水體重金屬污染處理方法與應急處置策略研究

李 霞李 華 焦曉燕 王慧賢

（1.山西大學環境與資源學院,山西 太原 0 300061；2.山西農業大學〔山西省農業科學院〕,山西 太原 030031；3.太原理工大學機械與運載工程學院,山西 太原 030024）

近年來，我國出現了較大的突發性重金屬污染事件，湖南瀏陽鎘污染事件便是典型的例子。重金屬行業容易存在違規開采現象，超標排污等相關問題不斷發生，這實際也是引發水體產生突發性重金屬污染的重要原因。通過調查研究，發現當前在重金屬污染事件應急處理方面所使用的方法比較有限。因此，針對性研究重金屬水體污染的應急處置技術以及方法，具有較強的實踐作用和有效性，可在將來的重金屬水體污染處置中發揮重要的作用。

1 水體重金屬處理方法分析

1.1 膜生物反應處理法

膜生物反應技術的原理就是以膜分離的方式來進行重新組合，膜分離需在一定的驅動力作用下對分離混合物中的離子與顆粒進行選擇性透過。膜在離子范圍內分離而不發生變化，其厚度為微米，膜的分離與保留性能由其孔徑大小所決定。膜可以分為微濾膜與反滲透膜，依照膜的分離特性可將其區分為致密膜與多孔膜。而膜生物反應器就是膜分離技術和生物化學相結合形成的新工藝，其以膜組件取代傳統生物處理技術末端二沉池，在生物反應器中保持高活性污泥濃度，提高生物處理有機負荷，從而減少水體金屬處理設施占地面積，并通過保持低污泥負荷減少剩余污泥量，主要利用膜分離設備截留水中的活性污泥與大分子有機物。由于具備截留性，其能夠保留世代時間較長的微生物，可實現對污水深度凈化，同時硝化菌在系統內能充分繁殖，硝化效果明顯，為深度除磷脫氮提供可能。膜分離和結合時還能實現物質濃縮和分離，進行水體金屬處理。圖1為膜生物反應技術運用原理圖。

圖1 膜生物反應技術運用原理

作為水體金屬處理中應用的新型技術，膜生物反應技術在實際應用當中的占地面積較小，且不會產生污泥沉降的問題，能夠進一步提升水體重金屬處理效率及質量，這是該項技術的應用優勢，相比于其他污水處理技術而言，其操作更加簡便，沒有繁雜的操作程序。膜生物反應技術中曝氣系統的使用以新型透氣膜為基準，這與過往使用的透氣膜相比，其傳質阻力較小，且具備抗高壓的能力，能夠避免因外部環境因素的影響而無法正常運行，防止此類現象的發生，為供氧系統的穩定運行提供有效保障[1]。

1.2 化學處理法

采用化學技術需要依托化學反應的原理針對性除去水體中的重金屬相關離子，主要采用的化學法涉及堿性沉淀、氧化還原、硫化物沉淀、絡合法、電化學法以及組合或其他化學沉淀等。堿性化學沉淀法主要是有效調節水體的pH值，將其調減到弱堿性范圍，進而促使相關重金屬離子產生難溶的金屬氫氧化物，或者使其產生化學變化形成碳酸鹽，去除重金屬離子，適用的金屬離子主要以鉻、汞和鉛等為主[2]。硫化物沉降法主要是將硫化鈉等物質投放到相關化學反應中，使其反應得到金屬硫化物，而這種物質通常難溶于水，其適用對象以鉛和汞等特殊重金屬為主，在其他化學沉淀法主要是借助氧化還原反應，通過這種反應來轉化金屬離子價態，完成價態轉化工作后借助化學沉淀的方式，適應對象主要集中在砷和鉻(Ⅵ)等重金屬。上述重金屬沉降去除法采用的工藝參數如表1所示。

