬本身性質(zhì)的特點(diǎn)，使得重金屬對(duì)廢水的污染與傳統(tǒng)污染物有所不同。2.1.1難降解性環(huán)境中存在的重金屬由于其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、形態(tài)多樣，普通處理方法及工藝手段都無法有效地降解，目前已有的重金屬處理處置技術(shù)也多是僅以多種方式改變廢水重金屬化合態(tài)或化合物類型，減少毒性或使之從水體中分離出其他物質(zhì)。這些技術(shù)在一定程度上限制了重金屬離子對(duì)人類健康的影響，而且還會(huì)造成二次污染。水中重金屬和其所形成污染產(chǎn)物的存在形式、成分非常復(fù)雜。其中有些金屬離子在一定濃度范圍內(nèi)能對(duì)生物體產(chǎn)生毒害作用，甚至是致癌或致畸毒。重金屬多為過渡態(tài)元素，它們的化學(xué)價(jià)態(tài)千差萬別，并隨周圍環(huán)境和水中PH的變化而變化、水體溫度的變化等等，將導(dǎo)致配位體具有不同的態(tài)態(tài)態(tài)，加之各水體氧化還原條件各異，將生成多種化合狀態(tài)與結(jié)合狀態(tài)，因而呈現(xiàn)不同遷移規(guī)律，生物毒性大；同時(shí)重金屬又可參與多種代謝過程，影響生物體內(nèi)酶的活性。此外，重金屬在微生物的作用下也會(huì)發(fā)生分解并釋放進(jìn)入水體中。這些因素都使得重金屬離子具有很強(qiáng)的遷移性，并最終導(dǎo)致對(duì)生物體有害或使水質(zhì)惡化。另外，重金屬會(huì)隨著水的流動(dòng)進(jìn)入污水處理廠，對(duì)污水處理廠會(huì)產(chǎn)生不同程度的二次污染。[3]2.1.2生物富集性重金屬污染可以通過食物攝入、皮膚接觸等方式被生物體吸收、富集，再通過自然生態(tài)系統(tǒng)中生物之間形成的食物鏈而得以放大。隨著食物鏈物種的逐漸演變，使得重金屬在更高級(jí)物種甚至人體內(nèi)成千上萬倍地富集，最終會(huì)使人體健康受到嚴(yán)重的威脅[4]。更由于這種富集作用，處于食物鏈頂端的人類通過食物獲得的重金屬濃度比環(huán)境中的高得多，隨著時(shí)間的推移，這些重金屬在人體器官組織或血液中持續(xù)積累，從而造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。表1常見水生植物對(duì)部分重金屬的富集系數(shù)物種Species處理Treatment富集系數(shù)EnrichmentcoefficientCdPb豆瓣菜CK——Cd8.601±0.793—Pb—0.013±0.001Cd+Pb10.415±0.1750.030±0.004水蘿卜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續(xù)表1蕹菜CK——Cd5.149±0.035—Pb—1.282±0.175Cd+Pb2.365±0.2010.024±0.0042.1.3污染持續(xù)性廢水中的重金屬離子不僅可以與等價(jià)的陰離子、酸根等形成沉淀物，如與碳酸根生成碳酸鹽、與磷酸根生成磷酸鹽以及與硫離子生成硫化物等難溶性化合物。而且可與廢水中的Cl-、SO42-、NH4+、OH-、有機(jī)酸等，形成各種無機(jī)絡(luò)合物或者金屬螯合物，使水中難溶重金屬再次被釋放出來，水體中的重金屬溶解性變大，經(jīng)過長(zhǎng)期積累后形成較為穩(wěn)定的的次生污染源。2.2重金屬廢水的危害2.2.1對(duì)人體的危害水是生命之源。