工业废水中重金属离子的处理方法探析

庄 园，孔德超，薛 楠

（1.山东鲁金环境工程有限公司，山东 济南 250000；2.山东省环境保护科学研究设计院有限公司，山东 济南 250109；3.江苏中车华腾环保科技有限公司，江苏 常熟 215500）

引言

在世界经济高速发展的今天，各个国家都在大力发展工业经济，而在工业生产过程中，会使用大量水资源。此外，由于人类的过度破坏，自然环境中的水资源处于逐年下降的趋势，再加上干旱以及人口快速增长等因素，最终使水资源短缺问题更加突出。在工业生产过程中，大量废水会排放到自然环境中，这些废水中包含无机污染物与有机污染物。无机污染物中存在的重金属离子会随着食物链进入人体，如果人体中的重金属含量超过某一数值，则会诱发程度不等的疾病。比如，当人体中的锌含量大于标准限值时，会出现呕吐、胃痉挛等症状，并且会诱发肾癌、肺癌等疾病。所以如果不能有效地处理工业废水中的重金属离子，就会加剧人体患病的几率，不利于人体健康以及城市的发展。总之，为了更好地发展经济、保障人体健康，相关部门和企业需要采取措施妥善处理工业废水中的重金属离子，确保可以有效地去除其中有毒、有害的重金属离子，从而促进工业经济的良性发展[1]。

1 重金属离子概述

在工业体系中，化工行业、冶金行业以及电镀行业的快速发展，使得工业废水的排放量增加。由于工业废水中含有重金属离子，会对生态水环境造成严重污染。另外，部分工业企业为了提高经济收益，不重视废水处理工作，导致大量未经处理的工业废水直接排放至自然环境中，不仅破坏了土壤，水资源与空气质量也每况愈下，从而导致生态发展受到了极大的影响。另外，与其他离子相比，重金属离子不易在自然环境下降解，而且随着时间的推移还会逐渐累积，并具有很强的渗透性，一旦进入食物链，就会对人类以及其他动物的健康造成威胁。随着我国不断加大对工业废水中重金属离子的处理力度，使水环境治理工作逐渐取得成效，但是工业废水中重金属离子的去除将成为一项长期的任务，这无疑会增加水环境保护部门的工作强度[2]。

2 重金属离子的危害

在工业生产中，重金属离子会随着工业废水排放到自然环境中。如果将重金属离子释放到大气环境中，则重金属离子会在大气环境中长久存在。当人体中的重金属离子浓度达到一定量时，就会出现重金属中毒的情况，严重危害人体健康。在地壳环境中，铅、铜、锌等元素大量存在，并且随着近年来人类活动的增加，采矿作业以及冶炼工作等均会导致重金属离子加速进入到自然环境中，如果人体中积累了大量铅元素，不仅会影响肾脏器官，而且也会诱发高血压。此外，在城市化高速推进的今天，镉元素在环境中的含量也在不断增加，当人体吸入镉元素后，将会影响正常的化合物代谢，同时也会损害肾脏与肝脏。当农作物中有镉元素侵入时，不仅会影响农作物的正常生长，由于镉元素会随着食物链进入人体，还会威胁人体健康。因此，为了保护人类健康，相关部门和企业应高度重视重金属离子的处理工作[3]。

3 传统工业废水中重金属离子处理技术

3.1 电化学处理技术

电化学处理技术是常见的工业废水处理手段，但是该技术需要耗费大量的电力资源，因而增加了工业废水的处理成本。另外，在降解工业废水时，电化学处理技术有着不可替代的地位，其可以加快工业废水的降解速度。电化学处理技术主要有三种类型，即：电浮选技术、电沉积技术与电絮凝技术。

3.1.1 电絮凝技术

与其他电化学处理技术相比，电絮凝技术具有操作便捷、处理高效等优势。该技术作为工业废水处理的手段之一，所需要的电流强度比较小，并且在反应池的帮助下，可以实现对工业废水的有效电解，电絮凝反应器示意图见图1。

图1 电絮凝反应器示意图

在电解池中，阳极材料可使用多种性质类似的金属材料，例如铝或铁等。在一定强度的电流作用下，工业废水中的重金属离子会聚集在一起，并且会在废水中悬浮，随着通入电流时间的增加，最终所有的重金属离子会发生凝结现象，粘合为一个重金属颗粒，从而使工业废水得到有效处理。电絮凝技术具有良好的稳定性，可以形成较大体积的絮凝物质，因而降低了重金属离子的处理难度；缺点则是需要较高的处理成本[4]。在应用电絮凝技术时，不需要额外添加化学试剂，因而不会对环境造成二次污染，属于一种环境友好型技术。在应用电絮凝技术时，技术人员要注意其不能处理无限可溶的污染颗粒，但是对微小胶体粒子具有较高的处理效率。

3.1.2 电浮选技术

在处理工业废水中的重金属离子时，电浮选技术的作用十分重要。该技术通常应用于矿山废水处理领域，另外还可以有效地处理低浓度废水，且具有较强的适应性，同时操作便捷，处理成本低，不会对环境造成二次污染，处理设备的占地面积较小。电浮选技术主要包括以下步骤：（1）由一个电源和两个电极组组成反应器，污染物则会在反应器中被吸附。在电解水反应的作用下，溶液会释放大量氧分子与氢分子，使重金属离子在此过程中形成絮凝体。（2）利用沉降方式从工业废水中分离絮凝体。（3）利用过滤手段，完成污染物的收集工作。在反应器的帮助下，可以有效地去除工业废水中的重金属离子，而反应器的功耗则会直接影响重金属离子的去除效率。因此，在设计反应器时，需要合理选择电极材料，并合理控制电流密度，严格控制操作条件，以确保工业废水中的重金属离子可以有效且安全地去除干净[5]。

