重金属废水处理技术研究进展及技术经济效益分析

摘要：印染、电镀、冶金、采矿等工业过程会产生大量含重金属废水，这些废水若处理不当将对环境造成严重污染。本文综述了当前常见的重金属废水处理方法，讨论了沉淀法、离子交换法、生物质吸附法、膜法及联合处理技术等的应用情况，并简析了每种技术的经济效益，同时展望重金属废水今后的处理方向。

关键词：重金属废水;经济效益;处理;沉淀

0引言

电镀、化工、机械加工、矿山开采、钢铁及有色金属冶炼等行业是我国国民经济发展的重要增长点，也是“中国制造2025”的重要增长点，但这些行业在生产过程中所产生的大量含铜、镍、铬、铅、汞、镉等重金属废水，已成为困扰行业发展和环境保护的一大难题。例如，电镀过程产生的漂洗废水，含有铜、锌、镍等重金属离子，根据工艺的不同，重金属离子浓度也有所不同;采矿和金属加工过程产生的酸性废水往往含有一种或几种重金属离子;与有机物不同，重金属污染物不容易生物降解，可通过食物链进行累积富集，最终进入人体，并对人体产生各种损害。例如，重金属镍可引起皮炎、气管炎、和呼吸器官障碍，严重者甚至引起鼻咽癌和肺癌;重金属铅会引起心脏病、肾病和贫血等;重金属汞会引起皮肤病、肝病及水俣病等;重金属镉会引起消化系统、肾、骨骼等的不可逆损害。另一方面，随着水污染问题的日益严峻，国家对重金属废水的排放要求更加严格，环保政策开始引导企业向废水回用方面发展，加上重金属又是一种珍贵的资源。因此，经济有效地处理及回用重金属废水，并从中回收重金属对保障环境和资源安全及人体健康都有重要意义。

本文结合当前重金属废水处理情况，介绍常用的重金属废水处理技术，包括常作为预处理技术的沉淀法，常作为深度处理技术的离子交换法、生物质吸附法，既可作为预处理也可作为深度处理的膜分离法以及处理有机污染物的生化和高级氧化法。通常难以单独通过一种技术处理电镀废水实现重金属废水达标排放，工程上常通过几种技术联合处理来达到排放或者回用要求。另外，不同的技术需要的材料、药剂、投资、人力物力成本也不同，工程上往往综合考虑处理效果、处理成本及投资成本，最终决定处理工艺。

1       重金属废水处理方法

1.1   沉淀法

沉淀法是通过向重金属废水中添加碱性药剂如碱石灰、氢氧化钠等，将重金属离子转化为重金属氢氧化物沉淀，再通过沉淀分离和过滤等工艺，将含重金属氢氧化物沉淀的污泥分离、脱水，最后通过填埋或焚烧制砖等方式来将重金属固化。此工艺原理简单，成本低，但会产生大量含重金属的污泥，且污泥脱水过程中会产生高浓度重金属废水，污泥不仅处理过程复杂，且带来二次污染问题。另外，此方法适应性较差，若重金属废水水质水量变化，则相应的处理效果也会发生变化。如栾鑫宇[1]等采用不同的混凝沉淀剂来处理综合电镀污水，研究发现，聚合硫酸铝、聚丙烯酰胺和聚合氯化铝对于电镀废水均有一定的处理效果，其中以聚合氯化铝的综合效果最优。

1.2   离子交换法

离子交换法是借助阴离子交换树脂和阳离子交换树脂来分别吸附重金属废水中的阴离子和阳离子，从而达到净化的目的。离子交换树脂的容量决定了其不能直接用于高浓度重金属废水的处理，而只能用于最终处理环节。根据进水水质的不同，可构成“混床”“、复床 + 混床”等应用形式，能够实现废水的深度处理，树脂饱和以后，需要将混合的阴离子交换树脂和阳离子交换树脂相互分离后，再分别以强碱和强酸再生。再生操作非常繁琐，且会产生大量再生废液，这些废液中含有强酸、强碱及重金属离子，处理过程复杂。

1.3   生物质吸附法

生物质吸附法是利用秸秆、果壳等生物质为原料合成吸附剂吸附处理重金属废水中的重金属离子。由于生物质原料来源广泛、价格低廉，近年来该方法近年来已成为领域研究热点。以玉米芯为例[2]，研究者们通过对玉米芯改性合成生物质来处理不同的重金属废水，并对其改性机理、吸附机理进行了深入研究，从研究结果来看，该方法是一种很有发展前途的技术。

1.4   膜法

膜分离法包括电去离子法、反渗透、超滤、纳滤等。其中，电去離子法只能处理低浓度重金属废水，因此只能作为深度处理技术。若采用反渗透、超滤、纳滤等直接处理重金属废水，则相应的膜极易受到污染，大大缩短了膜的使用寿命。即使仅作为最终的深度处理，离子交换膜也需要定期更换，直接增加了处理成本。