當(dāng)重金屬廢水污染飲用水、純凈水和其他人類生存所必需的水源時(shí)，它會(huì)通過各種方式直接或間接地危害人類健康。主要有兩種形式，一種是飲用水源受到污染，當(dāng)廢水中的重金屬含量超過限值時(shí)，會(huì)引起細(xì)胞的毒性反應(yīng)，導(dǎo)致人體細(xì)胞產(chǎn)生毒性物質(zhì)而中毒[5]。當(dāng)體內(nèi)重金屬含量超過正常值時(shí)，就會(huì)損害人體的神經(jīng)系統(tǒng)。另一種是重金屬廢水污染灌溉水源，進(jìn)而對(duì)農(nóng)田、耕地等造成污染，而且重金屬物質(zhì)也可以被其他種類的作物所吸收、富集，最終進(jìn)入人體中并影響人體健康，對(duì)人體的免疫功能造成破壞并最終患上各種疾病[7]。Zn2+和Ca2+等是人體不可或缺的微量元素，適量的Ca2+會(huì)參與骨骼的構(gòu)建、肌肉的收縮，還能促進(jìn)凝血等，但當(dāng)人體內(nèi)Ca2+的含量過高會(huì)導(dǎo)致腎功能損害、患結(jié)石、影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)等。因此，人體內(nèi)的重金屬應(yīng)保持在適量范圍，否則就會(huì)對(duì)人體器官、細(xì)胞組織等造成不可逆?zhèn)?。如上世紀(jì)50年代日本發(fā)生的"水俁病"事件，其根源就是由于當(dāng)時(shí)的水體發(fā)生嚴(yán)重的汞污染，水體中的汞通過食物鏈的傳遞與富集作用最終進(jìn)入了人體內(nèi)，極大損傷了人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)。同時(shí)期發(fā)生的“痛痛病”也是由過量的鎘引起的，含鎘廢水進(jìn)入河流并使稻米和魚蝦內(nèi)富集了大量的鎘，進(jìn)入人體后導(dǎo)致人體關(guān)節(jié)疼痛、骨質(zhì)疏松以及骨質(zhì)萎縮等疾病。2.2.2對(duì)水生植物的危害含有重金屬的廢水排放到天然水體后與其混合，當(dāng)混合水體流經(jīng)有植物生長(zhǎng)的土壤時(shí)，部分重金屬物質(zhì)會(huì)被截留下來，不僅干擾植物的光合作用，還嚴(yán)重影響植物體內(nèi)各種酶的合成。因此會(huì)間接妨礙植物的正常代謝及生命活動(dòng)。例如，當(dāng)月牙藻和羊角等植物在遭到重金屬廢水污染時(shí)，均會(huì)降低自身的光合作用程度，降低植物的綜合防御能力，也會(huì)導(dǎo)致自身環(huán)境條件質(zhì)量下降[6]。采用混酸消解體系，使用氫化物發(fā)生-原子熒光光度法分別對(duì)美人蕉、千屈菜、水生黃鳶尾和菖蒲四種水生植物根、葉中重金屬含量進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明，菖蒲對(duì)Pb、Cd、As的富集能力最強(qiáng)，美人蕉最弱。其中水生黃鳶尾對(duì)Pb的富集能力比千屈菜強(qiáng)，但對(duì)As的富集能力則相反。2.2.3對(duì)水生動(dòng)物的危害水中重金屬含量過高會(huì)對(duì)生物體的健康帶來嚴(yán)重影響，主要表現(xiàn)為生長(zhǎng)發(fā)育遲緩、代謝能力及酶的活性下降。比如，廢水中的汞、鉛、銅等重金屬超標(biāo)，就會(huì)導(dǎo)致魚類中毒，水中生物的生長(zhǎng)異常，甚至?xí)?dǎo)致生物的基因發(fā)生變異，對(duì)水體生物造成嚴(yán)重危害。