传统工艺和新兴工艺处理重金属废水方法的对比研究

刘 飞，陆浩翔，文 明，徐 达，杨舒凡

（1.浙江天能资源循环科技有限公司 浙江 湖州 313100；2.浙江天能动力能源有限公司 浙江湖州 313100；3.浙江天能电源材料有限公司 浙江 湖州 313100；4.天能帅福得能源股份有限公司浙江 湖州 313100；5.天能电池集团股份有限公司 浙江 湖州 313100）

在工业生产活动中，各种重金属元素发挥了重要的作用，其在金属冶炼行业、机械制造行业以及矿山开采行业中随处可见，这些重金属会与工业废水混合在一起，形成重金属废水，排放到自然界的水循环系统中，会对水环境造成破坏，导致原有的生态平衡被打破[1]。与此同时，重金属具有难降解的特性，它可以在未来几年甚至是几十年的时间里持续表现出毒性。这些重金属废水被排放到土壤生态系统中，会被农作物吸收，并随着人们食用这些农作物或者农产品，通过富集作用进入人体内，危害人类的身体健康。由此可见，对重金属废水的处理效果关系到人类社会的发展，关系到生态系统的平衡，同时也关系到人类的生存和健康。

1 重金属废水污染概述

1.1 重金属废水的来源

在当前的社会背景下，重金属废水的来源途径比较多样，不同产业在发展过程中所形成的重金属种类和数量也存在明显的差异。目前排放重金属废水的行业包括矿山开采、金属冶炼、电解电镀、油漆和颜料生产等。虽然国家已经出台了相关政策对这些企业的污水排放行为进行约束，但仍然存在乱排乱放的问题，还有部分企业存在过度排放和无节制排放的行为。近年来，我国工业发展形式变得越来越多样，发展规模也在进一步拓展，这使得重金属废水的排放量也在增加，水体环境中重金属的类型也在增加，处理起来更加困难。在处理这些废水时，要充分关注重金属的特点，通过转移重金属存在的位置和存在形态的方式来只能降低其危害性，无法直接使其被分解和被破坏，这对处理工艺提出了较高的要求。

1.2 重金属废水的危害

1.2.1 对人体健康造成危害

从直接的角度来说，在水体被重金属污染的情况下，如果人们直接饮用就会危害身体健康。重金属元素进入人体后会抑制酶发挥作用，导致相关生命活动受到影响[2]。同时，重金属元素还会影响人体的神经系统，尤其是对解毒器官带来危害，使人体出现一系列的中毒反应。从间接的角度来说，如果灌溉用的水源被重金属污染，这些重金属元素就会富集到农作物当中，间接地进入人体。同时，这些重金属元素也可以存在于水体中的藻类植物和荷塘底泥当中，被水体当中的鱼类和贝类吸附，人们食用这些水产品后，重金属就会进入体内。间接危害通常并不会在短时间内显现出来，但会带来长期的影响，降低人体的免疫力，使人体处于亚健康状态。

1.2.2 对水生植物造成危害

重金属废水排放后，不仅会对自然水体造成污染，同时还会影响水体中水生植物的正常生长，抑制水生植物的正常生命活动，比如会减缓光合作用和呼吸作用的速度。同时，植物体内酶的活性也会受到一定的抑制，这会导致植物的生长速度减缓，严重情况下还会导致植物走向枯萎甚至死亡。同一种重金属对于不同水生植物的影响存在差异，不同重金属元素对于同一种水生植物的影响也并不相同。

1.2.3 对水生动物造成危害

与水生植物相比，重金属废水对于水生动物的影响和危害更为明显和直接，不仅会影响动物生长发育的速度，同时还会影响其正常的新陈代谢功能。如果水体中重金属的浓度超过一定的限度，其中生活的动物就会出现中毒的症状。比如很多鱼类先会挣扎，经过一段时间后死亡，而乌龟等爬行动物的胚胎发育则会受到影响，容易出现畸形胚胎。除此之外，部分重金属元素还会导致水生动物在发展和繁衍的过程中发生基因突变，导致优质基因无法留存。

