工业废水中重金属离子的常见处理方法

摘 要：本文针对工业废水中重金属的性质，对化学沉淀法、生物絮凝法、浮选法、离子交换法和膜过滤法处理含重金属离子废水的不同物理化学生物方法进行了阐述，并比较了这几种方法的优缺点与操作条件对比。

关键词：工业；废水；重金属；离子

工业废水的治理是水污染控制的主要任务之一。工业废水中通常含有大量的重金属离子，这些离子具有极大的危害性，很容易被有机体吸收，当浓度超过一定限度，就将对人体造成健康损害。因此，对这些废水在排放前进行适当的处理尤为重要。因废水中的重金属离子种类不同，在溶液中存在的形念各异，所以处理方法也不一样。

一、化学沉淀法

化学沉淀法被广泛应用于工业废水重金属离子的去除。溶解的金属离子在pH值调整到11后，与沉淀剂(如石灰)转化为不溶的固体，其中比较典型的是氢氧化物。用石灰分别处理初始浓度为450mg/L与1085mg/L的Zn(II),Mn(II)离子。Zn(II)与Mn(II)虽然初始浓度不同，但当pH值为11时，它们均可降低至5 mg/L以下（这仍然不能满足苛刻的环境排放要求，还需要进一步采用物理化学方法处理)。虽然试验的结果不尽相同，但都表明pH值调节到碱性(pH=11)是化学沉淀法有效去除重金属离子的重要参数，因此，石灰和氢氧化钙是最普遍使用的沉淀剂。化学沉淀法的突出优点是过程简单、设备投资少、操作方便安全等。缺点是不仅需要大量的沉淀剂，还必须对其反应所产生的废浆作进一步处理。

二、生物絮凝法

生物絮凝法是利用微生物或微生物的代谢物，进行絮凝沉淀的一种除污方法。微生物絮凝剂是由微生物自身构成的，具有絮凝作用的天然高分子物，它的主要成分是糖蛋白、粘多糖、纤维素和核酸等。通常情况，线性结构的大分子絮凝效果较好，而支链或交链结构的大分子效果较差。由于多种微生物具有一定线性结构，有的表面具较高的电荷和较强亲水性，能与颗粒通过各种作用(如离子键、吸附等)相结合，象高分子聚合物一样起絮凝剂作用。已发现17种微生物有较好絮凝功能，如霉菌、细菌、放线菌和酵母等。有多种微生物可用于重金属的处理。该方法的优点是安全无毒，不产生二次污染，絮凝效率高，且生长快，易于实现工业化等。此外，微生物可以通过遗传工程，驯化或生成有特殊功能菌种，发展前景理想。

三、浮选法

浮选法是利用气泡从液相中分离固体或其他液体的方法，具体是指附着在气泡上的粒子可随气泡的上浮将依附在粒子上的重金属离子加以分离。浮选法是一种物理分离过程，它在去除废水中的重金属离子上很有潜力。浮选法分为以下几类:分散空气浮选法；溶解空气浮选法；真空空气浮选法；电浮选法，生物浮选法。

其中，溶解空气浮选法是处理含重金属离子废水最普遍的方法。该方法对小粒子有良好的去除效果、处理时间较短、费用较低，是一种有潜力的废水处理方法。

四、膜过滤法

膜过滤法不仅能去除悬浮固体物与有机物，还能高效地去除无机污染物，比如重金属物质。在处理无机废水中，根据保留颗粒的尺寸大小，可选择超滤、纳米过滤以及反渗透法等不同的过滤方法。

（一）超滤法

超滤法应用透过膜分离无机废水中的重金属。透过膜的尺寸范围为5～20nm，可以使水以及低分子量的溶质通过，大分子(分子量1000～100000)以及悬浮的固体颗粒物等其他物质则被截留下来。