重金屬在淡水魚中的毒性和富集情況，發(fā)現(xiàn)Cd在淡水魚中的富集情況如下:血液>肝臟>腎臟>腮絲>肌肉。此外，一些水生生物通過鰓的呼吸使重金屬進(jìn)入體內(nèi)或者通過體表與水之間的相互接觸而滲透交換將其富集。鎘對(duì)背角無齒蚌鰓組織能量代謝的毒性效應(yīng)，結(jié)果表明鎘會(huì)導(dǎo)致背角無齒蚌鰓組織中線粒體受損，蛋白質(zhì)代謝受阻，影響了背角無齒蚌鰓、消化腺和閉殼肌組織的相關(guān)能量代謝酶活性，造成機(jī)體的無氧代謝、有氧代謝以及蛋白質(zhì)代謝系統(tǒng)速率異常，導(dǎo)致組織能量代謝紊亂，影響了機(jī)體正常生命活動(dòng)，隨著鎘濃度不斷增加和暴露時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，背角無齒蚌肌肉組織的鎘蓄積量逐漸升高，閉殼肌的肌肉組織結(jié)構(gòu)損傷越來越嚴(yán)重。[7]3重金屬廢水處理技術(shù)基于重金屬廢水的嚴(yán)重危害，重金屬廢水技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展也日益廣泛。目前，國(guó)內(nèi)外常用的重金屬廢水處理技術(shù)主要有三類，即物理、化學(xué)和生物處理技術(shù)。3.1物理技術(shù)當(dāng)前去除廢水中重金屬的物理方法中，常見的有電離法、氣浮法、離子交換吸附、電解法等。物理法處理廢水主要是通過物理作用如沉淀、過濾等手段分離和去除廢水中不溶性懸浮或漂浮態(tài)污染物。這種方法大多設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，分離效果好且對(duì)環(huán)境危害相對(duì)較小。3.1.1膜分離膜分離技術(shù)是將已經(jīng)過預(yù)處理的水轉(zhuǎn)變成具有一定粒度的不溶性顆粒，然后利用特殊的半滲透膜將水中的某些溶質(zhì)和溶劑保留下來，從而將重金屬離子分離出去。膜分離技術(shù)具有適應(yīng)性好、能耗低、運(yùn)行效率高、二次污染極少、無需加入化學(xué)藥劑等優(yōu)點(diǎn)，但其使用成本較高，不宜用于處理水量大的工程。根據(jù)孔徑大小可將濾膜分成反滲透膜、微濾膜、超濾膜、納濾膜四種類型[8]。其中，微濾膜的孔徑范圍是0.30-10μm，而由于重金屬顆粒的相對(duì)粒徑范圍較小，常規(guī)的微濾膜對(duì)重金屬離子的去除效果并不理想，通常需要與一定的前處理工藝結(jié)合才能到達(dá)較高的重金屬去除率。使用中和/微濾法處理技術(shù)，以聚四氟乙烯為膜物質(zhì)，處理濃度為132.99mg/L的含F(xiàn)e2+、Zn2+廢水，在一定條件下兩種離子去除率分別為99.96%、99.83%。超濾膜的孔徑一般在0.01μm以下，比微濾膜具有更高的分離率，常與其他方法聯(lián)合使用，去除金屬離子。以聚丙烯酸(PAA)為絡(luò)合劑，采用絡(luò)合/超濾耦合技術(shù)處理重金屬廢水，該技術(shù)對(duì)Cu2+、Zn2+的截留率可達(dá)95%以上。納濾膜的孔徑范圍為0.001-0.01μm，截留精度很高，但是由于納濾膜的微孔尺寸較小，在長(zhǎng)期使用中會(huì)對(duì)膜的分離效果產(chǎn)生一定的影響。反滲透膜對(duì)重金屬的分離率最高，分離范圍為0.0001μm，加壓溶液，在反滲透膜的作用下，使溶質(zhì)與溶劑分離。。