基于反滲透技術的重金屬廢水處理研究

王雁行，何 瀟，王垂漲

（1.浙江中清環?？萍加邢薰?，浙江 杭州 310000；2.嵊州市環境保護監測站，浙江 紹興 312400；3.天能控股集團有限公司，浙江 湖州 313000）

電鍍、采礦、化工作為工業發展中的代表企業，在生產過程中使用的金屬原材料以及各種化學藥劑，會產生一定的化學反應，所以都會帶來一定數量的重金屬廢水。而廢水中的重金屬離子在排放到自然環境中時，只能進行形態方面的變化或轉移，卻無法被自然環境自行降解。這些在未經妥善處理而排放到自然環境后的廢水，不僅會帶來較為嚴重的水體污染以及水生環境被破壞的現象，還會通過食物鏈的持續積累直接危害人們的身體健康。目前，離子交換、電解以及反滲透等在重金屬廢水處理中都是十分常見的技術方法，但由于我國對重金屬廢水排放后的標準要求相對較高，所以，那些數量較大并且內部重金屬元素成分組成較為復雜的工業廢水，就需要應用化學、吸附以及反滲透的技術進行處理。而作為傳統的重金屬廢水處理技術體系中的代表，化學法和吸附法在運用過程中不但需要較高的成本投入，而且還需要使用數量較多的化學藥劑，反應過程還較為緩慢，無法人為控制，最終的重金屬廢水處理效果也不理想。但反滲透技術則是完美規避了這些傳統重金屬廢水處理方法的弊端，不但能將廢水中的貴重金屬離子得以大范圍回收，還能將其他的有害物質一并去除。本文通過研究反滲透技術在重金屬廢水處理中的實際應用領域以及流程，從而為我國今后在重金屬廢水處理中推廣、應用反滲透技術提供參考。

1 重金屬廢水的產生源頭以及帶來的環境污染現狀分析

目前，以我國有關污水排放方面的標準文件來看，重金屬為其中的第一類污染物，所以，需要遵循封閉零排放的基礎原則要求，禁止與其他廢水進行混合處理，且稀釋之后進行擴散的行為也是我國明令禁止的。同時，還需要由相關部門在車間或是處理設施的排出口進行水樣取樣分析，以確保重金屬廢水的排放標準能完全符合目前的相關標準要求。由于金屬行業的生產制造、電鍍、采礦等是當下重金屬廢水的主要來源。其中，又以冶金工業廢水為主；而礦山開采帶來的重金屬廢水整體偏酸性。經相關調查研究發現，重金屬廢水內部的成分組成最為復雜，其中的重金屬元素含量以及種類相對較多，這對于自然生態環境以及水體環境的影響十分巨大[1]。這些偏酸性的重金屬廢水在尚未經過妥善處理之后排放到自然水體環境中，會對原生水體環境及水生生物產生嚴重的影響，也會帶來水生生態內部系統的惡性變化。而重金屬元素在水生生物中的持續積累也會借助食物鏈不斷在人體中進行積累，當重金屬元素含量累積到一定程度的情況下，將會對人體健康帶來極為嚴重的損害。

通常，重金屬廢水中的重金屬元素存在形態、含量和種類也會隨著工業廢水類型的變化而產生一定的不同，其能以氫氧化物、螯合狀態、絡合狀態等多種形式存在，而其中的重金屬以離子形態存在時有著最強的毒性[2]。在人類的歷史發展進程中，痛痛病、水俁病這類疾病是國際社會中最具代表性的重金屬集體中毒事件。在這種情況下，我國黨中央和政府部門高度關注工業生產過程中的重金屬廢水處理，并且早在“十二五”規劃中已經出臺了與之相關的專項規劃。但由于地方政府部門在重金屬廢水治理過程中存在著資金方面的困難，直接影響了整體的污染廢水治理工作進程，并且，部分地方工業企業受經濟效益和治理水平等方面的限制，使重金屬廢水的處理未能得到有效的成本投入，導致污水排放與標準要求存在較大的差距，甚至出現重金屬廢水偷排、亂排的現象。但隨著我國有關重金屬廢水排放以及處理的標準和法規的陸續出臺，國家、地方政府加強了在重金屬廢水技術處理等方面的經濟和政策的支持，使重金屬廢水處理工作得到了明顯的進步和發展。

2 反滲透技術的運作原理分析

目前，在我國工業生產過程產生的各種重金屬廢水中，以游離狀態存在的重金屬離子的數量相對較多，并且成分組成相對較為復雜，但應用反滲透技術能取得較為良好的處理效果。在重金屬廢水具體處理過程中，反滲透技術可以在外界施加作用力的影響下，確保廢水中的溶劑能順利通過半透膜，而重金屬離子則會被隔離在半透膜另一側[3]。由此可以看出，在使用這種技術進行重金屬廢水處理時，外界施加的作用力數值必須要遠遠超過溶液原有的滲透壓，并且還需要選擇在透水性方面有著明顯質量優勢的半透膜。通常，應用于重金屬廢水反滲透處理中的半透膜，其表面的微孔尺寸需要小于一納米，只有這樣才能將重金屬廢水中的重金屬離子和水分子完全隔離。此外，反滲透技術最早是在20世紀70年代開始引入到重金屬廢水處理工作中，最初只是針對電鍍廢水進行滲透處理，但因該技術有著良好的處理效果，并且成本投入相對較低，所以，在重金屬廢水處理行業中得到了廣泛擴展、應用。