表1 常見重金屬沉淀法處理工藝參數

對于表中的重金屬元素進行分析，化學沉降法除砷主要是借助AsO4的3價負離子和諸如3價鐵、鋁離子以及2價鈣離子等形成難溶鹽，進而在此基礎上借助沉淀以及過濾的方式有效去除這些難溶鹽。在實際處理的過程中，需要將三價砷轉化成五價砷，所采用的氧化劑主要以軟錳礦等為主，通過這種方式除去水體重金屬，比如，可以采用零價鐵和被污染的三價砷進行氧化還原，將其中的單質砷還原出來，在該反應中，還會伴隨著一些鐵氧化物，對于這些物質可以借助吸附的方法將其有效去除[3]。在除砷環節可采用漂白粉，通過氧化作用，并使用石灰乳來調節pH值，將該值調節到11左右便可以達到除砷需求。對于Hg(Ⅱ)的還原而言，可以借助生物觸媒，置換出單質汞，再借助高錳酸鉀或者是濃硫酸溶液有效氧化回收汞蒸汽，在30h內需要將水中5～10 mg/L的汞濃度降低到120μg/L；在除鉛時，可以借助高錳酸鉀和活性炭的工藝措施，在該工藝環節中，預氧化劑主要是高錳酸鉀，同時還會出現高比表面積、高活性的中間產物新生態水合二氧化錳，在此基礎上應用活性炭的吸附性，去除鉛離子[4]。采用電化學法去除水體重金屬，其需要經歷的過程有電絮凝、電氣浮和電氧化等，比如，在除砷的環節中，可以借助電凝聚法，所采用的陽極材料主要以鐵或者鋁為主，通過此方法得到的氫氧化物可以用來做絮凝劑與砷酸根離子進行反應。

1.3 固定化微生物處理法

固定化微生物技術是將特選的微生物固定在載體上，使其高度密集并保持生物活性，在適宜條件下使其能夠快速、大量增殖。這種技術應用于廢水中的水體重金屬處理，有利于提高生物反應器內微生物尤其是具備特殊功能微生物的濃度，有利于微生物抵抗不利環境的影響，有利于反應后的固液分離，縮短處理所需的時間。利用固定化微生物技術提高廢水處理效率的工藝方法也被稱作“生物增效”，其適用的領域非常廣泛，例如：化糞池、隔油槽、排水管、城市污水處理廠以及工業廢水等。一般而言，針對特殊污染源，來自天然環境的微生物消耗很快、效率低下，即使有快速的繁殖能力仍無法負荷。因此，生物增效的作業過程如果依循自然的方式，向目標添加定制的、具有已知降解能力的微生物制劑（固定化微生物），處理效果則有明顯的提升。

2 水體重金屬污染處理方法在應急處置場景使用中受限情況

（1）膜生物反應處理法在水體重金屬污染應急處置場景的應用中存在一定的局限，雖能可有效控制污泥，但會導致內部膜的使用時限縮短，對其使用壽命造成較大的影響，這一點與傳統型污水處理技術相比，其缺點太過于明顯。在實際運用中，如果污水泥沙較多，且使用時間較長，就會對使用的設備造成損壞，致使其不能正常運行，這也正是當下相關部門在開展水體重金屬污染處理工作時，沒有選擇該項技術的原因所在，主要就是擔心設備使用壽命，如果在使用途中出現無法正常使用的問題，就會對水體重金屬污染處理工作的開展造成阻礙，不僅影響工作進度，還會增加成本費用。

（2）化學處理法在實際應用中需要的藥劑來源相對廣泛，即便污染事件多次發生，但在自然水體中產生污染現象時，水體中的重金屬通常情況下會以沉降的方式沉到水底中，此外，重金屬還會伴隨著懸移質或者是推移質進行遷移。采用諸如電化學法等相關化學法，容易導致操作方式較為復雜，且在操作過程中需要使用相關設備，但這些設備往往難以在現場中使用，在時間比較短的重金屬污染治理中很難適用，導致該方法在實際水體重金屬污染處理應急處置的場景中難以發揮自身效能及作用[5]。

（3）由于水體重金屬污染處理應急處置場景較為特殊，固定微生物處理法實際操作雖簡便，經濟性較好，但存在無法實現高精確處理的問題，在實際處理中去除重金屬離子的速度較慢，整體效率較低，在應急處置場景下應用，無法第一時間取得成效，最終就會阻礙整個水體重金屬污染處理應急方略的具體實施，無法在該情形下得到充分利用，難以完全去除水體中的重金屬物質[6]。

