基于反渗透技术的重金属废水处理研究

王雁行，何 潇，王垂涨

（1.浙江中清环保科技有限公司，浙江 杭州 310000；2.嵊州市环境保护监测站，浙江 绍兴 312400；3.天能控股集团有限公司，浙江 湖州 313000）

电镀、采矿、化工作为工业发展中的代表企业，在生产过程中使用的金属原材料以及各种化学药剂，会产生一定的化学反应，所以都会带来一定数量的重金属废水。而废水中的重金属离子在排放到自然环境中时，只能进行形态方面的变化或转移，却无法被自然环境自行降解。这些在未经妥善处理而排放到自然环境后的废水，不仅会带来较为严重的水体污染以及水生环境被破坏的现象，还会通过食物链的持续积累直接危害人们的身体健康。目前，离子交换、电解以及反渗透等在重金属废水处理中都是十分常见的技术方法，但由于我国对重金属废水排放后的标准要求相对较高，所以，那些数量较大并且内部重金属元素成分组成较为复杂的工业废水，就需要应用化学、吸附以及反渗透的技术进行处理。而作为传统的重金属废水处理技术体系中的代表，化学法和吸附法在运用过程中不但需要较高的成本投入，而且还需要使用数量较多的化学药剂，反应过程还较为缓慢，无法人为控制，最终的重金属废水处理效果也不理想。但反渗透技术则是完美规避了这些传统重金属废水处理方法的弊端，不但能将废水中的贵重金属离子得以大范围回收，还能将其他的有害物质一并去除。本文通过研究反渗透技术在重金属废水处理中的实际应用领域以及流程，从而为我国今后在重金属废水处理中推广、应用反渗透技术提供参考。

1 重金属废水的产生源头以及带来的环境污染现状分析

目前，以我国有关污水排放方面的标准文件来看，重金属为其中的第一类污染物，所以，需要遵循封闭零排放的基础原则要求，禁止与其他废水进行混合处理，且稀释之后进行扩散的行为也是我国明令禁止的。同时，还需要由相关部门在车间或是处理设施的排出口进行水样取样分析，以确保重金属废水的排放标准能完全符合目前的相关标准要求。由于金属行业的生产制造、电镀、采矿等是当下重金属废水的主要来源。其中，又以冶金工业废水为主；而矿山开采带来的重金属废水整体偏酸性。经相关调查研究发现，重金属废水内部的成分组成最为复杂，其中的重金属元素含量以及种类相对较多，这对于自然生态环境以及水体环境的影响十分巨大[1]。这些偏酸性的重金属废水在尚未经过妥善处理之后排放到自然水体环境中，会对原生水体环境及水生生物产生严重的影响，也会带来水生生态内部系统的恶性变化。而重金属元素在水生生物中的持续积累也会借助食物链不断在人体中进行积累，当重金属元素含量累积到一定程度的情况下，将会对人体健康带来极为严重的损害。

通常，重金属废水中的重金属元素存在形态、含量和种类也会随着工业废水类型的变化而产生一定的不同，其能以氢氧化物、螯合状态、络合状态等多种形式存在，而其中的重金属以离子形态存在时有着最强的毒性[2]。在人类的历史发展进程中，痛痛病、水俣病这类疾病是国际社会中最具代表性的重金属集体中毒事件。在这种情况下，我国党中央和政府部门高度关注工业生产过程中的重金属废水处理，并且早在“十二五”规划中已经出台了与之相关的专项规划。但由于地方政府部门在重金属废水治理过程中存在着资金方面的困难，直接影响了整体的污染废水治理工作进程，并且，部分地方工业企业受经济效益和治理水平等方面的限制，使重金属废水的处理未能得到有效的成本投入，导致污水排放与标准要求存在较大的差距，甚至出现重金属废水偷排、乱排的现象。但随着我国有关重金属废水排放以及处理的标准和法规的陆续出台，国家、地方政府加强了在重金属废水技术处理等方面的经济和政策的支持，使重金属废水处理工作得到了明显的进步和发展。

2 反渗透技术的运作原理分析

目前，在我国工业生产过程产生的各种重金属废水中，以游离状态存在的重金属离子的数量相对较多，并且成分组成相对较为复杂，但应用反渗透技术能取得较为良好的处理效果。在重金属废水具体处理过程中，反渗透技术可以在外界施加作用力的影响下，确保废水中的溶剂能顺利通过半透膜，而重金属离子则会被隔离在半透膜另一侧[3]。由此可以看出，在使用这种技术进行重金属废水处理时，外界施加的作用力数值必须要远远超过溶液原有的渗透压，并且还需要选择在透水性方面有着明显质量优势的半透膜。通常，应用于重金属废水反渗透处理中的半透膜，其表面的微孔尺寸需要小于一纳米，只有这样才能将重金属废水中的重金属离子和水分子完全隔离。此外，反渗透技术最早是在20世纪70年代开始引入到重金属废水处理工作中，最初只是针对电镀废水进行渗透处理，但因该技术有着良好的处理效果，并且成本投入相对较低，所以，在重金属废水处理行业中得到了广泛扩展、应用。