3 反滲透技術在重金屬污染廢水處理中的應用領域分析

3.1 電鍍廢水處理中的技術應用分析

在工業企業產品生產過程產生的電鍍廢水和金屬材料漂洗水中，重金屬離子的含量相對較高，尤其是以鉛、鉻、鎘、鎳這四種重金屬元素含量最高，并且其中存在的氰化物、氯化物會產生對自然生態環境和人體健康構成威脅的化學物質[4]。而作為反滲透技術在重金屬廢水處理中的首個應用領域，在電鍍廢水處理工作中，通常使用的是脫鹽以及局部滲透的處理方法，主要是針對廢水中游離狀態存在的重金屬離子進行回收處理。而電鍍鎳廢水中通常會含有數量較多的鎳離子，鎳作為帶有明顯劇毒性質的重金屬離子，也是貴重金屬，因此，鎳的二次回收利用能進一步提高工業企業的經濟效益。以現階段的反滲透技術發展看來，專門用于電鍍鎳廢水的反滲透處理裝置在理論、技術上發展都相對較為成熟，而通常使用的都是內壓管式或卷式的反滲透組織裝件，所以，鎳金屬元素的回收率基本可以維持在99%左右。

3.2 在其他類型廢水處理中的技術應用分析

除了電鍍重金屬廢水之外，冶煉以及采礦行業在生產過程中也會帶來數量較多的重金屬廢水，通常包含銅、鉛、鎳、鉻、銀的此類金屬離子，而其中的鎳、銀作為較為貴重的重金屬離子需要進行回收利用。通常，在針對這些重金屬離子進行反滲透處理后，不但能進一步提高生態環境保護工作的成果，還很好地實現了這類貴重金屬離子的二次回收和利用，也會明顯提高工業企業的生產效益。而在偏酸性重金屬廢水的技術處理過程中，反滲透處理技術的應用會使銅離子的質量濃度控制在0.5 mg/L以下[5]。而且，在處理后的重金屬元素的濃縮液中，銅離子也得到了有效的壓縮處理，回收率基本可以達到100%，這對于提高工業企業的經濟效益有著明顯的促進作用。

4 反滲透技術在重金屬廢水處理領域中的應用流程分析

4.1 廢水的預處理環節

在重金屬廢水的具體處理過程中，應用反滲透技術需優先關注廢水的預先處理，這主要是因為在反滲透技術中運用到的滲透膜對于重金屬廢水中的離子濃度有著一定的數量要求。而且，只有在經過完善的預處理之后，應用反滲透技術才能實現既定的重金屬離子濃度的控制和降低的目的，且反滲透膜的使用壽命也能夠得到有效延長。因此，在使用反滲透技術進行重金屬廢水處理時，主要是依靠反滲透膜在外界施加壓力的情況下，對水分和重金屬離子進行分離。但如果重金屬離子濃度極高，則會帶來滲透壓的升高，這時，反滲透膜的分離性能反而會出現下降問題。因此，相關技術人員需要在廢水正式處理之前，優先針對重金屬離子的原有濃度進行檢測，并通過化學沉淀這類方式對重金屬離子濃度進行削減，隨后再進行反滲透處理。

4.2 操作工藝參數的合理調整

由于重金屬在化學和物理的性質方面有著不同之處，所以，就要求相關技術人員結合重金屬的性質來選擇科學的反滲透技術的工藝處理參數。如對鐵、銅、鋅這類重金屬元素而言，只有選擇最為合適的工藝操作參數，才能發揮出反滲透處理技術的效果，從而最終提高污水的排放水質。通常而言，在重金屬廢水處理過程中應用反滲透技術，相關技術人員需結合重金屬廢水中的主要金屬離子含量濃度的檢測結果來科學選擇反滲透膜。簡單而言，反滲透膜在廢水處理中的重金屬離子和水分的分離效率與pH值之間會呈現出一種明顯的正相關關系，并且反滲透膜的類型差異也會在pH值的要求方面有所反應。一般重金屬廢水的整體pH值需要控制在4～7這一范圍內，且使用的環境溫度要低于40 ℃[6]。但在溫度保持不變的情況下，應用反滲透處理技術會使重金屬廢水的處理濃度隨著膜壓得升高而有所降低。此外，在相關人員確定反滲透膜所用的膜質材料后，還需要控制以及設計重金屬廢水處理過程中的流入量以及處理之后的廢水流出量，以有效削減重金屬元素在反滲透膜表面的堆積，從而避免重金屬元素的長時間積累對反滲透膜帶來的各種不利影響。

