水体重金属的污染及其处理方法

邱小香，朱海燕

（渭南师范学院化学化工系，陕西 渭南 714000）

随着社会经济的迅猛发展和工业化程度的不断提高，污染物的排放已使环境日趋恶化，直接或间接给生物的生存带来威胁，并危及人类健康。重金属污染与其他有机化合物的污染不同：不少有机化合物可以通过自然界本身物理的、化学的或生物的净化，使有害性降低或解除；而重金属具有富集性，很难在环境中降解。近年来，随着各种工业废液排入水体，其中重金属的含量越来越高，严重影响着人类及其它生物的健康与生存，如随废水排出的重金属汞（Hg）、铜（Cu）、铬（Cr），即使浓度小，也可在藻类和底泥中积累，被鱼和贝类体表吸附，产生食物链浓缩，人类一旦食用了这些食物，重金属就会在人体内和蛋白质及各种酶发生强烈的相互作用，使蛋白质和酶失去活性，也可能在人体的某些器官中富集，如果超过人体所能耐受的限度，就会造成人体急性中毒、亚急性中毒、慢性中毒等。针对这种情况，笔者总结了水体中重金属的来源和危害，并对如何防治水体重金属污染进行了系统介绍。

1 水体重金属的来源

重金属是构成地壳的元素，含量还不足0.1%，但广泛存在于各种矿物和岩石中。经过岩石风化，火山喷发，大气降尘，水流冲刷和生物摄取等过程，重金属元素在自然环境中完成迁移循环，使重金属元素遍布于土壤、大气、水体和生物体中。与人工合成的化合物不同，它们在环境的各个部分都存在着一定的本底含量。

近年来，由于部分矿产开发中选矿、冶炼工艺水平落后，个别矿区没有环保治理设备，废水、废气未经处理直接排放，其中的重金属随着自然的沉降、雨水的淋溶等途径进入土壤，进入正常循环的生态系统，在生物体内积累，改变了环境的本底浓度。其次，化石燃料（煤、石油）的燃烧也是重金属的主要释放污染源，在局部地区甚至可能出现高浓度重金属严重污染。重金属在水环境中可以经过水解反应生成氢氧化物，也可与一些无机酸（如H2S 、H2CO3）反应，生成硫化物、碳酸盐等，而这些化合物的溶解度都比较小，易生成难溶的沉淀物。这一特性使重金属污染物大量聚积于排污口附近底泥中，将成为长期的次生污染源，一旦环境条件改变，会重新形成可溶性物质而释放到水体中。

2 水体重金属污染的危害

2.1 重金属污染给人体带来的危害

重金属对人体的危害，一方面通过直接饮用造成重金属中毒而损害人体健康；另一方面是间接污染农产品和水产品，通过食物链对人体健康构成威胁。重金属能抑制人体内酶的活动，使细胞质中毒从而伤害神经组织，还可导致直接的组织中毒损害人体具解毒功能的关键器官肾、肝等组织。重金属通过水体直接或间接进入食物链后，能严重消耗体内储存的铁、维生素C和 其他必需的营养物质，导致免疫系统防御能力下降，子宫内胚胎生长停滞和其他一些疾病。

2.2 重金属污染对水生植物的危害

重金属对水生植物的毒害作用主要表现在改变细胞的细微结构，抑制光合作用、呼吸作用和酶的活性，使核酸组成发生改变，细胞体积缩小和生长受到抑制等。在水生生态系统及水生食物链中，作为其它浮游动物的食物及氧气来源，藻类占据着重要的位置。研究发现：不同浓度的锌（Zn） 等重金属对羊角月牙藻的生长进度、蛋白质含量、ATP 水平等有明显的影响，金属离子对羊角月牙藻生长有抑制作用。还有研究表明，镉（Cd ）能破坏某些绿藻的叶绿素，引起光合作用下降，还对斜生栅藻和蛋白核小球藻的呼吸作用产生影响；一定浓度的Cd 能诱导硝酸还原酶的活性，从而破坏抗氧化防御系统。

2.3 重金属污染对水生动物的危害

重金属进入水体后，将对水生动物的生长发育、生理代谢过程产生一系列的影响。海水重金属离子含量超过一定的浓度便会引起文昌鱼中毒，使其身体成弯曲状而死亡。研究发现不同离子浓度的铅（Pb）、Zn和Cu对中国鳖的胚胎发育有不良影响；Zn、Cu这些重金属的积累对鱼的性别、身长都存在一定的影响。此外，重金属还会影响水生动物的遗传表达，Cu、Zn等重金属能影响鲤鱼和罗非鱼的金属硫蛋白基因表达；镍（Ni ）对淡水纤毛虫有急性毒性作用。