3 反渗透技术在重金属污染废水处理中的应用领域分析

3.1 电镀废水处理中的技术应用分析

在工业企业产品生产过程产生的电镀废水和金属材料漂洗水中，重金属离子的含量相对较高，尤其是以铅、铬、镉、镍这四种重金属元素含量最高，并且其中存在的氰化物、氯化物会产生对自然生态环境和人体健康构成威胁的化学物质[4]。而作为反渗透技术在重金属废水处理中的首个应用领域，在电镀废水处理工作中，通常使用的是脱盐以及局部渗透的处理方法，主要是针对废水中游离状态存在的重金属离子进行回收处理。而电镀镍废水中通常会含有数量较多的镍离子，镍作为带有明显剧毒性质的重金属离子，也是贵重金属，因此，镍的二次回收利用能进一步提高工业企业的经济效益。以现阶段的反渗透技术发展看来，专门用于电镀镍废水的反渗透处理装置在理论、技术上发展都相对较为成熟，而通常使用的都是内压管式或卷式的反渗透组织装件，所以，镍金属元素的回收率基本可以维持在99%左右。

3.2 在其他类型废水处理中的技术应用分析

除了电镀重金属废水之外，冶炼以及采矿行业在生产过程中也会带来数量较多的重金属废水，通常包含铜、铅、镍、铬、银的此类金属离子，而其中的镍、银作为较为贵重的重金属离子需要进行回收利用。通常，在针对这些重金属离子进行反渗透处理后，不但能进一步提高生态环境保护工作的成果，还很好地实现了这类贵重金属离子的二次回收和利用，也会明显提高工业企业的生产效益。而在偏酸性重金属废水的技术处理过程中，反渗透处理技术的应用会使铜离子的质量浓度控制在0.5 mg/L以下[5]。而且，在处理后的重金属元素的浓缩液中，铜离子也得到了有效的压缩处理，回收率基本可以达到100%，这对于提高工业企业的经济效益有着明显的促进作用。

4 反渗透技术在重金属废水处理领域中的应用流程分析

4.1 废水的预处理环节

在重金属废水的具体处理过程中，应用反渗透技术需优先关注废水的预先处理，这主要是因为在反渗透技术中运用到的渗透膜对于重金属废水中的离子浓度有着一定的数量要求。而且，只有在经过完善的预处理之后，应用反渗透技术才能实现既定的重金属离子浓度的控制和降低的目的，且反渗透膜的使用寿命也能够得到有效延长。因此，在使用反渗透技术进行重金属废水处理时，主要是依靠反渗透膜在外界施加压力的情况下，对水分和重金属离子进行分离。但如果重金属离子浓度极高，则会带来渗透压的升高，这时，反渗透膜的分离性能反而会出现下降问题。因此，相关技术人员需要在废水正式处理之前，优先针对重金属离子的原有浓度进行检测，并通过化学沉淀这类方式对重金属离子浓度进行削减，随后再进行反渗透处理。

4.2 操作工艺参数的合理调整

由于重金属在化学和物理的性质方面有着不同之处，所以，就要求相关技术人员结合重金属的性质来选择科学的反渗透技术的工艺处理参数。如对铁、铜、锌这类重金属元素而言，只有选择最为合适的工艺操作参数，才能发挥出反渗透处理技术的效果，从而最终提高污水的排放水质。通常而言，在重金属废水处理过程中应用反渗透技术，相关技术人员需结合重金属废水中的主要金属离子含量浓度的检测结果来科学选择反渗透膜。简单而言，反渗透膜在废水处理中的重金属离子和水分的分离效率与pH值之间会呈现出一种明显的正相关关系，并且反渗透膜的类型差异也会在pH值的要求方面有所反应。一般重金属废水的整体pH值需要控制在4～7这一范围内，且使用的环境温度要低于40 ℃[6]。但在温度保持不变的情况下，应用反渗透处理技术会使重金属废水的处理浓度随着膜压得升高而有所降低。此外，在相关人员确定反渗透膜所用的膜质材料后，还需要控制以及设计重金属废水处理过程中的流入量以及处理之后的废水流出量，以有效削减重金属元素在反渗透膜表面的堆积，从而避免重金属元素的长时间积累对反渗透膜带来的各种不利影响。

