水体重金属污染治理技术研究进展

张 坤,罗 书

(泸州市环境保护监测站,四川 泸州 646000)

水体重金属污染治理技术研究进展

张 坤,罗 书

(泸州市环境保护监测站,四川 泸州 646000)

随着工业的发展和人口的不断增加,重金属废水排放量增加。有毒重金属对环境的严重威胁正逐渐成为全球性问题,不仅对环境造成危害,还威胁着人类的健康。介绍了水体重金属污染现状及危害,综述了目前国内外治理水体重金属污染主要技术的研究进展,指出了微生物治理重金属污染水体的良好应用前景。

重金属;水体污染;微生物治理

国际上自上世纪60年代开展水体重金属污染的研究,而我国对水体重金属污染的研究始于上世纪80年代。环境中常见的重金属污染物质有:汞、镉、铅、铬以及类金属砷等毒性显著的元素,也包括锌、铜、钴、镍、锡等毒性一般的元素,以及放射性重金属铀、镭、钍等。工矿业废水、生活污水等未经适当处理即向外排放,污染土壤和废弃物堆置场受流水作用,以及富含重金属的大气沉降物输入,都会使水体重金属含量急剧升高,导致水体受到重金属污染,进而严重威胁人类和水生生物的生存[1～2]。据联合国世界卫生组织统计,由于全球工业污染,世界上约80%的人口饮用水无法达到卫生标准。在已知的人类疾病中70%～80%与水污染有关[3]。

1 水体重金属污染现状及危害

我国水体重金属污染问题已十分突出。江河湖库底质污染严重,重金属污染率高达81%[4]。根据对我国七大水系中水质最好的长江的调查,其近岸水域已受到不同程度的重金属污染,Zn、Pb、Cd、Cu、Cr等元素污染严重,而亲硫元素如Cd、Pb、Hg、Cu的潜在活性大,易参与环境中各类物质的反应[5]。21个沿江主要城市中,攀枝花、宜昌、南京、武汉、上海、重庆6个城市的重金属累积污染率已达到65%[6]。

国外水体重金属污染现状也不容乐观。早在20世纪50年代,日本就曾出现由于汞污染引起的“水俣病”和镉污染引起的“骨痛病”事件;波兰由采矿和冶炼废物导致约50%的地表水达不到水质三级标准[7]。可见,水体重金属污染已成为全球性的环境污染问题。

重金属污染物进入水生生态系统后对水生植物和动物均产生影响,并通过食物链发生富集,引起人体病变,危害人类健康。

2 水体重金属污染治理修复方法

水体重金属污染的日趋严重已引起全社会的关注,除严格控制各种污水的排放外,另一项重要工作就是采取有效措施治理、净化被污染的水体,并实现废水的再生回用。

2.1 物理方法

2.1.1 蒸发法

蒸发法的原理是通过使水蒸发而浓缩电镀废水,工艺成熟简单,可实现水的回用和有用重金属的回收,但耗能大,杂质含量高,会严重干扰重金属资源回收。

2.1.2 换水法

换水法是将被重金属污染的水体移去,换上新鲜水,水量一般要求较小,应用局限性明显。

2.1.3 稀释法

稀释法就是把被重金属污染的水混入未污染的水体中,从而降低重金属污染物浓度。此法适于轻度污染水体的治理。当重金属污染物在这些水体中的浓度达到一定程度时,生活在其中的生物就会受到重金属的影响,发生病变和死亡等现象。所以这种处理方法目前渐渐被否定。

2.2 化学方法

2.2.1 化学沉淀法

化学沉淀法的原理是通过化学反应使废水中呈溶解状态的重金属转变为不溶于水的重金属化合物,通过过滤和分离使沉淀物从水溶液中去除,包括中和沉淀法、中和凝聚沉淀法、硫化物沉淀法、钡盐沉淀法、铁氧体共沉淀法等[8～9]。产生的沉淀物必须很好地处理与处置,否则会造成二次污染。泸州市环境监测站对某厂中和沉淀法处理含铜、锌、镍废水监测结果见表:

表1中和沉淀法处理金属废水结果

2.2.2 电解法

电解法是利用金属离子在电解时能够从相对高浓度的溶液中分离出来的性质,主要用于电镀废水的处理。缺点是耗能大,废水处理量小,不适于处理较低浓度的含重金属离子的废水。

2.3 物理化学方法

2.3.1 吸附法

吸附法是一种常用来处理重金属废水的方法,一些天然物质或工农业废弃物具有吸附重金属的性能,可降低重金属废水的处理费用。但由于存在后处理问题,限制了它们的工业化应用。

2.3.2 离子还原法、离子交换法

离子还原法是利用化学还原剂将水体中的重金属还原,将其形成难以污染的化合物,从而降低重金属在水体中的迁移性和生物可利用性,减轻危害。离子交换法是利用重金属离子交换剂与污染水体中的重金属物质发生交换作用,从水体中把重金属交换出来,达到治理目的。这类方法处理费用较低,操作人员不直接接触重金属污染物,但适用范围有限,容易造成二次污染。

此外,应用于重金属污染水体治理的物理化学方法还包括溶剂萃取法、膜分离技术法等[10]。

2.4 集成技术

为实现废水回用和重金属回收,可采用集成技术处理重金属废水。张永锋[11]采用络合—超滤—电解集成技术处理重金属废水(图1)。研究结果表明,在试验的最佳条件下,重金属可达到100%的去除,超滤的浓缩液可通过电解回收重金属,从而实现废水回用和重金属回收的双重目的,为重金属废水的根治找到了新出路。

