水中重金屬污染處理方法研究

李欣娟,王文生，唐 亮

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010)

水環境已成為世界各國普遍關注的問題，而重金屬污染是水環境污染的一個重要方面，隨著經濟水平以及工農業的快速發展，水環境中的重金屬污染日趨嚴重已成為一個不爭的事實[1]。重金屬污染物具有不被生物降解，高毒性、高致癌性、污染長期性、易生物富集性等特點，能在動物和植物體內積累，通過食物鏈逐步富集，對環境、生物以及人體健康造成嚴重的危害[2-4]。因此，尋找安全、經濟有效的方法來處理含重金屬廢水成為水環境修復研究中的一個重要課題。傳統的重金屬處理方法主要有化學沉淀法、氧化還原法、電解法、滲透膜法、理化吸附法等，雖然能達到一定的處理效果，但具有成本高、造成二次污染、操作復雜等缺點。相比傳統方法，近年來發展起來的生物法具有高效率、低成本、環境友好、材料來源廣、操作方便簡單等優點，已逐漸成為重金屬水處理研究中的熱點，具有潛在及廣闊的應用前景。

1 傳統的處理方法

傳統的處理污廢水中重金屬污染物的方法主要是有化學方法和物理方法，最常見的有化學沉淀法、氧化還原法、電解法、滲透膜法和理化吸附法等。

化學沉淀法即是向水中投入相應的化學藥劑，使其與水中的重金屬離子發生反應實現溶解性的金屬離子轉化為難溶或不溶的金屬化合物，通過沉淀過濾實現與水分離。主要包括中和沉淀法、鋇鹽沉淀法、硫化物沉淀法以及鐵氧體共沉法。化學沉淀法要求對化學藥劑的投加量嚴格控制，如果投加過量則會造成水體的二次污染，因此一般都需要進行二次處理，處理效果不徹底，且工藝比較復雜，投資高。

氧化還原法常用在重金屬廢水處理中的前處理。一般而言，氧化反應和還原反應是同時發生的，但常習慣性分為藥劑氧化法和藥劑還原法。藥劑氧化法主要用于去除水中Fe2+、Mn2+；而藥劑還原法主要用于去除水中的Cr6+、Cd2+和Hg2+等重金屬離子。

電解法是利用直流電對溶質進行氧化還原反應的過程。這種方法可通過控制電極電勢，將混合金屬離子進行逐級分離，分別回收提純得到純度比較高的單一金屬，便于重金屬的直接回收利用。但電解法存在的問題是耗電量太大，工藝要求復雜，需嚴格控制溶液、pH、空氣攪拌速度等條件來避免陽極鈍化，提高分離效率。

滲透膜法是利用一種特殊膜在某種驅動力下將溶質與水分子隔開，將污染物進行濃縮的方法。在處理廢水中，去除重金屬離子主要采用的膜滲透法有反滲透膜法和電滲透膜法。滲透膜法具有不需要加入化學試劑的特點，因此也沒有二次污染問題，但其膜的價格昂貴，且易污染使得通量降底導致處理效果下降。

吸附法的基本原理主要是物理吸附和化學吸附。物理吸附劑種類繁多，均表達出孔隙發達、比表面積巨大的特點，活性炭是最普遍的物理吸附劑。常用的化學吸附劑有腐殖酸類物質，適用于處理水量大、含多種重金屬離子但濃度低的礦山廢水。

2 生物法

生物法是利用活的生物體或沒有生命的生物材料對水中的重金屬離子進行吸附、運轉、轉化等作用從而達到去除水體中有害重金屬離子的目的。生物法作為一種新型的處理方法，具有高效率、低成本、無二次污染、環保等優勢。其主要包括生物吸附法、生物絮凝法、生物表面活性劑修復、復合硫酸鹽還原菌去除法、納米材料與微生物復合材料等方法。

2.1 生物吸附法

生物吸附法是利用微生物及其衍生物等吸附水中的重金屬離子從而去除水中重金屬離子的方法。生物吸附概念最早是由Ruchhoft[5]在1949年提出來的，從20世紀50年代到現在，生物吸附材料不斷涌現，生物吸附機理研究不斷深入。生物吸附法主要包括微生物吸附法和生物質吸附法。

2.1.1 微生物吸附法

微生物吸附法即利用微生物細胞能夠將水中的重金屬離子吸附到細胞表面，然后通過細胞膜將重金屬離子運輸到細胞體中“積累”起來，對重金屬離子達到去除效果。在20世紀，國外學者Anoop K[6]就通過實驗證明了微生物細胞壁化學功能團(氨基、羧基、磷酸基等)對重金屬離子具有吸附作用。我國學者吳涓等[7]也對黃孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)菌絲球吸附Pb2+的過程和機理進行了研究。與傳統處理方法相比，微生物吸附法具有以下幾個優點：①可以選擇性去除某種重金屬離子；②處理效率高，不引起二次污染；③pH值范圍較寬；④易于分離回收金屬。目前，已研究的關于吸附重金屬的微生物有很多，例如：苦味諾卡菌、水洗工業廢菌、青霉菌、曲霉菌、釀酒酵母、深海細菌[8]、藻類[9]等。

