探究重金属废水处理技术和资源利用

傅晓钘，吴雪绮

（1.北京华杨环保科技有限公司，北京 100000；2.杭州知时雨环保科技有限公司，浙江 杭州 310000）

目前，我国面临着重金属废水污染的问题，这种污染主要与化工生产、金属加工、矿产开采等行业发展有关。受部分原材料特殊性的影响，这些行业在生产过程中会排放大量污水、污物，尤其是这些污水中含有过量的重金属元素，如砷、汞、铅等，随意排放会加剧我国环境污染问题，还有制革企业排放的含铬废水，也会通过食物链进入人体内[1]，影响人体健康。因此，相关人员有必要对重金属废水处理技术进行研究，这是实现我国资源可持续利用的重要手段。

1 重金属废水的来源和危害

1.1 重金属废水的来源

重金属废水的来源主要与化工生产、矿山开采等行业有关。另外，不同企业产生的废水中重金属元素含量及状态也存在一定差异，导致水污染原因可能存在一些差别。

1.2 重金属废水的危害

重金属废水中含有如锌、铜、铁等人体必需的微量元素，如果元素含量超标，就会对人体健康造成危害。这些微量元素还可以参与人体糖的代谢过程，不过在微量元素超标的情况下会严重危害人体健康。比如，过量的Zn会导致人体免疫力下降，过量Fe会损伤人体肝脏系统，过量Cu会导致人体新陈代谢紊乱[2]。生活或工业污水中含有大量的重金属元素，如果未经处理就排放，这些重金属元素很可能通过饮水、食品进入人体，最终导致人体摄入的微量元素超标，严重损害人体健康。

2 重金属废水处理的特点及必要性

重金属废水的浓度越高造成的危害越大。由于重金属具有富集性且难以自然降解，因此重金属废水所造成的污染十分持久，并且重金属多数可以被微生物甲基化，导致重金属的毒性大幅提升，这些甲基化重金属在生物的富集作用下，可能会通过食物进入人体，从而对人体健康造成危害。重金属常常会随着微生物吸附、底泥富集等进入人体，导致集体发生中毒反应，严重时还会对人类下一代的健康造成危害。在重金属废水中通常含有汞、铅、铜、砷等元素及其他化合物，在水中可以通过鱼类、水生植物沿着食物链进行传递。通过对这些重金属废水进行分析可以发现，人体在发生重金属中毒时，会导致机体活性酶、蛋白质失活，使机体代谢紊乱。由于重金属离子无法自然降解和正常排出，必然会严重损害人体健康，因此相关部门必须要加强对重金属废水的管理，采用合适的处理方法，尽量降低水中重金属离子的浓度。

3 常用的重金属废水处理技术分析

3.1 物理处理技术

物理处理技术有很多种，也是重金属废水处理技术中成本相对较低、灵活性较强且操作非常方便的处理技术。物理处理技术对废水中有毒成分的敏感度较低，有助于去除废水中的有毒有害物质，在目前的重金属废水处理中颇受青睐。

3.1.1 离子交换法

离子交换法是将废水中的重金属元素与离子发生交换和接触，通过接触树脂膜上的活性基团，使离子间产生可逆交换反应，再通过离子交换的方式，达到有效去除废水中重金属元素的目标。该技术有助于减少废水中重金属元素的含量，具有节省处理成本的作用。该方法还具有操作便捷、处理水量大、处理效果好等特点。但需要注意，在运用离子交换法的过程中，离子交换剂存在被氧化的风险，这会导致离子交换剂失效，因而在离子交换法使用不当的情况下容易造成二次污染。因此，在实际处理重金属废水过程中，还需要了解废水中重金属元素的浓度，而重金属浓度较高或水质波动较大的废水不宜采用离子交换法。

3.1.2 溶剂萃取分离法

应用溶剂萃取分离法，可以将废水中的重金属元素分离、富集和回收，该方法具有操作成本低、操作便捷、能源消耗低等特征，在分离污水中的重金属元素过程中具有良好的表现。在实际萃取过程中，需要采用相应的萃取剂，萃取剂的好坏决定了废水处理的实际效果[3]。目前，常用的萃取剂包括酸性、中性、碱性和螯合类萃取剂。在实际应用该方法时，需要认识到该方法限制条件较多，这是因为萃取法属于一种两相间传质过程，因此必须选择合适的萃取剂。

