工业废水重金属污染的识别与高效去除技术

工业废水重金属污染的识别与高效去除技术

陈环  李思明

武汉森泰环保股份有限公司，湖北 武汉 430070

摘要：本文回顾了当前工业废水中重金属污染的检测方法，包括传统的化学分析技术和现代的传感器技术。之后探讨了高效去除工业废水重金属的新技术研究进展，着重介绍基于生物技术和纳米材料的去除方法。生物技术因其经济可行和环境友好的特点而备受关注，而纳米材料由于其出色的吸附能力和可定制性在处理工业废水中也表现出巨大潜力。最后，本文对利用纳米材料进行废水处理的应用前景进行了评估，并提出了相应的发展建议。

关键词：工业废水；重金属污染；检测方法；生物技术

一、引言：

随着工业化进程的加快，工业活动排放的废水引发了重金属污染问题，这些污染物对环境和公共健康构成了长期威胁。重金属离子如铅、镉、汞等由于其生物累积性和持久性而尤为危险。因此，发展有效的污染物识别与去除技术迫在眉睫。随机技术的不断进步，重金属的检测方法变得更加快速和精确，同时新型的去除技术也在不断涌现。

二、工业废水重金属污染的识别与监测方法探究

在对工业废水中的重金属污染进行识别和监测时，采用精确高效的方法至关重要，以确保环境安全和人体健康。当前，重金属污染物的监测技术主要包括原子吸收光谱法（AAS）、原子荧光光谱法（AFS）、感应耦合等离子体质谱(ICP-MS)和X射线荧光光谱法(XRF)等。原子吸收光谱法以其操作简便、灵敏度高和可靠性强被广泛应用于镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)等重金属的测定，尤其在处理含重金属离子较少的样品时表现出色[1]。然而，这一技术显著受到基体效应的影响，且同一时间只能测定一个元素。

原子荧光光谱法是另一种常用的检测技术，具备检测限低、专属性强等优点。AFS在分析微量汞(Hg)、砷(As)等污染物时表现有优异的检测性能。然而，该技术的仪器设备成本较高，维护和操作也相对复杂。

ICP-MS则因其极高的灵敏度、宽泛的线性动态范围和多元素同时检测能力，在重金属污染物的鉴定和定量中发挥着巨大作用。ICP-MS尤适合于那些对元素种类和浓度要求极为严格的分析场合。但其复杂的样品前处理和相对较高的运营成本仍然制约了其在日常监测中的应用普及。相比之下，X射线荧光光谱法凭借无需复杂前处理、可同时测定多种元素等特性，在工业现场重金属快速检测领域展现出巨大潜能。但该方法的准确度可能会由于样品的物理形态或化学状态而受到影响。

三、高效去除工业废水重金属污染的新技术研究进展

先进氧化过程(AOPs)通过产生高活性的羟基自由基等强氧化剂对难降解的有机物或部分重金属进行矿化或转化，显示出较好的处理效果。AOPs包括臭氧、超声波、光催化和Fenton反应等方法，其中，光催化利用半导体材料在光照下产生电子-空穴对，驱动反应生成羟基自由基，进一步与重金属发生反应，实现其去除。但AOPs的能耗及其生成的次生污染物需被进一步研究以确保环境安全。另一方向是生物吸附技术，此方法使用微生物、藻类、真菌或植物等生物材料吸附和集敛水体中的重金属离子。这些生物材料提供大量官能团如羧基、酚羟基等用于与重金属离子形成络合物，从而降低其浓度。生物吸附技术相较传统物理化学方法成本较低，且更为环保，但其速率可能较慢，且要考虑生物材料的回收和再生问题。

纳米技术在重金属去除领域也表现出巨大的潜力。利用纳米材料的高比表面积和强吸附性能，可以高效地吸附水中的重金属。例如，磁性纳米材料可以方便地通过外加磁场从水体中分离，简化了分离过程。同时，纳米零价铁(NZVI)等还原性纳米材料可将特定的重金属离子还原为不溶物沉降去除。但这些技术在实际应用中可能会遇到纳米材料的稳定性、毒性以及可能的二次污染问题。膜技术也是近年来治理工业废水的重要手段。特别是纳滤和反渗透技术可在分子水平上分离重金属离子，去除率高且可以针对特定的重金属设计膜材料。然而，膜污染和膜的长期耐用性依然是其发展的挑战。

