工業廢水中重金屬離子的處理方法探析

莊 園，孔德超，薛 楠

（1.山東魯金環境工程有限公司，山東 濟南 250000；2.山東省環境保護科學研究設計院有限公司，山東 濟南 250109；3.江蘇中車華騰環保科技有限公司，江蘇 常熟 215500）

引言

在世界經濟高速發展的今天，各個國家都在大力發展工業經濟，而在工業生產過程中，會使用大量水資源。此外，由于人類的過度破壞，自然環境中的水資源處于逐年下降的趨勢，再加上干旱以及人口快速增長等因素，最終使水資源短缺問題更加突出。在工業生產過程中，大量廢水會排放到自然環境中，這些廢水中包含無機污染物與有機污染物。無機污染物中存在的重金屬離子會隨著食物鏈進入人體，如果人體中的重金屬含量超過某一數值，則會誘發程度不等的疾病。比如，當人體中的鋅含量大于標準限值時，會出現嘔吐、胃痙攣等癥狀，并且會誘發腎癌、肺癌等疾病。所以如果不能有效地處理工業廢水中的重金屬離子，就會加劇人體患病的幾率，不利于人體健康以及城市的發展。總之，為了更好地發展經濟、保障人體健康，相關部門和企業需要采取措施妥善處理工業廢水中的重金屬離子，確保可以有效地去除其中有毒、有害的重金屬離子，從而促進工業經濟的良性發展[1]。

1 重金屬離子概述

在工業體系中，化工行業、冶金行業以及電鍍行業的快速發展，使得工業廢水的排放量增加。由于工業廢水中含有重金屬離子，會對生態水環境造成嚴重污染。另外，部分工業企業為了提高經濟收益，不重視廢水處理工作，導致大量未經處理的工業廢水直接排放至自然環境中，不僅破壞了土壤，水資源與空氣質量也每況愈下，從而導致生態發展受到了極大的影響。另外，與其他離子相比，重金屬離子不易在自然環境下降解，而且隨著時間的推移還會逐漸累積，并具有很強的滲透性，一旦進入食物鏈，就會對人類以及其他動物的健康造成威脅。隨著我國不斷加大對工業廢水中重金屬離子的處理力度，使水環境治理工作逐漸取得成效，但是工業廢水中重金屬離子的去除將成為一項長期的任務，這無疑會增加水環境保護部門的工作強度[2]。

2 重金屬離子的危害

在工業生產中，重金屬離子會隨著工業廢水排放到自然環境中。如果將重金屬離子釋放到大氣環境中，則重金屬離子會在大氣環境中長久存在。當人體中的重金屬離子濃度達到一定量時，就會出現重金屬中毒的情況，嚴重危害人體健康。在地殼環境中，鉛、銅、鋅等元素大量存在，并且隨著近年來人類活動的增加，采礦作業以及冶煉工作等均會導致重金屬離子加速進入到自然環境中，如果人體中積累了大量鉛元素，不僅會影響腎臟器官，而且也會誘發高血壓。此外，在城市化高速推進的今天，鎘元素在環境中的含量也在不斷增加，當人體吸入鎘元素后，將會影響正常的化合物代謝，同時也會損害腎臟與肝臟。當農作物中有鎘元素侵入時，不僅會影響農作物的正常生長，由于鎘元素會隨著食物鏈進入人體，還會威脅人體健康。因此，為了保護人類健康，相關部門和企業應高度重視重金屬離子的處理工作[3]。

3 傳統工業廢水中重金屬離子處理技術

3.1 電化學處理技術

電化學處理技術是常見的工業廢水處理手段，但是該技術需要耗費大量的電力資源，因而增加了工業廢水的處理成本。另外，在降解工業廢水時，電化學處理技術有著不可替代的地位，其可以加快工業廢水的降解速度。電化學處理技術主要有三種類型，即：電浮選技術、電沉積技術與電絮凝技術。

3.1.1 電絮凝技術

與其他電化學處理技術相比，電絮凝技術具有操作便捷、處理高效等優勢。該技術作為工業廢水處理的手段之一，所需要的電流強度比較小，并且在反應池的幫助下，可以實現對工業廢水的有效電解，電絮凝反應器示意圖見圖1。

圖1 電絮凝反應器示意圖

在電解池中，陽極材料可使用多種性質類似的金屬材料，例如鋁或鐵等。在一定強度的電流作用下，工業廢水中的重金屬離子會聚集在一起，并且會在廢水中懸浮，隨著通入電流時間的增加，最終所有的重金屬離子會發生凝結現象，粘合為一個重金屬顆粒，從而使工業廢水得到有效處理。電絮凝技術具有良好的穩定性，可以形成較大體積的絮凝物質，因而降低了重金屬離子的處理難度；缺點則是需要較高的處理成本[4]。在應用電絮凝技術時，不需要額外添加化學試劑，因而不會對環境造成二次污染，屬于一種環境友好型技術。在應用電絮凝技術時，技術人員要注意其不能處理無限可溶的污染顆粒，但是對微小膠體粒子具有較高的處理效率。

