矿区水体中锰污染及其控制技术研究现状

谭荣浩 杨秀贞

(湖南科技大学建筑与土木工程学院，湖南 湘潭 411201)

0 引言

各种重金属的开发和应用对经济的发展至关重要，但在开发和利用的同时对于周边环境产生了严重的污染。重金属与人们的日常生活紧密相连，衣、食、住、行皆有重金属的参与，但由于不恰当的使用对人体和环境带来的危害非常严重且难以处理。中国锰矿资源丰富，年产量为全球第二，锰被广泛运用于各种行业，如：农业、电子行业、电池行业、医学业等，广泛的应用和开采的过程中产生了严重的重金属污染。湖南湘潭的锰矿地区是一个典型的例子，湘潭锰矿区已有多年开采锰矿资源的历史，有“中国锰都”的说法。但该地区在大量开采锰矿的过程中水资源、土壤和动植物皆污染严重，并且通过不同途径污染周边地区。通过取样测量研究发现，该矿区锰污染含量呈现出放射状，该区水体沉积物锰含量最高达4.80×104mg/kg，锰通过各种途径迁移至矿区周围，污染面积可达锰矿开采区的50倍以上。为了缓解重金属污染，保护环境和人体健康，合理控制锰污染散播，治理已被破坏的矿区环境及矿区周边环境极为重要。

1 锰的相关标准及其危害

锰性质活跃，易被氧化成氧化物，在自然界中主要以软锰矿和硬锰矿等形式存在。近来锰矿区锰污染所带来的人体健康问题和环境问题引起了人们的关注。诸多国家为此对锰废液的排放制定了严格的标准，如：日本的总锰排放限制为10.0mg/L,泰国的总锰排放限值为5.0mg/L，美国的可溶性锰的排放限制910.0ug/L[1,2]。我国地表水和生活饮用水标准和世界卫生标准一致，将锰含量定为0.1mg/L。在锰矿污染区，水体中、土壤中、动植物体内的锰元素通过食物链富集至人体内，过量的锰在人体内会使人体肝脏等器官发生生化改变而坏死，对神经系统也有破坏，降低人的记忆力。如何控制锰污染来源，解决锰矿区的污染现状，扼制锰污染的扩散是当前锰污染治理的难题。

2 矿区水体锰污染

锰矿区锰污染主要是由于采矿冶炼过程中排放的废水引起的，通过土壤渗透、水体流动等污染周边地区。锰矿区一旦出现重金属污染状况，由于锰离子在水土界面迁移，水体中的重金属又通过流动污染周边的水土，波及范围十分广泛且难以完全去除。2006年至2013年仅锰矿开采的尾矿库引发的污染就高达43起，其中一部分污染还引发了饮用水安全问题，低浓度的二价锰对人体产生的伤害较小，但对饮用水的性状产生影响，饮用高浓度锰污染水会对人体多个系统产生很大危害。2011年7月，由于暴雨引发四川某个电解厂挡坝部分损毁，大量电解锰尾矿渣进入培江流域水体，培江平武段和绵阳段水体中锰含量最高达46.1mg/L，造成严重的环境污染，近百万人饮用水出现危机，引发了严重的社会恐慌。

3 去除重金属的主要方法

3.1 吸附法

吸附法去除重金属在现阶段是通过其表面的吸附基团和溶液中游离的重金属离子发生反应去除，但其存在于内部的吸附位点不能在吸附过程中发挥去除重金属的作用，降低了吸附容量和吸附速率。当吸附剂以溶液状态去除重金属时，吸附剂的吸附位点可以完全得到释放，在吸附过程中，吸附容量和速率是远远大于固体吸附剂。

3.2 氧化法

氧化法去除重金属在于氧化剂和催化剂。氧化剂的发展较为完整，其主要的发展空间在于催化剂，有研究者以一种光催化剂在电解法中的应用表明，光催化剂是一种新型的效果极佳催化剂。光催化在催化方面有着巨大的前途，光催化在氧化法去除重金属的氧化剂方面有着宽广的研究和发展空间。

3.3 生物法

生物法去除重金属当前发展较为缓慢，研究表明其在应用于实际工程效果较好，发展空间在于微生物在去除重金属的过程中去除机理研究深度较低，在复杂的生物系统中研究其去除机理方面的信息很少，研究力度应当加大到DNA分子层次去。

