重金属水体污染与防治对策

高 松

(宿迁市泗洪县生态环境局，江苏 泗洪 223800)

1 引言

人类生活和工业活动导致自然水体遭受了多重的污染，其中重金属污染危害尤其突出。常见的污染性重金属包括汞、镉、铬、砷、铅等，通常来源于采矿业、冶炼业、一般性化学工业、农业以及人类的生活垃圾。重金属在水体等环境中蔓延，会逐步在周围的植物中富集，因为不能有效地排出到体外，会在生态系统中逐渐向高级别的生物中靠拢，而人类也难有效规避，体内积存重金属，会对多种器官、血管、神经造成伤害，使得人类深受其害[1]。对此探讨通过物理学、化学、生物学方法来消除水体中的重金属污染，是十分必要的。

2 物理方法治理重金属水污染

对于重金属污染的水体来说，常见的物理治理方法包括离子交换、吸附、膜分离等技术。相对来说，污染较轻的水体建议采用物理方法进行处理。

2.1 离子交换法

该方法的基本原理是，利用电镀作为“外力”，使得交换剂中置入的大量离子，与污染水体中的重金属离子进行交换，从而达到将重金属离子脱离水体的目的。业界已经研制并应用了大型的离子交换设备，能够对通过的污水进行快速有效地处理。不仅能够有效地治理污水，也可以将其中的重金属进行回收，一举两得。胡鸣鸣通过实验表明，果皮基吸附材料对重金属离子有吸附作用[2]。

2.2 吸附法

该方法的基本原理是利用一些具有多孔的材料，对重金属进行吸附。其中最早被纳入视野的吸附剂是活性炭，其优点是吸附能力强，高效，但缺点是成本比较高，性价比低，因此很难在工业中得到普及地应用[3]。对此人们开始逐步寻求替代品，包括果胶、膨润土等都备受青睐[4]。相对于离子交换，吸附方法的优势能够消除更高浓度的重金属离子，且在吸附后，往往能够使得水体达到国家排放标准，由此获得了业界的认可。另一方面，所采用的吸附剂，多数是可以继续循环使用的，由此也一定程度上使得该方法得到更广泛的使用[5]。在实践中，一些化学家以及企业研发部通过一些技术优化来选择更为合适的吸附剂，使得其在吸附中更有针对性，适合某些领域的需求。比如利用硫酸氢钠作为还原剂的吸收剂，或者尹蕊提出的磁性铜离子印迹聚合物，就可以对多种金属离子进行吸收，而以有机高分子为主原料的吸收剂，就能够大量吸收铅离子[6]。

2.3 膜分离技术

膜分离技术是指基于分子层面利用半透膜筛选不同粒径分子的混合物，该方法所采用的装置也比较简单，具体操作相对便捷。在具体的环境下，根据不同的形式，分为纳滤、液膜隔离、电渗析等类别[7]。根据其技术原理可知，可以根据不同的处理对象，设置不同孔径的膜，由此单层或者多层地达到分离的效果。在实践中，该方法也会遇到结垢、腐蚀、电极极化等问题。魏栖梧所设计的磁性多壁碳纳米管就遇到了相应的问题[8]。

3 化学方法治理重金属水污染

利用化学方法治理重金属污染，主要有化学沉淀和氧化还原两种方法。

3.1 化学沉淀法

利用化学反应的方式，使得重金属离子生成难以融于水的固体，冷却沉淀，与水分离[9]。不同的反应形式，对应不同的沉淀方法，包括中和反应、硫化反应、钡盐化等。但在实践中发现，利用该方法进行重金属的治理，效果并不理想，通常会留有残余，甚至所得到的水体并不符合国家标准，需要进一步处理[10]。而如果沉淀的固体得不到有效地回收，还会造成固体废弃物污染。对此近年来业界进行了沉淀方法的升级，比如利用高分子有机物对铜离子进行沉淀，消除后的污水含铜离子量低于国家标准；而利用含钙磷酸盐对铅离子进行沉淀，也具有较好的处理效果[11]。