2 传统工艺对重金属废水的处理

2.1 物理处理方法

2.1.1 膜分离法

这种处理方法指的是基于外界压力，使用特殊的半透膜将水体中的溶剂和溶质分离。在分离过程中，溶质的物理状态可能会发生变化，但化学形态保持不变。在使用这种方法对重金属废水进行处理时，需要先通过氧化、吸附等方法进行预处理，使其中的重金属离子以微粒的形式存在，然后再利用滤膜清除离子。这种处理方式的操作比较简单，处理成本也比较低，在整个分离过程中都不会造成二次污染[3]。但与此同时，膜组件的设计难度比较高，在前期需要大量的投资，这是阻碍该方法大范围普及的主要原因。

2.1.2 吸附法

这种处理方法主要是利用具有吸附作用的物质来完成对重金属的吸附。这些吸附剂中存在活性基团，在遇到重金属离子后可以发生相互作用，形成离子键或者共价键，将重金属废水中的重金属吸收，因而去除污染因子。同时，在经过组合之后，这些重金属离子还会形成特殊的笼形分子，进一步增强了吸附效果。吸附法在实际应用过程中容易受到温度、酸碱度等因素的影响，处理效果不够稳定，同时对吸附剂的性能要求也比较高。

2.1.3 离子交换法

该方法通过离子交换，可以将重金属废水中的部分重金属离子交换成其他离子，以此达到降低重金属浓度的效果。与其他处理方法相比，离子交换法最大的优势是在对重金属废水进行处理的同时可以对其中的重金属元素进行回收。该方法所使用的材料主要是离子交换树脂，这种材料表现出了较强的可逆性特征，在经过多次使用后仍然可以表现出较好的性能。但这种处理方法的处理成本比较高，前期投入比较大，难以在大规模范围内使用。

2.2 化学处理方法

2.2.1 电化学法

这种处理方法主要利用了电解的原理，通过形成电解池使废水中处于游离状态的重金属离子在阴阳两级发生相应的化学反应，达到重金属被析出的目的。析出的重金属常会附着在电极表面，或者聚集到反应器的底部形成沉淀。由此可见，这种方法在对废水进行处理的同时可以达到重金属回收的目的。但这种处理方法需要大量的能量作为支撑，目前只应用于电镀重金属废水的处理，应用该方法时，工作人员需要对重金属的回收价值与处理成本进行对比分析[4]。

2.2.2 化学沉淀法

通过在重金属废水中投放相应的化学药剂，可以使其中的重金属元素通过沉淀的形式被析出，这是化学沉淀法的应用原理。这种处理方法最大的特点就是处理过程比较简单，没有复杂的操作。由于大多数的重金属离子都可以形成沉淀，因此这种方法的适用范围比较广。但该方法对沉淀剂的要求比较高，工作人员需要选择高品质、适用性强的沉淀剂。为了使重金属离子在形成沉淀的同时不对水体造成二次污染，需要严格控制沉淀剂的用量，用量过多或者过少都会带来不良的影响。

3 新兴工艺处理重金属废水的方法

3.1 生物吸附法

与物理吸附法相比，生物吸附法是利用生物体特有的化学结构和化学特性吸附重金属废水中的重金属离子，再利用固液两相分离的形式将重金属去除。相关人员在研究后发现，自然界存在一些特征性细菌，它们在生长发育的过程中会产生并释放一种特殊的蛋白质类物质，这种物质可以将水体中的重金属离子转化为沉淀，利用这一特性，可以达到重金属吸附和去除的效果。如果重金属废水中的重金属浓度比较低，生物吸附法可以展现出明显的优势，能够在短时间内完成对重金属的处理[5]。同时，生物吸附法对于重金属废水的酸碱度和温度的敏感性比较弱，表现出了较强的适应性。与物理吸附剂相比，生物吸附剂能够直接从自然界中获取，来源更为广泛。常见的吸附剂包括腐殖酸、海泡石等。但这些吸附剂对多种重金属元素会表现出一定的选择性，通常只能吸附其中的一种或者几种重金属。

3.2 生物絮凝法

这种处理方法是利用微生物的代谢产物处理重金属废水，这些代谢产物可以使重金属离子形成絮凝沉淀，最终被析出。这些絮凝剂是由微生物分泌的，成分为多种微分子物质构成的混合物。从分子结构看，该絮凝剂中含有官能团，可以使重金属废水中的胶体由悬浮状态转变为团聚状态，最终形成固体的沉降，并通过固液分离操作被去除。实践证明，有效的生物絮凝作用可以使活性污泥表现出较强的沉降和脱水性能，同时还可以对重金属废水处理后的水质进行优化。生物絮凝剂具有生物分解性，不会对水体环境造成二次污染，同时它们的来源比较广泛，目前已经发现自然界中有17种微生物都可以表现出絮凝作用。但由于生物絮凝剂具有一定的活性，保存起来比较困难，因此难以进行大规模生产。在未来发展过程中，可以通过基因工程对这些微生物进行驯化，培育出具有特殊功能的新菌株，用于特定重金属废水的高效处理。