4.3 反滲透膜的清洗處理

工業生產企業在進行重金屬廢水的處理工作時，還要考慮到企業自身經濟效益最大化的目標，因此，在應用反滲透技術時不能頻繁更換反滲透膜。但在廢水的反滲透處理裝置長時間運行以后，反滲透膜的表面會持續積累無機污垢和金屬氧化物類污染物，而長期積累將會對反滲透裝置的性能產生明顯影響。在這種情況下，就需要工業生產企業定期組織人員進行反滲透膜的化學清洗以及消毒處理。需要注意的是，相關技術人員需要結合選用的重金屬廢水處理反滲透膜的材質，以及表面積累的污染物具體種類，來科學選擇清洗劑的類型以及使用的數量，并定期進行化學清洗和消毒處理，這樣既可以降低反滲透膜表面污垢積累數量，又能保障反滲透膜的重金屬廢水處理效率。

4.4 廢水的加工處理環節

在針對重金屬廢水進行預處理并合理調整工藝操作參數之后，就可以直接針對重金屬廢水進行處理。其流程是，重金屬廢水在經過水箱、加壓泵以及反滲透膜之后，就可以形成符合我國標準要求的重金屬廢水。而對于二次回收利用的重金屬離子，在具體生產的過程中也會生成一定數量的濃縮重金屬液，可以在廢水處理完畢之后，再經過一系列的化學反應提煉出其中的重金屬離子。需要注意的是，重金屬廢水在整體的工藝操作環節中，環境壓力需要維持在1～10 MPa之間，以確保重金屬廢水能最大程度的通過反滲透膜，并將重金屬粒子進行有效隔離[7]。

在具體的加工處理重金屬廢水過程中，反滲透處理技術的突出優勢是能對帶有明顯放射性的重金屬廢水進行處理。在實際應用中，反滲透技術也可以視為重金屬廢水的終端處理環節，在有效去除廢水中所含有的重金屬離子的同時，還可以對其進行循環利用。如對于帶有重金屬離子的混合污水在經過預先處理之后，可以使用反滲透處理技術裝置進行過濾處理，最終得到的水分可以用作冷卻水和清洗水源。這不僅能降低新鮮水源的使用數量，還會使污水的排放數量得到明顯控制。因此，對于我國水資源匱乏的地區而言，應用反滲透技術有著十分重要的意義。

5 反滲透技術在重金屬廢水處理工作中應用的發展趨勢分析

5.1 成本投入逐漸下降

隨著相關科研技術的持續發展，反滲透技術逐漸在重金屬廢水處理過程中得到了推廣應用，但由于要考慮企業經濟效益的最大化，所以，必須做到逐步削減應用反滲透技術的成本投入。其中，反滲透膜作為反滲透技術處理過程中投入較大的一個環節，其選擇的正確與否對反滲透技術的應用效果以及成本投入都會產生最直接的影響。目前，在我國材料科學持續發展的影響下，已研發出了上百種的反滲透膜，并且價格也較為均衡。這些反滲透膜在重金屬廢水處理的過程中，展現了抵抗重金屬污染等方面的能力差異。此外，隨著重金屬加工處理以及材料科學的持續發展，未來的反滲透膜的材料價格也會逐漸下降，這會使得部分規模較小的工業生產企業也能夠在保障經濟效益的前提下，合理的引入反滲透處理技術。

5.2 在技術方面的創新及組合應用

現階段，用于反滲透技術處理中的反滲透膜污染抵抗能力相對較差。但部分專家學者在認識到反滲透膜的缺陷之后，已開始著手研發污染耐性相對較強的反滲透膜，以及各種特殊的污水處理組件，以進一步降低在重金屬廢水處理過程中反滲透技術對于廢水水質方面的要求，同時，也盡量降低生產成本和處理費用。此外，用于重金屬廢水處理的反滲透技術可以將相關的滲透膜系統與超濾、微濾、納濾等系統進行全方位的結合應用，以便在發揮不同膜分離技術優勢的前提下，組成一個可用于重金屬廢水處理的完善的反滲透處理系統工程，再配合清洗劑、膏劑這類反滲透藥劑的合理應用，反滲透膜的利用率能得到明顯提高。目前，考慮到反滲透處理技術工藝的能耗投入相對較高問題，今后可通過反滲透膜的低壓化處理以及配置方面的優化，并結合工業生產企業在重金屬廢水處理方面的具體需求，開發出處理效果較高、能耗投入相對較低的工藝系統，從而使重金屬廢水的處理效果得到進一步提高。

6 總結

重金屬廢水作為我國工業生產過程中必然產生的一種污染副產物，其中的重金屬離子不可自然降解，有著劇烈的毒性，但鎳、銀、銅這類貴重金屬離子卻有著較高的二次回收價值。而反滲透技術作為我國重金屬廢水處理過程中的現代化技術成果，目前已在各個工業行業的重金屬廢水處理過程中展現出了優良性能，同時，在通過完善的廢水預處理、工藝操作參數調整以及系統運行之后，重金屬廢水中的重金屬離子含量完全符合我國有關標準的具體要求。未來，在金屬處理和材料技術更新的背景下，重金屬廢水處理中的反滲透技術應用成本投入也會逐漸下降，再配合各種系統技術的組合應用以及升級優化，重金屬廢水的處理效果以及重金屬離子的二次利用率都會得到明顯提高。