3.1.2 電浮選技術

在處理工業廢水中的重金屬離子時，電浮選技術的作用十分重要。該技術通常應用于礦山廢水處理領域，另外還可以有效地處理低濃度廢水，且具有較強的適應性，同時操作便捷，處理成本低，不會對環境造成二次污染，處理設備的占地面積較小。電浮選技術主要包括以下步驟：（1）由一個電源和兩個電極組組成反應器，污染物則會在反應器中被吸附。在電解水反應的作用下，溶液會釋放大量氧分子與氫分子，使重金屬離子在此過程中形成絮凝體。（2）利用沉降方式從工業廢水中分離絮凝體。（3）利用過濾手段，完成污染物的收集工作。在反應器的幫助下，可以有效地去除工業廢水中的重金屬離子，而反應器的功耗則會直接影響重金屬離子的去除效率。因此，在設計反應器時，需要合理選擇電極材料，并合理控制電流密度，嚴格控制操作條件，以確保工業廢水中的重金屬離子可以有效且安全地去除干凈[5]。

3.1.3 電沉積技術

該技術可以將工業廢水中的重金屬離子轉化為固體顆粒，并且可以在離子導體中沉積，從而成為離子導體的保護膜，保證了離子導體能夠長時間且安全地使用。與其他技術相比，電沉積技術在使用過程中不會有污泥產生，并且可以控制工業廢水的處理成本，同時也不需要添加任何試劑，所以不存在二次污染問題。電沉積技術所使用的反應器由四部分組成，即：陽極、陰極、電解液與電源，重金屬離子可以在反應器中進行氧化還原反應，并電鍍到陰極表面，從而完成對重金屬離子的處理。工業廢水中重金屬離子的處理效率與廢液的溫度、濃度以及酸堿度有關，可以通過嚴格控制上述影響因素加快重金屬離子的處理速度。

3.2 物理化學處理技術

3.2.1 化學沉淀法

為了處理工業廢水中的重金屬離子，可以采用化學沉積法降低工業廢水中重金屬離子的濃度，確保所處理的工業廢水可以達到國家排放標準要求。通過化學沉積法可以使重金屬離子與沉淀劑發生反應并形成固體顆粒，這種固體顆粒具有不溶于水的特性[6]。隨后，利用沉淀及過濾等手段，將重金屬離子與工業廢水分離。但是在應用化學沉淀法前，需要對工業廢水的化學成分進行分析，然后再利用有針對性的處理手段加快重金屬離子轉變為固體顆粒的速度，具體反應流程如圖2所示。

圖2 化學沉淀法重金屬去除過程示意圖

3.2.2 離子交換法

所謂離子交換法，是指在一定條件下，離子可逆交換在液相與固相之間發生，其交換速度與溶液的溫度、酸堿度以及接觸時間等參數有關。通常來說，利用離子交換法可以將重金屬離子從無機廢水中吸附出來，并且在合適試劑的作用下，可以對重金屬離子進行分離與回收，從而有利于提升重金屬離子的利用率。與其他處理技術相比，離子交換法具有使用成本低、處理效率較高等特點，并且不會產生污泥。圖3為離子交換水處理塔。

3.2.3 吸附法

吸附法是在化學吸附與物理吸附的共同作用下將重金屬離子從工業廢水中分離出來。在應用吸附法時，吸附劑的作用具有以下作用：（1）在吸附劑的作用下，重金屬離子可以從溶液中滲透到吸附劑表面；（2）吸附劑可以有效地吸附重金屬離子。（3）重金屬離子可以滲透到吸附劑中。

吸附劑不僅可以從農業廢料中提取，也可以從天然材料中提取，所以吸附劑的來源十分廣泛。

4 工業廢水中重金屬離子處理的新興技術

4.1 膜過濾技術

膜過濾技術包括超濾、微濾、納濾、反滲透與電滲析。超濾膜、微濾膜屬于多孔膜，可以在小于0.2 MPa的壓力下工作。納濾膜的孔徑為1 nm，其工作壓力最大可以為2 MPa。對于反滲透膜來說，由于其為無孔結構，所以需要與納米孔膜配合使用。電滲析膜屬于分離膜，由陽離子或陰離子交換材料構成，通常在不大于0.3 MPa的條件下使用[7]。

4.2 光催化技術

作為一項新型技術，光催化技術可以利用一定波長的光，在無毒半導體的幫助下完成重金屬離子的處理工作。光催化技術不僅可以高效率地完成重金屬離子去除作業，而且使用成本低廉，因而具有廣闊的應用潛力。光催化反應是光催化技術的核心，光催化半導體包括硫化物型與氧化物型，光催化半導體具有良好的抗腐蝕性，并且不會破壞環境[8]。

4.3 納米技術

隨著材料技術的不斷發展，應用納米材料同樣可以有效去除工業廢水中的重金屬離子。在處理工業廢水過程中，可借助納米材料出眾的化學反應特性以及極高的比表面積，加快重金屬離子的去除效率。

近年來，納米磁性氧化物的出現，進一步提升了納米材料的吸附特性。與其他納米材料相比，納米磁性氧化物的穩定性更好，比表面積更大，所以成為了工業廢水處理領域主要使用的納米材料。此外，在納米顆粒材料中，納米零價鐵同樣可以加快工業廢水中重金屬離子的去除效率，并對重金屬離子進行轉化，降低其危害程度。最后，隨著納米技術的不斷發展，磁性納米顆粒憑借其低廉的價格，成為工業廢水處理工作中主要使用的納米材料，并且磁性納米顆粒去除重金屬離子的效率同樣十分顯著。

5 結語

綜上所述，重金屬離子在工業廢水中大量存在，如果僅依靠自然條件進行處理是非常困難的，并且隨著重金屬離子在自然水環境中濃度的逐漸提升，將會對人體健康以及水環境穩定發展帶來負面影響。因此，為了改善水環境質量，消除重金屬離子帶來的風險，相關研究人員要重視工業廢水中重金屬離子處理方法的研究，不斷提升重金屬離子處理效果，從而確保水環境質量可以持續變好。