水体重金属污染处理方法与应急处置策略研究

李 霞李 华 焦晓燕 王慧贤

（1.山西大学环境与资源学院,山西 太原 0 300061；2.山西农业大学〔山西省农业科学院〕,山西 太原 030031；3.太原理工大学机械与运载工程学院,山西 太原 030024）

近年来，我国出现了较大的突发性重金属污染事件，湖南浏阳镉污染事件便是典型的例子。重金属行业容易存在违规开采现象，超标排污等相关问题不断发生，这实际也是引发水体产生突发性重金属污染的重要原因。通过调查研究，发现当前在重金属污染事件应急处理方面所使用的方法比较有限。因此，针对性研究重金属水体污染的应急处置技术以及方法，具有较强的实践作用和有效性，可在将来的重金属水体污染处置中发挥重要的作用。

1 水体重金属处理方法分析

1.1 膜生物反应处理法

膜生物反应技术的原理就是以膜分离的方式来进行重新组合，膜分离需在一定的驱动力作用下对分离混合物中的离子与颗粒进行选择性透过。膜在离子范围内分离而不发生变化，其厚度为微米，膜的分离与保留性能由其孔径大小所决定。膜可以分为微滤膜与反渗透膜，依照膜的分离特性可将其区分为致密膜与多孔膜。而膜生物反应器就是膜分离技术和生物化学相结合形成的新工艺，其以膜组件取代传统生物处理技术末端二沉池，在生物反应器中保持高活性污泥浓度，提高生物处理有机负荷，从而减少水体金属处理设施占地面积，并通过保持低污泥负荷减少剩余污泥量，主要利用膜分离设备截留水中的活性污泥与大分子有机物。由于具备截留性，其能够保留世代时间较长的微生物，可实现对污水深度净化，同时硝化菌在系统内能充分繁殖，硝化效果明显，为深度除磷脱氮提供可能。膜分离和结合时还能实现物质浓缩和分离，进行水体金属处理。图1为膜生物反应技术运用原理图。

图1 膜生物反应技术运用原理

作为水体金属处理中应用的新型技术，膜生物反应技术在实际应用当中的占地面积较小，且不会产生污泥沉降的问题，能够进一步提升水体重金属处理效率及质量，这是该项技术的应用优势，相比于其他污水处理技术而言，其操作更加简便，没有繁杂的操作程序。膜生物反应技术中曝气系统的使用以新型透气膜为基准，这与过往使用的透气膜相比，其传质阻力较小，且具备抗高压的能力，能够避免因外部环境因素的影响而无法正常运行，防止此类现象的发生，为供氧系统的稳定运行提供有效保障[1]。

1.2 化学处理法

采用化学技术需要依托化学反应的原理针对性除去水体中的重金属相关离子，主要采用的化学法涉及碱性沉淀、氧化还原、硫化物沉淀、络合法、电化学法以及组合或其他化学沉淀等。碱性化学沉淀法主要是有效调节水体的pH值，将其调减到弱碱性范围，进而促使相关重金属离子产生难溶的金属氢氧化物，或者使其产生化学变化形成碳酸盐，去除重金属离子，适用的金属离子主要以铬、汞和铅等为主[2]。硫化物沉降法主要是将硫化钠等物质投放到相关化学反应中，使其反应得到金属硫化物，而这种物质通常难溶于水，其适用对象以铅和汞等特殊重金属为主，在其他化学沉淀法主要是借助氧化还原反应，通过这种反应来转化金属离子价态，完成价态转化工作后借助化学沉淀的方式，适应对象主要集中在砷和铬(Ⅵ)等重金属。上述重金属沉降去除法采用的工艺参数如表1所示。