3.1.3 吸附法

采用吸附法对重金属废水进行处理，大致可以分为两个步骤。首先将废水中的重金属元素吸附至吸附剂表面，然后在沉淀池中对废水中的重金属元素进行沉淀处理，从而去除废水中的重金属。在实际处理重金属元素的过程中，往往会用到物理吸附和化学吸附两种手段，而综合应用物化处理方法有助于提高重金属废水的处理效果。吸附法与溶剂萃取分离法有一定的相似之处，合理选择吸附剂是该方法成功的关键。例如由于活性炭具有微孔数量多、化学性质稳定、吸附表面积大等特征，常用于作吸附剂，在处理重金属废水过程中能够发挥出较强的吸附能力。另外，纳米材料的表面积较大、表面原子较多，因此纳米材料也具有较强的吸附能力，近年来已经成为国内外关注的焦点。另外，生物吸附法不仅操作便捷，而且在实际处理过程中不容易对环境造成二次污染。

3.1.4 膜分离技术

膜分离技术主要是借助渗透膜具有的选择透过性功能，利用膜截留重金属废水中的大分子物质，处理重金属废水中的各类污染物，但是膜分离技术的使用比较有局限性，不能截留分子过小的污染物。膜分离技术通过反渗透、超滤、纳滤、微滤等方式对重金属废水进行处理，具有处理效果好、占地面积小、能耗相对低的特点。尽管这种技术还存在价格上的限制，但是整体的处理效果也弥补了其他技术的不足。但膜分离技术容易出现膜污染、膜堵塞等问题，因此相较于其他重金属废水处理技术，膜分离技术的应用需要投入较高成本，在实际操作中还可能会受油污、微生物以及固体颗粒的影响，导致膜的性能下降，这些因素容易影响膜分离技术在重金属污水处理中的应用效果。

3.2 化学处理方法

重金属废水处理中的化学处理方法，可以分为吸附法、电解法、沉淀法几类。其中，化学沉淀法的作用机理主要可以分为两类，首先是重金属元素的置换反应，其次是重金属元素的沉淀作用，可以使用各种沉淀剂对废水中的重金属元素进行处理。电解法主要是通过两极的氧化还原反应实现对废水中重金属元素的富集，达到分离和回收废水中重金属元素的目标。化学吸附法主要是利用吸附剂，使吸附剂表面的活性基团与重金属元素发生反应，实现对废水中重金属元素的处理[4]。需要注意的是，物理吸附法与化学吸附法在处理重金属元素的过程中，虽然都是利用吸附剂实现对重金属元素的处理，不过二者对重金属废水的作用机理存在明显差异。

3.3 生物处理法

通常情况下，微生物或植物能有效处理废水中的重金属元素，一些生物具有很强的富集性，能有效吸附重金属，并具有絮凝的功能。生物处理方法可以分为植物修复、生物絮凝和生物吸附。

3.3.1 植物修复法

植物修复法是利用高富集植物对重金属元素进行处理，常用于土壤中重金属元素的处理，处理重金属废水也有良好的效果。利用高富集植物对废水中的重金属元素进行吸收、富集和沉淀，可以降低废水中重金属元素的活性，有助于控制重金属元素向周边环境扩散，随后通过对重金属进行富集、萃取、输送等一些操作，可以将重金属元素富集于植物的根系部位，然后对植物进行收割，最终实现对重金属废水的处理，这样不仅可以降低重金属废水给生态环境带来的污染，还可以实现对重金属元素的回收和利用，而且该方法不易对环境造成二次污染，属于一项环境友好型的技术。该技术还具有净化、美化环境的效果，通过植物还可以回收大量贵重的重金属，有助于提高重金属废水处理的经济效益，属于一种兼具经济、环保特征的技术手段。

3.3.2 生物絮凝法

生物絮凝法主要是利用微生物对重金属元素具有较强的絮凝和沉淀作用，生物絮凝法的运用过程几乎不会造成二次污染，且具有较高的处理效率，属于一种无毒无害的处理方式，而且对絮凝物的分离也十分便捷，当然选择合适的生物絮凝剂也非常重要。

3.3.3 生物吸附法

生物吸附法相较于传统吸附法具有较强的吸附能力，相较于其他物化处理技术，生物吸附法属于一项环境友好型的处理技术，目前受到许多国家和地区的青睐，比如花生、蛋壳、甜菜渣、向日葵等已经开始被研究制成生物吸附剂，可以去除废水中的重金属元素[5]。