3.1.3 电沉积技术

该技术可以将工业废水中的重金属离子转化为固体颗粒，并且可以在离子导体中沉积，从而成为离子导体的保护膜，保证了离子导体能够长时间且安全地使用。与其他技术相比，电沉积技术在使用过程中不会有污泥产生，并且可以控制工业废水的处理成本，同时也不需要添加任何试剂，所以不存在二次污染问题。电沉积技术所使用的反应器由四部分组成，即：阳极、阴极、电解液与电源，重金属离子可以在反应器中进行氧化还原反应，并电镀到阴极表面，从而完成对重金属离子的处理。工业废水中重金属离子的处理效率与废液的温度、浓度以及酸碱度有关，可以通过严格控制上述影响因素加快重金属离子的处理速度。

3.2 物理化学处理技术

3.2.1 化学沉淀法

为了处理工业废水中的重金属离子，可以采用化学沉积法降低工业废水中重金属离子的浓度，确保所处理的工业废水可以达到国家排放标准要求。通过化学沉积法可以使重金属离子与沉淀剂发生反应并形成固体颗粒，这种固体颗粒具有不溶于水的特性[6]。随后，利用沉淀及过滤等手段，将重金属离子与工业废水分离。但是在应用化学沉淀法前，需要对工业废水的化学成分进行分析，然后再利用有针对性的处理手段加快重金属离子转变为固体颗粒的速度，具体反应流程如图2所示。

图2 化学沉淀法重金属去除过程示意图

3.2.2 离子交换法

所谓离子交换法，是指在一定条件下，离子可逆交换在液相与固相之间发生，其交换速度与溶液的温度、酸碱度以及接触时间等参数有关。通常来说，利用离子交换法可以将重金属离子从无机废水中吸附出来，并且在合适试剂的作用下，可以对重金属离子进行分离与回收，从而有利于提升重金属离子的利用率。与其他处理技术相比，离子交换法具有使用成本低、处理效率较高等特点，并且不会产生污泥。图3为离子交换水处理塔。

3.2.3 吸附法

吸附法是在化学吸附与物理吸附的共同作用下将重金属离子从工业废水中分离出来。在应用吸附法时，吸附剂的作用具有以下作用：（1）在吸附剂的作用下，重金属离子可以从溶液中渗透到吸附剂表面；（2）吸附剂可以有效地吸附重金属离子。（3）重金属离子可以渗透到吸附剂中。

吸附剂不仅可以从农业废料中提取，也可以从天然材料中提取，所以吸附剂的来源十分广泛。

4 工业废水中重金属离子处理的新兴技术

4.1 膜过滤技术

膜过滤技术包括超滤、微滤、纳滤、反渗透与电渗析。超滤膜、微滤膜属于多孔膜，可以在小于0.2 MPa的压力下工作。纳滤膜的孔径为1 nm，其工作压力最大可以为2 MPa。对于反渗透膜来说，由于其为无孔结构，所以需要与纳米孔膜配合使用。电渗析膜属于分离膜，由阳离子或阴离子交换材料构成，通常在不大于0.3 MPa的条件下使用[7]。

4.2 光催化技术

作为一项新型技术，光催化技术可以利用一定波长的光，在无毒半导体的帮助下完成重金属离子的处理工作。光催化技术不仅可以高效率地完成重金属离子去除作业，而且使用成本低廉，因而具有广阔的应用潜力。光催化反应是光催化技术的核心，光催化半导体包括硫化物型与氧化物型，光催化半导体具有良好的抗腐蚀性，并且不会破坏环境[8]。

4.3 纳米技术

随着材料技术的不断发展，应用纳米材料同样可以有效去除工业废水中的重金属离子。在处理工业废水过程中，可借助纳米材料出众的化学反应特性以及极高的比表面积，加快重金属离子的去除效率。

近年来，纳米磁性氧化物的出现，进一步提升了纳米材料的吸附特性。与其他纳米材料相比，纳米磁性氧化物的稳定性更好，比表面积更大，所以成为了工业废水处理领域主要使用的纳米材料。此外，在纳米颗粒材料中，纳米零价铁同样可以加快工业废水中重金属离子的去除效率，并对重金属离子进行转化，降低其危害程度。最后，随着纳米技术的不断发展，磁性纳米颗粒凭借其低廉的价格，成为工业废水处理工作中主要使用的纳米材料，并且磁性纳米颗粒去除重金属离子的效率同样十分显著。

5 结语

综上所述，重金属离子在工业废水中大量存在，如果仅依靠自然条件进行处理是非常困难的，并且随着重金属离子在自然水环境中浓度的逐渐提升，将会对人体健康以及水环境稳定发展带来负面影响。因此，为了改善水环境质量，消除重金属离子带来的风险，相关研究人员要重视工业废水中重金属离子处理方法的研究，不断提升重金属离子处理效果，从而确保水环境质量可以持续变好。