1.5   生化及高级氧化法

重金属废水中往往含有一定量的有机物，常通过生化法或高级氧化法来进行处理，即先进行重金属预处理，再联合生化或高级氧化工艺处理其他污染物。高级氧化常采用 Fenton 法。例如张宝等[3]采用 AO 联合微电解及Fenton 氧化工艺来深度处理上海某电镀厂漂洗废水，研究表明，该方法对电镀废水的 COD、TN 去除效果较好。

1.6   联合处理技术

由于天然淡水资源的短缺和水污染问题的日益严峻，废水的达标排放已不能满足当前的环保需求，工程上常常通过预处理和深度处理技术联合处理，实现重金属废水的回用。化学沉淀法和膜法常作为预处理技术，离子交换法和和反渗透、电去离子技术、无膜电去离子技术常作为深度处理技术。利用化学沉淀法、膜分离法处理电镀废水的技术已在全球范围广泛应用。电镀废水经化学沉淀法处理以后，重金属离子浓度可降低至0.5-20mg/L，尚不能达到回用要求，但同时会产生大量含重金属的污泥;利用膜技术（一级反渗透），可以更环保地将电镀废水中重金属离子处理至较低浓度，整个过程没有污泥产生，但膜技术尤其是超滤、纳滤和反渗透技术单独使用，也难以满足回用要求。为提高水回收率及经济性，常将化学沉淀法与膜法（主要为反渗透）配合使用，出水重金属离子浓度可降至更低水平。上述几类介质可归类为含重金属离子浓度数mg/L 的预处理出水。此时，为达到最新环保法中电镀废水回用要求，须对该类预处理出水作进一步深度处理。膜分离法中的反渗透作为深度处理技术，操作简单，处理效果好，但需要要用到反渗透膜，反渗透膜由于老化、污染等问题需要定期更换，因此基建投入大，运行经济性不佳;而电去离子除盐技术往往不能直接用于处理该浓度水平的进水。因此工程上往往采用离子交换法，在终端加入“混和离子交换树脂床”，以除去水中剩余的杂质离子，实现水的回用。

例如房春生等[4]研究了采用氧化还原和化学沉淀工艺作为预处理，生化处理、超滤和反渗透集成膜工艺作为深度处理来处理电镀漂洗废水，该电镀废水含铬、铜、锌、镍等重金属，实际应用结果表明，经过该联合工艺处理以后，处理出水水质较传统工艺大大提高，重金属离子浓度不到传统工艺的1/2，中水回用率达到60%。

2       技术经济效益分析

化学沉淀法涉及到的成本主要包括化学药剂、沉淀池、搅拌器等处理设施、污泥的脱水、浓缩、干燥、焚烧等处理处置设施，总的来讲，处理成本较高，但一次性投资低，是当前工程上应用得最多的方法。

离子交换法涉及到的成本包括离子交换柱、离子交换树脂，用于再生失效树脂的酸碱药剂、离子交换树脂再生器等，此方法一次性投资成本与处理成本均为中等水平，但离子交换树脂再生操作繁琐，再生过程树脂损耗较大。

膜分离技术操作简单，由于需要用到离子交换膜，因此一次性投资成本较高，操作成本主要为处理过程中的电耗，以及离子交换膜的定期更换成本。膜分离法较化学沉淀法和离子交换法成本更高一些。

3       总结

当前化学沉淀法由于其较低的成本在重金属废水处理领域得到广泛应用，但是，该方法不能满足日益严格的环境标准和废水回用需求。膜分离法和离子交换法等深度处理技术异军突起，从技术上来说，这些技术可以将重金属废水处理到纯水水质，但由于其较高的成本而限制了应用。虽然目前对于降低成本的研究已取得很大的进展，但尚不能够满足工程上对低成本、高效果的需求。因而可以从离子交换树脂的再生、离子交换膜的制备等方面入手，研究其机理，开发新方法、新材料来降低这些环节的成本，从而降低整个工艺的成本。另一方面，不管是离子交换法还是膜分离法都能获得高浓度重金属浓缩液，这些浓缩液若只含一种重金属则极易实现回收利用。然而实际工程中，浓缩液往往含有多种重金属，若能将这些重金属分离回收，则可实现重金属废水真正的闭路循环和绿色处理。

参考文献：

[1]    栾鑫宇，朱佳，张金松等，混凝沉淀处理综合电镀废水试验探究[J]. 辽宁化工，2020，49（4）：337-343.

[2]    王发星，玉米芯的改性及在重金属废水处理中的应用研究[J]. 广东化工，2020，47（11）：176-178.

[3]    张宝、施帥帅，生化 + 高级氧化技术深度处理电镀废水[J]. 水处理技术，2019，45（8）：130-132.

[4]    房春生，王殿升，推玥等. 电镀废水深度处理工艺设计及案例[J].吉林大学学报（地球科学版），2020，50（3）：1-11.

作者简介：

申小兰（1988-）从事电化学水处理。