3.2 氧化还原法

该方法的原理是基于重金属离子的价态，施加一定的氧化剂或者还原剂，通过化学反应，实得重金属离子能够变为固体，或者变为对环境危害轻的物质。在实践中，一般会将Fe、Cu、FeSO4、NaHSO3、NaBH4作为还原剂，而会将Cl2、O2、O3等作为氧化剂。例如郝汉舟将FeSO4·7H2O作为还原剂，能够将铬离子进行很好地清除[12]。

还有一种氧化还原方式，是为重金属离子的阴极提供电子，使得其能够分离为金属物质，由此实现重金属的回收，但因为需要较大的电能提供，成本较高。对于锎离子来说，基于微电解的方式进行处置，并利用铁与碳形成电位差，将阳极的锎离子进行还原，基于氧化絮凝使得其形成沉淀，效果较好[13]。但无论如何，化学方法的整体成本依然不够理想，如果回收的重金属有较高的价值，则可以抵消这种成本[14]。

4 生物方法治理重金属水污染

采用生物学方法，包括植物修复、微生物修复两种常见的方式。

4.1 微生物修复法

微生物的修复原理为，微生物的细胞表膜利用自身的电荷，直接对一些重金属离子进行吸附；或者微生物所产出的代谢物对金属离子进行固定[15]。通常微生物能够产出糖蛋白、多聚糖、可溶性氨基酸等物质，被称为细胞外聚合物，即EPS，其能够对金属离子结合，固定为沉淀物质。为了提升微生物的修复效率和针对性，也可以对微生物进行定向培养[16]。

4.2 植物修复法

植物修复的原理为，植物通过根部固定、吸收富集、挥发等方式将水体中的重金属转移到其他位置和植物体内。其中最有效的方式，是植物通过自身的新陈代谢，将根部周边水体中的重金属吸附到植物体内，并通过内部新陈代谢的各种生化反应，使得金属在体内富集[17]。对于广泛被污染的水体，比如湖泊，在物理、化学方法难以根除的情况下，适合采用植物与微生物结合的方式进行修复，但需要较长的时间[18]。

5 重金属水污染处理方法的选择与展望

5.1 方法的选择

不同的污水处理需求，有不同的处理方法选择。根据前文的分析可以看出，对于重金属浓度较低的水体，可以采用膜分离技术进行处置，该方法具有成本低的优势。如果重金属浓度较高，则建议采用物理吸附方法，虽然有一定的成本，但效果显著。而对于较高浓度的污水，利用膜分离技术则很难一次性根除污染。对于自然界被严重污染的、面积大的水体，为保持生态环境不受二次破坏，往往会优先选择生物修复方式[19]。

同时对于多数污水处理来说，因为情况复杂，会对多种技术进行结合，比如处理的重金属具有回收价值，而单独采用化学方法处理效果不达标，就建议采用膜分离技术与之相结合[20]。而针对污染物比较多的水体，单一的吸附、过滤等方式不能有效治理时，则需要多种方式轮流治理，最终实现治理效果。

5.2 处理技术的发展展望

重金属的污染类型多样，处理的要求也不一样，对此现有技术也需要创新发展。在物理方法中，离子交换和吸附法的创新之处在于交换剂和吸附剂的不同，比如利用秸秆进行炭化，所生成的生物炭在炭化时间、炭化温度、原料粒径的影响下有不同的吸附效果，但预期创新前景有限；膜分离技术则可以通过有机新材料技术的不断创新，研制具有多种功能与性能的膜，比如孔径可控可变等，使得重金属离子能够分批回收。在化学方法中，最好的创新方向是利用絮凝剂对重金属离子进行沉淀。在生物方法中，应当有效地利用微生物定向繁衍技术、遗传工程甚至基因工程技术，使得菌株对重金属的吸附和富集能力更强，更符合需求。相对其他技术，生物学处理技术的前景更加广阔，更值得期待。

6 结论

重金属污染的危害是极其深远的，现阶段人们已经可以利用多种方法来进行防治，其中物理学方法包括离子交换、吸附、膜分离等技术，化学方法包括化学沉淀法和氧化还原法，生物学方法包括微生物修复和植物修复等。对此应当根据污染的具体情况，比如水体面积、重金属种类和浓度、有无其他污染等，选择合适的治理方法，有必要的情况下还需要结合多种方法来处理。而在未来随着新材料技术、基因工程技术的进一步拓展，再结合信息技术的数据分析与智能控制，人们对重金属污染的处理将更从容。