對于微生物吸附處理重金屬離子，目前有研究提出對微生物進行基因工程改造，以加強對重金屬離子的吸附或代謝，從而提高處理效果，此方法在國外研究較多。如美國學者將Hg2+轉運蛋白基因merT和merP與植物螯合肽在大腸桿菌中共同表達使得大腸桿菌能夠結合的Hg2+是一般大腸桿菌的6倍；日本學者將擬南芥的植物螯合肽基因通過基因改造，讓其受固氮基因nifH啟動子的調控，并轉入紫云英根瘤菌中，這種工程菌比未經改造的菌結合土壤中鎘的能力提升9～19倍[10]。

2.1.2 生物質吸附法

生物質吸附法主要是利用廉價或廢棄的天然高分子生物質及其改性材料對水中的重金屬離子進行吸附處理。現在研究十分活躍的生物質吸附材料包括殼聚糖、纖維素、木質素、農林廢棄物等。這些天然高分子生物質資源豐富，與傳統的吸附劑相比，具有可再生、易降解、成本低、環境友好、等優點，利用農林廢棄物處理還能達到以廢治廢的目的，綠色環保。研究發現通過相應的方法化學改性生物質材料，其處理時間縮短，效果提高，特別是對低濃度的重金屬有極強的選擇吸附能力和高吸附量，因此成為目前研究的熱點，其相關報道較多，例如林芳芳等[11]研究的高錳酸鉀改性花生殼、劉恒博等[12]利用氯化鋅改性小麥秸稈、張瑋等[13]利用異丙醇溶液改性橙皮等。研究結果均表明，對生物質材料采用相應的改性措施后，其吸附性能有很大的改善，吸附效果提高，且再生利用性能好，是未來重金屬處理研究發展方向之一。

2.2 生物表面活性劑修復技術

生物表面活性劑是微生物在代謝過程中分泌的具有一定表面和界面活性，同時含有親水基和疏水基的兩性化合物。生物表面活性劑一般由植物、動物或微生物產生，主要分為糖脂類、脂多肽和脂蛋白、磷脂、脂肪酸類、聚合表面活性劑類和微性表面活性劑5大類。生物表面活性劑具有良好的熱穩定性、化學穩定性以及良好的抗菌性能。與傳統化學合成表面活性劑相比，其具有耐溫、耐鹽、可生物降解、環境友好、可原位合成、生產原料來源廣等優點。目前在重金屬污染修復中，研究較多的生物表面活性劑有：鼠李糖脂(rhamnolipid)、槐糖脂(sophorolipid)、枯草桿菌表面活性劑(surfactin)、皂角苷(saponin)等[14]。

2.3 硫酸鹽還原菌去除法

2.4 納米材料與微生物復合材料

納米科技為解決環境問題提供了有力的技術手段，將納米材料與微生物結合形成新型的復合材料用于水中重金屬離子的處理具有潛在的應用前景，成為目前的研究熱點之一。例如由硫酸鹽還原菌(SRB)原位生成納米級的硫鐵化合物而形成生物的硫鐵復合材料(生物硫鐵)兼具有微生物處理和化學處理方法的優點[18-19]。生物硫鐵不但具有較強的還原性還具有磁性和較強的再生性能，特別其磁性吸附作用在低濃度重金屬廢水處理中效果較好。我國學者張云松等[20]還研究了納米TiO2結合酵母菌形成新型復合吸附劑，在特定的條件下可提高對Cu2+的吸附容量。

3 結 語

重金屬污染對人類生活和環境危害大，因此對重金屬污染水的治理是水環境保護中的一項重要內容。利用化學沉淀法、氧化還原法、電解法、滲透膜法、理化吸附法等傳統的處理方法雖然也能達到較好的處理效果，但其普遍存在著運行費用高、投資大、操作復雜、二次污染、處理低濃度重金屬離子效果差或成本高等缺點。生物法作為治理重金屬污染的一項新技術被廣泛關注，是近年來研究的熱點，其具有處理效率高、無二次污染、適用范圍廣、材料來源廣、成本低、操作簡單方便、易于原位修復等優勢，并具有環保特色而其他技術不可比擬。

但是值得注意的是運用生物法處理水中的重金屬雖然效果極好，目前大部分的生物處理技術仍然還是停留在實驗室水平，較少應用于工業生產和環保領域中。由于生物體機制的復雜性，目前對生物體與重金屬離子的相互作用機制的研究理解還有限，生物法本身也存在著一些問題，例如利用微生物處理重金屬離子，微生物生命有限的問題；生物吸附劑來源、種類多樣化，無固定形狀，沒有統一標準的產品；生物吸附劑最終去向等問題。但我認為利用生物法去除水中的重金屬仍然是最具潛力的處理方法，是重金屬處理未來必然的發展趨勢，具有廣闊的應用前景。針對目前所存在的一些問題，建議在今后的研究領域中可以從以下幾個方面實現研究突破：

(1)進一步對生物體對重金屬離子的作用機制進行系統性的總結和深入的理論構建；

(2)研究開發新型高效、低成本、可持續處理大量重金屬廢水的生物處理技術及工藝；

(3)對來源廣泛，成分復雜的生物材料進行處理制成固定化的產品，并制定一定標準進行分類使其便于投入實際應用；

(4)研究環保有效的方式解決生物處理材料的最終處置問題。