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重金属印染污水处理技术
作者:佚名 文章来源:南京蓝污环保 点击数: 更新时间:2015-4-30
 

2011 年 4 月国务院批复的《重金属污染综合防治“十二五”规划》中明确提出建立起较完善的重金属污染防治体系,优化重金属相关产业结构,基本遏制住突发性重金属污染事件高发态势。所以,加强对重金属污染的研究和监测显得尤为重要。

印染企业的生产工艺在各类染料和助剂中添加有不同种类、较大剂量的重金属物质,如在染布过程中利用汞作为红色染料而大量投加; 印花工艺中利高锰酸钾; 同时在酸性染料和酸性媒料中也加有高锰酸钾;在直接染料中加有大量硫酸铜等〔1〕。 对于印染污水,尤其是工业园区集中处理量大的情况下,虽然重金属浓度较低,但总量却不容小视。这些重金属随工艺废水进入污水 处理系统,对废水的好氧生物处理工艺造成严重影响,微生物生长常常受到抑制,特别是冲击负荷波动时,甚至可造成微生物严重脱落,导致污水处理厂瘫痪。

1 水体中重金属的危害
 
重金属在水体中不能被微生物降解,只能以不同的价态在水、底质和生物之间迁移转化,发生分散和富集作用〔2〕。 水体中重金属积累到一定的限度就会对水体、水生植物、水生动物系统产生严重危害,生物体出现受害症状,生理受阻、发育停滞,甚至死亡,并使整个水生生态系统结构和功能受损、崩溃〔3〕。 此外,重金属还具有较高的移动性和较低的中毒浓度,如毒性较强的 Hg、Cd 产生毒害的质量浓度仅为 0.001~0.01 mg/L,使得重金属污染具有一定的隐蔽性和延后性〔4, 5〕。

在环境介质中,重金属种类不同对微生物的影响程度和致毒机制也有不同。 例如锰能增加干扰素产生的能力,而活化的巨噬细胞具有吞噬、杀菌、抑菌和溶瘤作用〔6〕。 而且多种重金属同时作用于同一目标生物体时,存在联合作用,包括协同作用、相加作用、独立作用、拮抗作用等。有学者研究得出:硒对汞损伤具有保护作用〔7〕,但由于硒自身的抗氧化性能,及与镉形成的硒镉复合物可以改变镉在生物体内的分布,使得硒对镉表现出拮抗作用〔8〕;镉与铅、镉与锌具有明显的协同作用,而铅与锌则有较强的拮抗作用〔9, 10〕;铜与铅分别对砷有协同作用,而铅与砷的联合毒性为相加作用〔11〕。

2 重金属的识别
 
重金属已成为环境监测和评价的重要指标之一,人们对土壤环境、饮用水源及海水中重金属建立各种理论识别模型,开展了大量的重金属监测和评价研究,可为其他环境介质中重金属的污染防治提供理论基础和参考依据。

林晨等〔12〕在对南京市六合区的水稻田土壤重金属污染进行评价时利用熵权法建立了基于熵权的属性识别模型,结果表明属性识别理论应用于土壤重金属污染综合评价是可行、合理的。

潘大志等〔13〕采用模糊识别方法对南充市区土壤重金属污染进行评价,利用最优权法确定各评价因子的权重,消除了在确定各指标权重时的主观任意性,增加了评价结果的分辨能力,其结果符合该市区土壤的实际情况。

张长波等〔14〕对某重金属冶炼场地土壤中Cu、Zn、Pb、Cd、As、Se、Hg 含量进行了空间特异值分析,找出污染源位置后利用 Genton 稳健估计量稳定变异函数,根据空间特异值的地理位置及土地利用方式等信息指示各重金属的污染源。 结果表明,上述7 种重金属变异函数曲线的理论模型符合球状模型,且其空间特异值以簇状形式存在于个别小范围内,这与该区域冶炼高炉及尾渣堆放处的位置具有很好的地域相关性,表明该区重金属主要来源于冶炼行为及其相关过程。

卜红梅等〔15〕利用因子分析法对陕西省金水河水体中溶解性重金属进行监测与分析,结果表明,该河段水体中重金属污染源主要来自未经处理的生活污水和农田地表径流; 并根据筛选的 4 个因子得分系数判断出各个因子对该河流水质污染的贡献率。

王银瓶等〔16〕对自行研制的海水重金属元素自动分析仪提出了一种快速的数据自动识别算法。 该算法采用分位数法以剔除实测数据中大误差的算法,结合有限脉冲响应滤波器进行数字滤波,采用窗函数进行平滑滤波,以去除信号中的小噪声;同时为了克服不同金属间互化物对浓度的影响采用切线识别法进行 3 种基线筛选与校正,利用标准曲线法和神经网络法对数据进行自动识别。实验结果表明,该算法用于海水重金属元素的现场快速分析和自动识别取得了令人满意的效果。

张一修等〔17〕利用多元统计方法对 89 个城市土壤样和 78 个道路灰尘样中重金属含量进行对比识别,结果表明,交通排放等人为因素是该地区重金属的主要来源,外来客土也是重金属重要来源;灰尘中的 Pb 主要来源于交通排放和钢铁厂; 而土壤中的Cr 具有复合污染的特征,且主要来源于外来客土。准确地识别了该地区重金属的来源信息,为指导该地区重金属监管和防治工作提供了理论依据。