3.3 植物修复法

这种处理方法是利用植物体对重金属的转移和富集作用来达到重金属废水处理的效果。除了能够处理被重金属污染的水体外，植物修复法还可以处理被重金属污染的土壤。由于植物拥有发达的根系，可以对水体进行过滤，同时植物体还具有吸收、挥发等功能，这是对水体污染物进行分离和去除的基础。除了吸收重金属、使其被富集之外，植物还可以降低水体中重金属的活性，避免重金属通过土壤浸出或者以空气作为载体进行扩散[6]。在实际应用过程中，工作人员会将废水中的元素输送到植物的根系等位置，或者使其聚集到植物体的枝条上，在完成处理之后再去除这些根系或者枝条，这并不会影响植物体的正常生长，而且还可以降低重金属废水中重金属的浓度。目前，在矿山生态系统修复、人工湿地环境重金属废水处理等领域，植物修复法都表现出了明显的优势，得到了广泛的应用。近年来，研究人员还通过盆栽试验对重金属的整个迁移过程进行了追踪，得到了重金属浓度在不同阶段的变化规律和去除规律，并在此基础上对植物体的修复能力进行了计算，使重金属废水处理变得更为有效和精准。

4 传统工艺和新兴工艺处理重金属废水的方法对比

通过上文的分析可以发现，在重金属废水处理领域，传统处理方法主要以化学法和物理法为主，受到各种因素的限制，其中化学处理法比较常用，而物理处理方法还没有得到广泛应用。这些典型的工艺手段虽然可以达到预期的处理效果，在长期的使用过程中也积累了很多经验，相关技术逐渐趋于成熟和稳定，相关设备也处于稳定运行的状态。但在处理过程中需要消耗大量的试剂尤其是化学试剂，如果试剂量控制不当可能会造成二次污染[7]。另外，传统工艺对设备的依赖性比较强，需要大量的电能作为支撑，这导致处理过程的经济性较差。除此之外，在使用传统工艺对重金属废水进行处理时，需要严格控制反应条件，通常情况下需要先对废水进行预处理，使废水的温度和酸碱度保持在合理范围内，因而增加了操作步骤。

新兴工艺主要以生物处理方法为主，在确保重金属处理效果的基础上弥补了传统工艺的缺陷和不足，提高了重金属降解的速度和效果，且日常管理过程也更为简单。在整个处理过程中所产生的能源消耗更低，基本不会出现二次污染，还在一定程度上改善了自然生态环境。但新兴工艺主要是利用微生物或者植物的生长代谢活动来对重金属废水进行处理，在实际应用过程中需要对特定的微生物进行培养，还要关注微生物的保存问题，因此这种处理方法容易受到自然环境的影响，处理效果不稳定，整个修复过程也比较慢。

由此可见，传统处理工艺和新兴处理工艺的特点不同，二者在具体要求和实际处理效果方面也表现出了明显的差异。在实际应用过程中，工作人员可以结合实际情况进行选择，根据重金属废水的特点、需要达到的处理效果以及经济性特征等来选定最适用的处理工艺[8]，也可以通过几种方法联合使用的形式实现传统工艺和新兴工艺的优势结合，以达到处理效果优化的目的。

5 结语

综上所述，在重金属废水处理的传统工艺中，物理处理法存在较多的限制条件，使用范围比较小，而化学处理法的处理过程比较复杂，容易产生二次污染。在今后的发展过程中，需要更多地应用新兴工艺来对废水进行处理，通过生物处理方法达到无公害化处理的目的，该技术对于复杂重金属废水的处理也具有良好的效果。此外，还要持续创新重金属废水处理技术，并在其中融入光催化、基因工程等，以达到在去除废水中重金属物质的同时回收有价值重金属的目的，从而实现对废水的资源化利用，这是未来行业发展的重要方向。