4.3 反渗透膜的清洗处理

工业生产企业在进行重金属废水的处理工作时，还要考虑到企业自身经济效益最大化的目标，因此，在应用反渗透技术时不能频繁更换反渗透膜。但在废水的反渗透处理装置长时间运行以后，反渗透膜的表面会持续积累无机污垢和金属氧化物类污染物，而长期积累将会对反渗透装置的性能产生明显影响。在这种情况下，就需要工业生产企业定期组织人员进行反渗透膜的化学清洗以及消毒处理。需要注意的是，相关技术人员需要结合选用的重金属废水处理反渗透膜的材质，以及表面积累的污染物具体种类，来科学选择清洗剂的类型以及使用的数量，并定期进行化学清洗和消毒处理，这样既可以降低反渗透膜表面污垢积累数量，又能保障反渗透膜的重金属废水处理效率。

4.4 废水的加工处理环节

在针对重金属废水进行预处理并合理调整工艺操作参数之后，就可以直接针对重金属废水进行处理。其流程是，重金属废水在经过水箱、加压泵以及反渗透膜之后，就可以形成符合我国标准要求的重金属废水。而对于二次回收利用的重金属离子，在具体生产的过程中也会生成一定数量的浓缩重金属液，可以在废水处理完毕之后，再经过一系列的化学反应提炼出其中的重金属离子。需要注意的是，重金属废水在整体的工艺操作环节中，环境压力需要维持在1～10 MPa之间，以确保重金属废水能最大程度的通过反渗透膜，并将重金属粒子进行有效隔离[7]。

在具体的加工处理重金属废水过程中，反渗透处理技术的突出优势是能对带有明显放射性的重金属废水进行处理。在实际应用中，反渗透技术也可以视为重金属废水的终端处理环节，在有效去除废水中所含有的重金属离子的同时，还可以对其进行循环利用。如对于带有重金属离子的混合污水在经过预先处理之后，可以使用反渗透处理技术装置进行过滤处理，最终得到的水分可以用作冷却水和清洗水源。这不仅能降低新鲜水源的使用数量，还会使污水的排放数量得到明显控制。因此，对于我国水资源匮乏的地区而言，应用反渗透技术有着十分重要的意义。

5 反渗透技术在重金属废水处理工作中应用的发展趋势分析

5.1 成本投入逐渐下降

随着相关科研技术的持续发展，反渗透技术逐渐在重金属废水处理过程中得到了推广应用，但由于要考虑企业经济效益的最大化，所以，必须做到逐步削减应用反渗透技术的成本投入。其中，反渗透膜作为反渗透技术处理过程中投入较大的一个环节，其选择的正确与否对反渗透技术的应用效果以及成本投入都会产生最直接的影响。目前，在我国材料科学持续发展的影响下，已研发出了上百种的反渗透膜，并且价格也较为均衡。这些反渗透膜在重金属废水处理的过程中，展现了抵抗重金属污染等方面的能力差异。此外，随着重金属加工处理以及材料科学的持续发展，未来的反渗透膜的材料价格也会逐渐下降，这会使得部分规模较小的工业生产企业也能够在保障经济效益的前提下，合理的引入反渗透处理技术。

5.2 在技术方面的创新及组合应用

现阶段，用于反渗透技术处理中的反渗透膜污染抵抗能力相对较差。但部分专家学者在认识到反渗透膜的缺陷之后，已开始着手研发污染耐性相对较强的反渗透膜，以及各种特殊的污水处理组件，以进一步降低在重金属废水处理过程中反渗透技术对于废水水质方面的要求，同时，也尽量降低生产成本和处理费用。此外，用于重金属废水处理的反渗透技术可以将相关的渗透膜系统与超滤、微滤、纳滤等系统进行全方位的结合应用，以便在发挥不同膜分离技术优势的前提下，组成一个可用于重金属废水处理的完善的反渗透处理系统工程，再配合清洗剂、膏剂这类反渗透药剂的合理应用，反渗透膜的利用率能得到明显提高。目前，考虑到反渗透处理技术工艺的能耗投入相对较高问题，今后可通过反渗透膜的低压化处理以及配置方面的优化，并结合工业生产企业在重金属废水处理方面的具体需求，开发出处理效果较高、能耗投入相对较低的工艺系统，从而使重金属废水的处理效果得到进一步提高。

6 总结

重金属废水作为我国工业生产过程中必然产生的一种污染副产物，其中的重金属离子不可自然降解，有着剧烈的毒性，但镍、银、铜这类贵重金属离子却有着较高的二次回收价值。而反渗透技术作为我国重金属废水处理过程中的现代化技术成果，目前已在各个工业行业的重金属废水处理过程中展现出了优良性能，同时，在通过完善的废水预处理、工艺操作参数调整以及系统运行之后，重金属废水中的重金属离子含量完全符合我国有关标准的具体要求。未来，在金属处理和材料技术更新的背景下，重金属废水处理中的反渗透技术应用成本投入也会逐渐下降，再配合各种系统技术的组合应用以及升级优化，重金属废水的处理效果以及重金属离子的二次利用率都会得到明显提高。