3.4 电解法

电解法根据研究可以发现存在的问题在于电解效率较低，电解装置易损伤。研究解决这方面的问题成了电解法发展的难题，电极材料的改善和电解效率的提高这两个问题如果能够解决电解法将得到质的发展。

3.5 组合工艺法

此法是上述方法的综合利用，研究不同方法和材料的特点，合理的组成工艺装置，是研究发展的主要方向。组合工艺是当前提高重金属去除的重要途径，解决了单一方法去除重金属的缺点和盲点。

4 水体锰污染控制技术现状

综上所述，去除重金属的方法主要有吸附、微生物、氧化还原、电解等，经过多年研究，人们对其有了较深的了解和认识。单一的方法在提高水质方面存在一些不足之处，研究者们通过研发组合工艺，分阶段性、针对性的去除重金属污染提升水质。

电解法是指通过电极反应来改善水质，其有着诸多优势，但仪器的保护，反应完的遗留物，回收效果等方面还有待发展研究。电解法可以一次性针对多种去除物，但其沉积于两极会钝化降低电解效率，氢离子含量较高时，氢离子会先与阳极产生的氢氧根离子反应，迟缓电解去除重金属的反应。高昭伟[3]等研究了铁炭微电解锰，在电解过程中电解液中产生的微小原电池加速和加强了电解效果。出水碱化后，有效去除了锰。

生物法去除重金属是利用微生物自身分泌的酶或者新陈代谢过程中产生的物质又或者自身表面含有的某种物质，可以去除污水中的污染物。其针对性极强，但微生物生存繁衍条件复杂，菌种难以寻找培育，去除污染物时易受污环境制约其生存。微生物去除重金属易受影响。如：pH、温度、抗击性能、不同菌种等对其应用于实际工程有直接影响。

判断一个吸附剂的优劣，可以通过如下几点显示：

(1)表面孔隙结构复杂时，吸附剂的比表面积得以加大。研究发现吸附剂的吸附容量大。

(2)针对性强，当处理复杂的溶液时，通过改性，选择性的吸附重金属。

(3)可再生性，吸附剂再生能力是评价吸附剂经济效益的重要方面，当再生性强时，带来的经济效益高，其应用于实际工程的可能性就高。

(4)“抗击性”，当溶液pH、温度等条件苛刻复杂时，吸附剂性能能得到保持不被破坏。徐宇炀[4]采取碱活化法制柚子皮活性炭。

通过分析其吸附等温线发现，温度对其影响最大，温度升高，分子运动加强，会促使吸附剂和金属离子的碰撞，通过分析其热力学模型发现吸附为放热吸附，因此存在一个温度适点，当温度为35℃时，效果最好。Esfandiar等[5]利用甘蔗渣(SCB)制成甘蔗渣活性炭(AC)去除锰(Ⅱ)，实验基于Box-Behnken设计的响应表面法(RSM)研究了SCB、AC与通过盐酸进行化学处理的SCB进行对比实验，结果表明通过化学处理的SCB吸附效果得到了显著提升。徐锐等[6]制备出PSA-GO双网络水凝胶吸附剂。研究发现氢离子对其吸附效果有加速效果，pH=2时，吸附容量可达165.5mg/g。

组合工艺可以降低单一步骤对仪器带来的超负荷，对仪器带来有效保护。熊斌等研发出了一体化除铁除锰滤罐。将氧化和超滤工艺相结合，氧化过后的出水不能完全满足标准，在超滤工艺中可以得到改善，而氧化去除了部分污染又对超滤仪器产生了保护作用。熊斌[7]等研发出了一体化除铁除锰滤罐。将氧化和超滤工艺相结合，氧化过后的出水不能完全满足标准，在超滤工艺中可以得到改善，而氧化去除了部分污染又对超滤仪器产生了保护作用。

5 结语

社会的发展会促使人们提高对综合水质的要求，综合水质受多种因素影响，单一的处理方式可能只对水质的某一方面问题有所解决。研究显示合理结合不同方法、分阶段、针对性的去除污染物，可以有效提高综合水质，对仪器也有很好的保护作用[8]。因此加强多种工艺的组合能有效解决污染问题和二次污染问题，节省成本，提高效益。