3 防治水体重金属污染的措施

水体重金属污染修复治理采用以下两条基本途径：一是降低重金属的生物可利用性和在水体中的迁移能力；二是将重金属从受污染水体中彻底清除。主要有以下方法：

3.1 物理和化学法

3.1.1 沉淀和絮凝 沉淀作用通过提高水体pH 值使重金属以氢氧化物或碳酸盐的形式从水中分离出来，也有加入硫化物沉淀剂使重金属离子生成硫化物沉淀而被去除。絮凝作用也应用于常规的污水处理中，普遍采用铁盐和铝盐等絮凝剂，通过与具有净化功能的天然矿物联合，改进后可形成性能更优的絮凝材料。木质素磺酸盐也是一类性能优良的绿色絮凝剂，引入羧酸基、磺酸基等基团后，其絮凝沉降效果更佳。

3.1.2 吸附法 吸附法是利用多孔性固态物质吸附水中污染物来处理废水的一种常用方法，按吸附剂的分类可分为如下3种：一是活性炭吸附，是一种较早地被应用于生产的净水技术，有颗粒活性炭、粉状活性炭、活性炭纤维、炭分子筛、含碳的纳米材料等类型之分。二是矿物吸附剂，是通过对具有一定吸附、过滤和离子交换功能的天然矿物进行合理改性，从而提高环境矿物材料吸附性能的一种新形式。目前，作为一种天然易得且高效廉价的吸附剂，矿物材料在环境治污领域的开发得到了很高的重视。膨润土就是一种矿物材料，可以通过活化和添加无机或有机化合物来进行改性。改性后得到的钙基膨润土对Cu2+的吸附率可以提高到94%。通过铁氧化物改变石英砂的表面性质，所得到的吸附剂对Cu、Pb的去除率达99%；另发现精炼油页岩产生的固体副产品能够有效去除水溶液中的Pb2+、Cu2+和Zn2+等。三是天然吸附剂，壳聚糖、木质素等天然吸附剂也是常用的吸附材料，利用悬浮交联和复合制备得到壳聚糖树脂吸附剂和壳聚糖活性炭复合吸附剂，对Pb2+的去除率可达90%以上；牛皮纸木质素对Cu2+的吸附率为27.1%。

3.1.3 离子交换法 以泥炭、木质素、纤维素等为原材料制成各种离子交换树脂和螯合树脂也可去除水体中的重金属离子，其中螯合树脂不仅保有一般离子交换树脂的优点，又具备有机试剂高选择性的特点；离子交换纤维是一种新型纤维状吸附与分离材料，具有比表面积大、传递距离短、吸附和解吸速度快等优点，如引入了磺酸基团的强酸性阳离子交换纤维最大Pb2+吸附容量可达105.5 mg /L 。

另外，还有电解法、反渗透法、膜分离法等，但这些方法都不同程度地存在着成本高、能耗大、操作困难、易产生二次污染等缺点。

3.2 生物法

3.2.1 微生物法 用于重金属离子吸附的微生物主要有细菌和真菌等，主要原理是利用水体中的微生物或是经驯化的高效微生物，在优化的条件下通过生物还原反应将重金属离子还原或吸附成团沉淀。有研究表明，短杆菌株HZM-1对Zn2+的最大吸附容量为0.64 mmol/g（干细胞），大量被吸附的Zn2+能利用盐酸或EDTA 等处理解吸，解吸后的菌株用氢氧化钠溶液进行处理可恢复吸附能力。但是这种方法有一点不足之处，就是吸附了重金属离子的菌体与溶液分离成本比较高、效率比较低。为了克服这一缺陷，固定化技术被引用到这一方法中，其主要是通过对微生物进行固定，制备成生物吸附剂，使其具有其它商用吸附剂的特性。如芽孢杆菌可被固定化制成无生命的颗粒状产品，用于废水中金属离子的回收。生物吸附技术在吸附性能、吸附效率、运行成本和对环境影响等方面都优于其它方法，且在理论上和技术上都有较成熟的发展，已应用于工业废水处理。未来，随着基因工程、细胞工程等先进生物技术的加入，生物吸附技术将在处理水体重金属污染方面拥有广阔的应用前景。

3.2.2 植物修复法和动物法 植物修复法是利用绿色植物来转移、容纳或转化污染物使其对环境无害，主要通过植物吸收、挥发、吸附和根际过滤等方式来积聚或清除水体中的重金属。植物修复技术自产生以来，在世界范围内得到了迅速地发展。已发现的重金属超积累植物有455多种，如凤眼莲、水芹菜、香蒲、芦苇、香根草等都对重金属具有良好的吸收积累效果。利用水生植物净化重金属污水应用较多的是人工湿地技术和生物塘工程。在凡口铅锌矿，用“宽叶香蒲人工湿地稳定塘”系统来处理尾矿废水，Pb、Cd、Cu 的含量都有显著下降，净化效果明显。

另外，水体底栖动物中的贝类、甲壳类、环节动物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+、Cu2+、Cr2+等）具有明显自然净化能力。但此法处理周期长，费用高，目前水生动物主要是用作环境重金属污染的指示生物，用于污染治理的不多。

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