3 處置突發性重金屬水污染應急方略

3.1 重金屬水污染團擴散程度分析

在實際工作開展中，根據污染團擴散先后順序進行分類，可以將其分為產生污染團、豎向混合、橫向混合以及縱向混合。結合生物膜技術的應用，在完成豎向混合后，一般情況下近河床剪切離散容易對其產生影響，有效強化了縱向彌散，使得污染團在這種狀態下容易被拉伸成具有帶狀特征的污染物。而在穩態污染源的排放過程中，將推流遷移和縱向彌散進行對比發現，污染物在縱向混合傳質過程中產生的影響并不大。而在瞬時排放的污染團中，縱向彌散所表現出來的強度實際更容易對污染帶長度產生影響。而采取措施來清除排放到自然界的污染物，其產生的成本通常都和污染團擴散程度息息相關，在該程度增加的過程中，其指數級也不斷增加。因此，在沒有完成豎向混合之前需要對污染團的擴散程度進行控制，而最佳的水污染處置措施通常情況下是將污染團及時移出主干渠，但這種處理措施的實行前提是需要有效研究限制污染團豎向彌散和橫向彌散的裝備與技術。至于明渠河流，由于河渠的深度和寬度一般成反比，通常寬度較深度大，因此，其中的水溶性污染容易呈豎向彌散狀態，這就容易加快縱向彌散拉伸速度，且在橫向擴散方面容易隨河床形貌等產生變化[7]。

3.2 重金屬水污染橫向混合前應急措施

應急處理重金屬水污染可采取設堰的措施將相關污染物從主干渠中引出，一旦污染物成為橫向斷面混合，就容易對引流除污產生較大的影響，很難發揮其除污價值。對此，可以設置導流堰，通過導流堰將污染帶導出主干渠，進而在此基礎上有效采用靜態處理措施，這實際是在突發性重金屬污染事件中采用的一種有效的應急處置技術。污染物在整個斷面完全混合后，呈現出來的水量比較大，同時在水流相對緩的前提下，借助吸附壩的污染去除方式，呈現出來的效果也比較好。但對于傳統吸附壩而言，過壩的流速容易受到阻力的影響，在大量的河流明渠中，需要過濾的面積比較大，進而導致水力壅高也隨之增高，一般的堤壩實際很難滿足條件，這也是當前在很多重金屬污染處理中沒有直接采用這種方式的主要原因。如果能有效研發出和傳統吸附壩效果相近但產生的阻力較小的新型吸附壩，就能夠解決污染物擴散產生的相關問題，同時，這種方法能夠為放流稀釋降低污染物濃度法的應用提供優質的條件。主要的原因是在放流稀釋的過程中，可以有效提高污染團遷移速度，但呈現出來的稀釋作用相對有限。吸附壩有阻滯緩釋污染物的作用，可通過放流來水的措施稀釋污染物。

對水體突發重金屬污染團擴散的不同階段所采取的應急處置方略可總結為“圍”“追”“堵”“截”。在污染團進入水體伊始且尚未充分擴散時，可采取“圍”與“追”兩種方式，通過運用圍欄、無紡布或是多級石灰堰等設施將污染團限定在一個小的區域內，在流速小時可將污染區的水抽至安全地區處理（“圍”），在類似溢油污染應急處置時使用圍油欄，以移動式處理設備追蹤污染團并清除其中的污染物（“追”），如2016年在進行山西省昔陽縣楊家坡水庫水污染應急處置時采用環保疏浚船。若污染物尚未完成橫向混合，且沿河渠有引流條件，則宜將污染帶引入并堵在池塘、濕地等處進行靜態處置（“堵”），如2017年在進行山東臨沂邳蒼分洪道砷污染應急處置時，依托現狀地形開挖導流溝，在導流溝內修建吸附壩，并布置抽排水設施。若污染物已完成橫向混合，則需通過設置大流量、低流阻的吸附壩或混凝沉淀等方式對污染物進行截留削減（“截”），如2018年廣西龍江發生鎘污染事件，通過投加生石灰與聚合氯化鋁沉淀混凝方式除鎘。

4 結語

針對水體突發重金屬污染團擴散，需要結合不同階段情況采取專業的應急處置措施，在污染團進入水體的初始階段且沒有全面擴散的情況下，比較適合的處置方法是采用圍欄、多級水灰堰或者是無紡布等相關設施，進而有效將污染團限制在相對較小的空間中，而在流速相對較小的情況下，應將污染水體抽離到比較安全的地帶進行處理[8]。有效去除水體重金屬離子的方法主要有物理化學法、化學法以及生物法。此外，還需要深層次研究應急處置方法，采取針對性的突發性重金屬水體污染應急處置策略，滿足突發性重金屬水污染的重金屬離子去除需求，優化突發性重金屬水污染應急處置措施，從而實現保護環境以及提供優質水源的目標。