四、基于生物技术的工业废水重金属污染快速去除方法研究

生物吸附法依靠微生物细胞壁表面的官能团（如氨基、羧基、磷酸基等）与重金属离子形成配位键而实现去除作用。例如，采用改性的细菌、真菌或酵母等，其对特定重金属离子有较好的寻针效果和较高的吸附容量。此外，死亡微生物细胞因存在大量易于与金属离子反应的官能团，而在生物吸附中也得到了广泛的应用[2]。生物絮凝法通过释放自然絮凝剂的微生物来捕获和沉降重金属，该方法操作简单，可以有效去除水体中的悬浮颗粒物和胶态物质，同时将重金属离子固定在絮凝体中。但该技术需要控制适宜的pH和电导条件来加以优化。

植物修复技术借助于某些植物的耐受性和积累性将重金属从废水中取出，该方法对环境干扰小，但是其处理时间相对较长，且需要后续对植物处理，限制了其实际应用范围。微生物修复技术利用特定微生物的代谢活动直接或间接地影响重金属的生物可利用性和毒性。例如，某些微生物能够将溶解态的重金属还原为不溶性固态，促使之在废水中沉淀下来。但是，这种方法通常情况下需要在风险可控范围内使用。

生物反应器（Biosorber）是近年来新兴的一种基于生物技术去除重金属离子的装置，它可以通过内部填充具有良好吸附重金属能力的生物材料（如活性污泥、微生物菌膜、生物聚合物等），以连续流或流转床模式运行，实现对废水中重金属的快速去除。这种方法具备操作灵活、可控性强等优势，成为一种较有前景的生物技术去除方法。

五、利用纳米材料在工业废水处理中高效去除重金属污染的应用前景评估

不同类型的纳米材料如纳米吸附剂、纳米催化剂、纳米膜、以及纳米零价铁等，均已在实验室研究中显示了过硬的重金属去除性能。具体来说，纳米吸附剂因其巨大的比表面积和高密度的活性吸附位点，对于铅（Pb）、镉（Cd）、汞（Hg）等离子表现出极高的吸附容量和快速的吸附动力学。特定表面修饰后的纳米材料更是可以实现对目标重金属离子的选择性吸附，显著提升处理效率。

在实际应用前景评估中，几个关键要素需着重考虑。首先是成本问题，纳米材料的合成和制备成本较高，这直接影响了其在工业规模上的经济可行性[3]。其次是稳定性与再生性，长期运行中纳米材料的稳定吸附性能和容易的再生处理能力，对于实现其商业化应用至关重要。此外，纳米材料可能的生态毒性和人体健康风险也是不能忽视的问题，在工业应用中必须确保纳米材料经处理后不会对环境造成二次污染。

在这一背景下，开发新型低成本、高稳定性、易回收利用且环境友好的纳米材料成为研究的重点。多功能一体化纳米材料的研究，如将催化降解与吸附相结合的复合纳米材料，或是表面修饰使之既能吸附又能检测重金属的智能纳米材料等，都可能为工业废水的高效处理带来突破。

五、结语：

通过对工业废水中重金属污染的识别、监测以及去除技术的探讨可以看出，虽然已取得一定的研究进步，但仍需对现有技术进行改进和优化。基于生物技术和纳米材料的污染去除方法显示出了优异的处理效果和广阔的应用前景。未来的研究应进一步关注这些技术的成本效益、操作简便性、稳定性、以及长期环境影响，并努力开发出更加高效、安全和环境可持续的重金属去除方法。

参考文献：

[1]陈转琴.基于重金属污染水体的环境保护技术应用分析[J].黑龙江环境通报,2023,36(05):151-153.

[2]张倩,曾静,彭琼.工业企业水污染环境监测中重金属污染的控制措施[J].中国金属通报,2022,(02):144-146.

[3]范真真,赵艺,李崇等.硫酸工业废水重金属铊污染管控现状与建议[J].无机盐工业,2022,54(06):6-12.