圖1膜分離技術(shù)3.1.2吸附所謂吸附法，就是使用某種吸附劑，在液體成分或氣體成分中，有選擇的分離了一個(gè)或多個(gè)不同成分，將被吸附組分濃縮于吸附劑的表面，將它們從溶液中分離出來。吸附法作為一項(xiàng)新型水處理技術(shù)，近年來發(fā)展很快，已成為當(dāng)今水污染控制領(lǐng)域研究和開發(fā)的熱點(diǎn)之一。在污水處理中，因活性炭特殊的孔隙結(jié)構(gòu)，有較大的比表面積、吸附容量大，物料來源廣、再生性能良好等，被廣泛應(yīng)用。3.2生物技術(shù)許多重金屬對(duì)微生物的正常生長(zhǎng)十分重要，但在微生物細(xì)胞中濃度過高時(shí)，會(huì)對(duì)微生物體產(chǎn)生毒性。微生物可以通過細(xì)胞表面的富集或改變細(xì)胞膜的組成來減少毒性損傷。圖2重金屬與微生物的作用機(jī)制3.2.1生物轉(zhuǎn)化生物轉(zhuǎn)化指微生物細(xì)胞主動(dòng)代謝，涉及到能量的生產(chǎn)與消費(fèi)。在這種條件下，微生物將底物分解為簡(jiǎn)單的小分子化合物。廢水中的某些重金屬首先被微生物細(xì)胞吸附，再經(jīng)過它身體里生化過程：氧化，還原、甲基化與去甲基化，減少其毒性的過程是微生物解毒重金屬。生物除汞技術(shù)是將細(xì)菌等有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化成無害物質(zhì)而不影響水體環(huán)境或去除其它有毒有害元素，是一種環(huán)境友好型的廢水處理新方法。與活性污泥分離的對(duì)汞、鉻、銅耐受微生物，這些細(xì)菌多為微球菌屬，假單胞菌屬，用以上菌類制備活性污泥進(jìn)行含鉻處理、銅質(zhì)廢水治理效果較好。硫酸鹽還原菌處理Zn2+最佳操作工藝研究表明，進(jìn)水COD濃度320mg/L、Zn2+濃度100mg/L，這一過程可以高效地操作，Zn2+去除率高達(dá)99.6%。3.2.2生物絮凝生物絮凝法是利用微生物與重金屬離子反應(yīng)生成沉淀物，對(duì)含有重金屬離子的工業(yè)廢水進(jìn)行處理的方法。在這個(gè)過程中，微生物就像高分子聚合物一樣，充當(dāng)著使重金屬聚集和沉淀的絮凝劑的作用。目前，對(duì)金屬有累積作用的生物種類約有12種，生物絮凝劑中的氨基和羥基可以與重金屬離子Cu2+、Hg2+、Ag+和Au2+等形成穩(wěn)定的螯合物并穩(wěn)定下來。在活性污泥中發(fā)現(xiàn)一種對(duì)廢水中的Na+、Ca2+、Fe3+等金屬離子具有較高絮凝活性的MY-88絮凝性菌株，在pH值為6.5，溫度為25℃時(shí)，該菌株對(duì)Ca2+絮凝作用最強(qiáng)，絮凝率可達(dá)99.6%。4總結(jié)與展望隨著各行業(yè)的發(fā)展，各種重金屬廢水處理技術(shù)受到的關(guān)注也越來越高。重金屬廢水的成分非常復(fù)雜，各種污水處理技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)和不同的使用條件，必須通過重金屬廢水處理技術(shù)的不斷改進(jìn)來完善處理效果。人類面臨著環(huán)境污染的挑戰(zhàn)，而應(yīng)用某些技術(shù)來回收含有重金屬的廢水，不僅有可觀的經(jīng)濟(jì)效益，而且對(duì)環(huán)境和社會(huì)也有積極的影響。與物理和化學(xué)方法相比，用生物法處理含重金屬離子的污水，可使重金屬濃度大大