陈征贤等〔18〕在评价福州市郊菜区 8 个乡镇的土壤环境质量时建立熵权理论的属性识别模型,结果表明,该方法用于环境质量综合评价是可行的,且计算简单、分辨率较高,较为客观地反映了该市郊菜区8 个乡镇的土壤环境质量状况和污染程度,为相关部门提供了较为科学的参考依据。

3 传统的重金属废水处理技术
 
(1)重金属沉淀法。该法是通过投加一些使溶解性重金属的极性改变而析出或者还原成重金属单质的化学物质,从而将重金属从废水环境中沉淀过滤而去除。其常用的方法有氢氧化物沉淀法、硫化物沉淀法、还原沉淀法、絮凝浮选沉淀法和铁氧体法〔19〕。

(2)吸附法。 该法包括物理吸附、树脂吸附和生物吸附。 物理吸附是利用活性炭的高比表面积以及强大的孔隙结构的特点,将废水中重金属吸附在活性炭表面进而被去除〔20〕。 树脂吸附是利用树脂材料独特的选择吸附性能来处理重金属废水。 常见的树脂吸附材料有沸石、壳聚糖类、腐殖酸类等,因其材料易得,价格低廉,去除效果好,在水处理领域具有很好的应用前景〔21〕。近些年来,很多研究者利用各种生物制成生物吸附剂来处理含重金属废水,发现藻类和微生物菌体对重金属有很好的吸附作用,且成本低、吸附量大、选择性好、适用范围广〔22, 23, 24〕。

(3)浮选法。 该法是在废水中通入气体,或者利用电浮选产生气泡,使得胶体颗粒附着在气泡表面,且随气泡的上浮从而实现依附在粒子上的重金属离子分离〔25〕。浮选法对小粒子的去除效果好,运行简洁方便,在一定条件下既可消除重金属污染,又可回收金属,且还能优化某些重金属氢氧化物或碳酸盐过滤困难等问题。

(4)离子交换法。该法是利用离子交换树脂将废水中的重金属离子交换出来,从而实现重金属的去除〔26〕。 但离子交换树脂价格昂贵,其再生费用较高,在一般的污水处理工程中使用较少,而对于少量有回收价值的或有毒的重金属来说,离子交换技术运用较多。

(5)电化学处理技术法。 该法包括电解法、电沉积法。电解法是对含重金属的废水进行电解时,在阴极重金属离子得到电子而被还原沉淀在电极表面或反应槽底部,从而降低废水中重金属含量〔27〕。电沉积法基于传统化学沉淀方法加载电压,通过改变溶液的电势而促进重金属离子沉淀。(6)生物化学法。目前主要采用的生物化学法包括微生物絮凝、生物塘净化和植物修复等方法。该法是基于植物、 微生物本身协同吸附作用或者其代谢产物作为絮凝剂,而将废水中的重金属固定分离的一种绿色环保的方法。 尤其是微生物絮凝法已广泛应用于高浓度有机废水的处理、染料废水的脱色、活性污泥的处理等废物处理〔28〕。

4 新型重金属废水处理技术
 
(1)光催化法。该法利用表面能产生光生电子或空穴等活性物种的光催化剂,通过还原或氧化反应去除重金属。工程中现去除或回收废水中的 Ag、Hg、Cu、Cr、Se 等重金属时多采用半导体 TiO2光催化法,尤其对 CR6+的研究最为广泛。 光催化法耗能低、无毒性、选择性好、常温常压、快速高效,在重金属废水处理中应用前景广阔且日益受到重视。

(2)新型介孔材料 。 介孔材料指孔径介于 2~50 nm 的多孔材料,具有长程结构有序、 孔径分布窄、比表面大、孔隙率高且水热稳定性好等优点。 目前利用新型高效介孔材料吸附剂处理重金属废水仍处于实验室研究阶段。 余驰超等〔29〕利用复合介孔材料体系进行重金属离子吸附实验,用 3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)对高含量硅羟基的 SBA-15 介孔孔道表面进行改性,结果发现改性后的 SBA-15 对金属离子的络合强度要比仅用 APTES 改性的要强,且该复合体系对重金属离子具有选择吸附性能,对含重金属废水的处理效果显著。

(3)基因工程技术。 该技术是通过转基因技术,将外源基因转入微生物细胞中,从而实现对不同类型重金属废水的处理和生物富集〔30〕。 很多研究者在实验室已开展基因工程技术构建高选择性基因工程菌处理各类含重金属废水,实验成效显著,但真正用于一般工程项目或工业水平还存在一些问题,如利用基因工程菌连续化处理重金属废水就面临难题。

(4)胶束强化超滤-电解法。 该法是将膜技术和电化学技术相结合处理重金属废水且能高效回收重金属,具有膜技术和电化学技术共同优点的一种新型水处理技术。 胶束强化超滤是与表面活性剂技术相结合的方法,当表面活性剂浓度超过其临界胶束浓度时,形成大束的含重金属离子的两性聚合物胶束,溶液经过超滤膜时实现胶束和溶液分离;含重金属的浓缩液分离后进一步被电解,回收重金属。胶束强化超滤可去除废水中被溶解的少量或微量的重金属。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

5 结论
 
加强工业园区印染废水重金属的总量控制,减轻重金属对生化处理中微生物的影响,高效降解去除废水中重金属,实现废水净化回用和重金属的回收,单独的一种工艺往往不能很好地达到这一目的。以上所介绍的方法都有各自的优缺点,在使用这些方法的时候需要根据重金属废水的具体特点进行方案的设计,使用两种或者多种方法则可以更好更快地达到治理重金属废水的目的。所以,将来在重金属废水处理领域,各种处理方法的复合应用会收到较好的效果。

 

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