4 重金属废水处理中的资源利用

目前，我国在重金属废水处理过程中，应尽可能使重金属废水排放达到国家标准，同时还需要做好重金属废水的循环利用，提高资源利用率。当前，在处理和应用重金属废水的过程中，沉淀法、膜处理技术的应用范围十分广泛，在废水处理和资源回收等方面具有较强的应用优势，有助于提高水资源以及重金属的回收率，大幅降低废水中重金属元素的浓度，快速实现集约利用资源、绿色化发展等目标。

由于重金属废水的组成成分十分复杂，选择并应用科学化的处理方式，不仅可以对废水中的重金属进行回收利用，还可以起到改善水文生态环境的作用。比如，在有色金属加工酸洗过程中，其工业废水中可能会含有大量的Fe、Hg、Cd等重金属元素；矿山开采过程产生的废水中会含有大量的矿物质和重金属元素；部分轻工业在生产农药、制造颜料的过程中，也会排放大量含有超标重金属元素的废水。为了进一步保护生态环境，采用各种重金属废水处理技术，不仅可以降低重金属废水对环境带来的危害，还可以通过絮凝、吸附、沉淀等方式回收利用重金属。比如，化学处理法主要是将废水中的重金属元素通过与碱发生反应形成盐沉淀；物理法主要是通过在废水中添加吸附剂，实现对废水中重金属元素的吸附。在实际处理重金属废水的过程中，需要综合考虑各种条件，选择最合适的处理技术[6]。在企业生产过程中，如果大量含有重金属元素的废水未经处理就排入水中，其中的大量重金属元素就会聚集在水底。由于生物法无法对重金属元素进行降解，在水体外部环境发生变化的情况下，容易对水生态环境造成危害。在水生态环境遭受严重污染的情况下，会导致可用的水资源大幅减少，因此加强对重金属废水的排放和处理，在降低废水对自然生态造成污染的同时，还可以加强对水资源的利用率，避免重金属元素通过饮水、食品等途径进入人体，对人体健康造成损害。在对重金属废水进行回收处理的过程中，不同处理技术具有不同的优势，都可以显著提高水资源与重金属的回收和利用率，有助于将水中重金属元素的浓度控制在适当范围内，因而更符合我国绿色发展的要求。

5 重金属废水处理的未来展望

随着纳米技术、新型介孔技术、基因工程等现代技术的快速发展，这些技术的发展对推动我国生态文明建设工作有着重要意义。不过我国当前采取的重金属废水处理技术还存在一些问题，如经济效益不高、投资成本较大或存在较高二次污染的风险。虽然部分技术具有较好的处理效果，但对于使用环境要求非常严格，因而目前在重金属废水处理中的应用还局限于实验研究阶段。

在对重金属废水进行处理过程中，除了要加强对废水排放末端的处理，还需要加强对污染排放源头的把控，因而各企业要不断改进或引进先进的生产工艺，利用清洁生产方式进行生产，尽量减少在工业生产过程中排放废水，降低重金属废水处理的难度。针对不同行业产生的重金属废水，还需要有针对性地选择处理技术。例如，如果重金属废水的浓度较高，可以选择离子交换法、膜分离技术，也可以采取化学沉淀法和电化学方法等综合手段。

为了进一步加强对重金属废水处理技术的研究，技术人员需要不断改进重金属废水的处理方法，研发新材料，综合考虑重金属废水处理的经济、生态效益。同时，可以综合采取多种技术手段，实现对重金属废水的综合治理，最大限度地减少废水中的重金属离子等污染物，尽可能减少二次污染，为后续废水的资源化利用创造良好条件。

在经济社会快速发展的背景下，不可再生资源的消耗进一步加剧，尤其是重金属等价格比较昂贵的资源，在国际形势不断变化的过程中，重金属等矿产资源的价格也在不断上升。由于工业生产以及人们的生活始终离不开重金属，因此未来在重金属资源储备量不断下降的过程中，工业生产将逐步向着节约、集约、循环的方向发展。在对重金属废水进行处理的过程中，除了要实现对废水的资源化利用外，还需要考虑对重金属的回收和利用。现阶段，重金属废水处理采用的各种技术方法，如电渗析法、离子交换法、反渗透法等主要是通过在不改变重金属离子化学形态的基础上，实现对废水中重金属离子的浓缩与分离，并实现对重金属离子的资源化利用。

6 结语

综上所述，通过对重金属废水处理和资源回收中的各项技术手段进行分析可知，不同类型的处理技术具有不同的优势和弊端，因此，在实际应用过程中，要综合考虑成本、效果、效率及回收等条件，选择合适的重金属污水处理工艺，避免在实际处理中造成二次污染，最大限度地避免重金属废水对生态环境以及人体健康造成的伤害。