图1 络合—超滤—电解集成过程原理

2.5 生物方法

2.5.1 植物

重金属污染水体的植物修复是指通过植物系统及其根系移去、挥发或稳定水体环境中的重金属污染物,或降低污染物中的重金属毒性,以达到清除污染、修复或治理水体为目的的一种技术。按其机理可分为植物挥发、植物吸收和植物吸附。

目前已发现700多种重金属超量积累植物[12](hyperaccumulator)。这些超量积累植物具有较高的重金属临界浓度,在重金属污染环境中能够良好生长。但是,由于生长缓慢、生物量小,又极大地限制了其在环境治理中的应用价值。对于用作修复的植物,其生物量的增加、生长周期的缩短、积累的机理等方面还有待进一步研究。

2.5.2 动物

水体底栖动物中的贝类、甲壳类、环节动物以及一些经过优选的鱼类等对重金属具有一定富集作用。如三角帆蚌、河蚌对重金属(Pb2+、Cr2+、Cu2+)具有明显自然净化能力[13]。

此法的应用局限性在于需要驯化出特定的水生动物,处理周期较长,费用高,且后续处理费用较大,推广较困难。目前水生动物主要用作环境重金属污染的指示生物,用于污染治理的不多。

2.5.3 微生物

目前,重金属废水处理中应用较为广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产生的代谢物,进行絮凝沉淀的一种除污方法。至今发现的对重金属有絮凝作用的微生物有12种。田小光等[14]的实验结果表明,用硫酸盐还原菌培养液作为净化剂,使电镀废水中铬的含量由44.11 mg/L下降到5.365 mg/L。康建雄等[15]进行了生物絮凝剂Pullulan絮凝水中Pb的试验,结果表明,在PullMan与A1C1用量比为4:1.1,溶液p H值为6.5～7,Pb2+初始浓度为10,25,60和100 mg/L时,分别投加8,25,40,80 mg/L的Pullulan,对Pb2+的去除率可达最高,分别为73.86%、76.30%、77.07%和81.19%。6次重复性试验表明,PullMan的絮凝效果具有较高的稳定性。近年来,多菌株共同培养的生物絮凝剂,因其可促进微生物絮凝剂的产生且絮凝效果好,成为研究热点。用微生物絮凝法处理废水安全、方便、无毒,不产生二次污染,絮凝效果好,絮凝物易于分离,且微生物生长快,易于实现工业化。此外,微生物可以通过遗传工程、驯化或构造出具有特殊功能的菌株。因此微生物絮凝法具有广阔的发展前景。泸州市环境监测站对采用BM菌絮凝沉淀法处理的电镀废水监测结果见表2:

表2 BM菌絮凝沉淀法处理电镀废水监测结果

2.5.3.2 生物吸附法

近年来,国内外广泛利用微生物制成生物吸附剂来处理重金属污染的水体。生物吸附剂是利用一些微生物对重金属的吸附作用,并以这些微生物为主要原料,通过明胶、纤维素、金属氢氧化物沉淀等材料固定化颗粒制得。用固定化细胞作为生物吸附剂与直接用游离微生物处理相比,可以提高生物量的浓度,提高废水处理的深度和效率,大大减少吸附—解吸循环中的损耗,固液相分离容易,吸附剂机械强度和化学稳定性增强,使用周期明显延长,降低成本。若将多种对不同金属具有不同亲缘性的微生物固定化后,分别填装组成复合式的生物反应器,则可用于处理含多种污染成分的废水[16]。Tsezos和Mclready[17]等研究了固定化少根根霉(R.arrhizus)细胞分离废水中铀的过程。实验结果表明,固定化微生物可以回收稀溶液(铀浓度≤300 mg/L)中所有的铀,洗脱液中铀浓度超过5 000 mg/L,循环使用12次后,生物质仍保持其生物吸附铀的能力达50 mg/g,工业应用很有希望。在国内陈林等[18]从活性污泥中分离出多株高效净化重金属的功能菌,对Cr6+吸附率80%以上。徐容、汤岳琴、王建华[19]使用海藻酸钠固定的产黄青霉颗粒处理含铅废水也取得了较高的金属去除率。

生物吸附应用于重金属废水的净化在工艺上是可行的,在技术上更表现出极大的优越性和竞争力,无论是吸附性能、p H值适应范围还是运行费用等方面都优于其他方法。

3 展望

微生物在环境保护和环境治理中起着举足轻重的作用。微生物具有容易发生变异的特点,随着新污染物的产生和数量的增多,微生物的种类可随之相应增多,更加呈现出多样性。这使其有别于其他生物,在环境污染治理中,微生物的作用独树一帜。微生物修复法具有成本低、效益高、反应条件温和、无二次污染,在恢复水体功能的同时可以增强水体环境的自我净化能力等许多优点。另外,通过基因工程、分子生物学等技术应用,可使微生物具有更强的吸附、絮凝、整治修复能力。因此微生物治理法无论对于环境的改善还是有限资源的再利用都具有巨大的经济价值及广阔的发展前景。

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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

张坤(1976-),男,四川泸州人,1999年毕业于四川大学环境监测专业,注册环评工程师,长期从事环境监测与评价工作。