表1 常见重金属沉淀法处理工艺参数

对于表中的重金属元素进行分析，化学沉降法除砷主要是借助AsO4的3价负离子和诸如3价铁、铝离子以及2价钙离子等形成难溶盐，进而在此基础上借助沉淀以及过滤的方式有效去除这些难溶盐。在实际处理的过程中，需要将三价砷转化成五价砷，所采用的氧化剂主要以软锰矿等为主，通过这种方式除去水体重金属，比如，可以采用零价铁和被污染的三价砷进行氧化还原，将其中的单质砷还原出来，在该反应中，还会伴随着一些铁氧化物，对于这些物质可以借助吸附的方法将其有效去除[3]。在除砷环节可采用漂白粉，通过氧化作用，并使用石灰乳来调节pH值，将该值调节到11左右便可以达到除砷需求。对于Hg(Ⅱ)的还原而言，可以借助生物触媒，置换出单质汞，再借助高锰酸钾或者是浓硫酸溶液有效氧化回收汞蒸汽，在30h内需要将水中5～10 mg/L的汞浓度降低到120μg/L；在除铅时，可以借助高锰酸钾和活性炭的工艺措施，在该工艺环节中，预氧化剂主要是高锰酸钾，同时还会出现高比表面积、高活性的中间产物新生态水合二氧化锰，在此基础上应用活性炭的吸附性，去除铅离子[4]。采用电化学法去除水体重金属，其需要经历的过程有电絮凝、电气浮和电氧化等，比如，在除砷的环节中，可以借助电凝聚法，所采用的阳极材料主要以铁或者铝为主，通过此方法得到的氢氧化物可以用来做絮凝剂与砷酸根离子进行反应。

1.3 固定化微生物处理法

固定化微生物技术是将特选的微生物固定在载体上，使其高度密集并保持生物活性，在适宜条件下使其能够快速、大量增殖。这种技术应用于废水中的水体重金属处理，有利于提高生物反应器内微生物尤其是具备特殊功能微生物的浓度，有利于微生物抵抗不利环境的影响，有利于反应后的固液分离，缩短处理所需的时间。利用固定化微生物技术提高废水处理效率的工艺方法也被称作“生物增效”，其适用的领域非常广泛，例如：化粪池、隔油槽、排水管、城市污水处理厂以及工业废水等。一般而言，针对特殊污染源，来自天然环境的微生物消耗很快、效率低下，即使有快速的繁殖能力仍无法负荷。因此，生物增效的作业过程如果依循自然的方式，向目标添加定制的、具有已知降解能力的微生物制剂（固定化微生物），处理效果则有明显的提升。

2 水体重金属污染处理方法在应急处置场景使用中受限情况

（1）膜生物反应处理法在水体重金属污染应急处置场景的应用中存在一定的局限，虽能可有效控制污泥，但会导致内部膜的使用时限缩短，对其使用寿命造成较大的影响，这一点与传统型污水处理技术相比，其缺点太过于明显。在实际运用中，如果污水泥沙较多，且使用时间较长，就会对使用的设备造成损坏，致使其不能正常运行，这也正是当下相关部门在开展水体重金属污染处理工作时，没有选择该项技术的原因所在，主要就是担心设备使用寿命，如果在使用途中出现无法正常使用的问题，就会对水体重金属污染处理工作的开展造成阻碍，不仅影响工作进度，还会增加成本费用。

（2）化学处理法在实际应用中需要的药剂来源相对广泛，即便污染事件多次发生，但在自然水体中产生污染现象时，水体中的重金属通常情况下会以沉降的方式沉到水底中，此外，重金属还会伴随着悬移质或者是推移质进行迁移。采用诸如电化学法等相关化学法，容易导致操作方式较为复杂，且在操作过程中需要使用相关设备，但这些设备往往难以在现场中使用，在时间比较短的重金属污染治理中很难适用，导致该方法在实际水体重金属污染处理应急处置的场景中难以发挥自身效能及作用[5]。

（3）由于水体重金属污染处理应急处置场景较为特殊，固定微生物处理法实际操作虽简便，经济性较好，但存在无法实现高精确处理的问题，在实际处理中去除重金属离子的速度较慢，整体效率较低，在应急处置场景下应用，无法第一时间取得成效，最终就会阻碍整个水体重金属污染处理应急方略的具体实施，无法在该情形下得到充分利用，难以完全去除水体中的重金属物质[6]。