（二）反渗透法

反渗透技术是一种由压力驱动的膜分离技术:溶液中的水通过膜，而金属离子则被截留下来。与超滤法和纳米过滤相比，反渗透法分离无机废水中的金属离子效率最高。化学沉淀法中，pH值为影响重金属离子去除效率的关键因素，而反渗透法中则为压力。压力越高，离子去除效率越高，但能耗也越大。使用反渗透法，水的通量高、去除离子效率高、对生化毒物不敏感，并且机械强度、化学稳定性、抗高温性能等均好；不过，污染废水中存在的阳离子如Cd(II),Cu(II)，使膜不可恢复的污塞，增加了操作费用。膜的分离效率是随使用时间的延长而降低的，从而也降低了渗透的速率。这种方法的总体缺点就是能耗较高。

（三）纳米过滤

纳米过滤膜介于超滤膜与反渗透膜之间。它的分离机理包括原子筛分效应与电效应。纳米膜上的带电离子与液体中的离子形成离子对，同时后者被除去。这种膜的小孔道以及表面电荷使得尺寸小于孔道的离子能被去除。纳米过滤法比反渗透法需要的压力低，因此，操作费用也较后者低。一般说来，纳米过滤法可以处理含重金属离子浓度大于2000mg/L的无机废水。在多种膜分离方法中选择最合适的，主要考虑以下几方面因素:废水的性质、金属离子在水中的本性与浓度、pH值与温度。除此之外，膜还要和投料溶液与清洁剂相配套，以使表面污塞最小。

五、离子交换法

离子交换法是利用离子交换剂分离废水中有害物质的方法。应用的离子交换剂有离子交换树脂、沸石等。离子交换树脂有凝胶型和大孔型，前者有选择性，后者制造复杂、成本高、再生剂耗量大，因而在应用上有很大的局限性。离子交换是靠交换剂本身自由移动的离子与被处理溶液中的离子通过离子交换来实现的。推动离子交换的动力是离子间浓度差和交换剂上的功能基对离子的亲和能力。多数情况下离子先被吸附，再被交换。离子交换剂具有吸附、交换双重作用。这种材料的应用越来越多，如膨润土，它是以蒙脱石为主要成分的粘土，具有吸水膨胀性好、比表面积大、较强的吸附能力和离子交换能力。天然沸石是含网架结构的铝硅酸盐矿物，其内部多孔，比表面积大，具有独特的吸附和离子交换能力。研究表明，沸石从废水中去除重金属离子的机理，多数情况下是吸附和离子交换的双重作用。随流速增加，离子交换将取代吸附作用占主要地位。通过吸附和离子交换再生过程，废水中重金属离子浓度可提高30倍。用沸石去除铜，在NaCl再生过程中，去除率达97％以上，可多次吸附交换，再生循环，而且去除率并不降低。

六、电化学处理技术

（一）电渗析

利用只能选择性地通过阳离子或阴离子的阳离子交换膜和阴离子交换膜，使之互相交替排列，构成多电室电渗析槽。膜堆两端分别设置有阴、阳电极，进入电渗析器的溶液在外加直流电场作用下，阴、阳离子各向相反方向电极方向移动，因而形成浓室和淡室相间的格局。将浓缩液和淡化液分别从浓室和淡室引出，便可达到重金属浓缩分离和淡化的目的。

（二）膜电解

膜电解是一种电势作用下的化学过程。它可被用于金属离子的纯化。阴极有两类：传统的金属阴极、高比表面的阴极。电解发生时，正极发生氧化反应，负极发生还原反应。这一方法被有效地应用于碳电极废水中Cr(VI)的去除上。缺点是能耗较高。

（三）电沉积

为了更有效地去除废水中的重金属离子，研究者将电压加到传统的化学沉淀方法中。根据电极的不同，电沉积可以分别应用于酸性和碱性溶液中。

七、处理废水中重金属离子的不同物理化学方法的比较

比较不同废水处理方法的性价比，要充分考虑pH值、投料量、初始离子浓度及金属离子去除率。综合分析各项资料，我们得出:当初始浓度为100mg/L时，离子交换法几乎全部消除了Cd(II),Cr(III) ,Cu(II),Ni(II)和Zn(II)等离子，这一结果可以同反渗透法相比；当初始浓度大于1000mg/L时，石灰沉淀法是最有效的处理方法之一；当离子初始浓度为50mg/L时，浮选法几乎和反渗透法一样可以完全处理废水中的离子，费用则更低。

参考文献：

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