3 处置突发性重金属水污染应急方略

3.1 重金属水污染团扩散程度分析

在实际工作开展中，根据污染团扩散先后顺序进行分类，可以将其分为产生污染团、竖向混合、横向混合以及纵向混合。结合生物膜技术的应用，在完成竖向混合后，一般情况下近河床剪切离散容易对其产生影响，有效强化了纵向弥散，使得污染团在这种状态下容易被拉伸成具有带状特征的污染物。而在稳态污染源的排放过程中，将推流迁移和纵向弥散进行对比发现，污染物在纵向混合传质过程中产生的影响并不大。而在瞬时排放的污染团中，纵向弥散所表现出来的强度实际更容易对污染带长度产生影响。而采取措施来清除排放到自然界的污染物，其产生的成本通常都和污染团扩散程度息息相关，在该程度增加的过程中，其指数级也不断增加。因此，在没有完成竖向混合之前需要对污染团的扩散程度进行控制，而最佳的水污染处置措施通常情况下是将污染团及时移出主干渠，但这种处理措施的实行前提是需要有效研究限制污染团竖向弥散和横向弥散的装备与技术。至于明渠河流，由于河渠的深度和宽度一般成反比，通常宽度较深度大，因此，其中的水溶性污染容易呈竖向弥散状态，这就容易加快纵向弥散拉伸速度，且在横向扩散方面容易随河床形貌等产生变化[7]。

3.2 重金属水污染横向混合前应急措施

应急处理重金属水污染可采取设堰的措施将相关污染物从主干渠中引出，一旦污染物成为横向断面混合，就容易对引流除污产生较大的影响，很难发挥其除污价值。对此，可以设置导流堰，通过导流堰将污染带导出主干渠，进而在此基础上有效采用静态处理措施，这实际是在突发性重金属污染事件中采用的一种有效的应急处置技术。污染物在整个断面完全混合后，呈现出来的水量比较大，同时在水流相对缓的前提下，借助吸附坝的污染去除方式，呈现出来的效果也比较好。但对于传统吸附坝而言，过坝的流速容易受到阻力的影响，在大量的河流明渠中，需要过滤的面积比较大，进而导致水力壅高也随之增高，一般的堤坝实际很难满足条件，这也是当前在很多重金属污染处理中没有直接采用这种方式的主要原因。如果能有效研发出和传统吸附坝效果相近但产生的阻力较小的新型吸附坝，就能够解决污染物扩散产生的相关问题，同时，这种方法能够为放流稀释降低污染物浓度法的应用提供优质的条件。主要的原因是在放流稀释的过程中，可以有效提高污染团迁移速度，但呈现出来的稀释作用相对有限。吸附坝有阻滞缓释污染物的作用，可通过放流来水的措施稀释污染物。

对水体突发重金属污染团扩散的不同阶段所采取的应急处置方略可总结为“围”“追”“堵”“截”。在污染团进入水体伊始且尚未充分扩散时，可采取“围”与“追”两种方式，通过运用围栏、无纺布或是多级石灰堰等设施将污染团限定在一个小的区域内，在流速小时可将污染区的水抽至安全地区处理（“围”），在类似溢油污染应急处置时使用围油栏，以移动式处理设备追踪污染团并清除其中的污染物（“追”），如2016年在进行山西省昔阳县杨家坡水库水污染应急处置时采用环保疏浚船。若污染物尚未完成横向混合，且沿河渠有引流条件，则宜将污染带引入并堵在池塘、湿地等处进行静态处置（“堵”），如2017年在进行山东临沂邳苍分洪道砷污染应急处置时，依托现状地形开挖导流沟，在导流沟内修建吸附坝，并布置抽排水设施。若污染物已完成横向混合，则需通过设置大流量、低流阻的吸附坝或混凝沉淀等方式对污染物进行截留削减（“截”），如2018年广西龙江发生镉污染事件，通过投加生石灰与聚合氯化铝沉淀混凝方式除镉。

4 结语

针对水体突发重金属污染团扩散，需要结合不同阶段情况采取专业的应急处置措施，在污染团进入水体的初始阶段且没有全面扩散的情况下，比较适合的处置方法是采用围栏、多级水灰堰或者是无纺布等相关设施，进而有效将污染团限制在相对较小的空间中，而在流速相对较小的情况下，应将污染水体抽离到比较安全的地带进行处理[8]。有效去除水体重金属离子的方法主要有物理化学法、化学法以及生物法。此外，还需要深层次研究应急处置方法，采取针对性的突发性重金属水体污染应急处置策略，满足突发性重金属水污染的重金属离子去除需求，优化突发性重金属水污染应急处置措施，从而实现保护环境以及提供优质水源的目标。