天然植物材料处理电镀废水的研究现状

电镀废水是一种典型的重金属污染废水，同时具有较高的循环利用价值。在介绍电镀废水的特点、常见治理方法的基础上，综述了天然植物材料处理电镀废水技术的应用情况和发展前景。
0 前言
电镀是当今世界三大污染工业之一[1-2]。电镀废水成分复杂，其处理过程可分为三个阶段：第一阶段主要是氰化物、六价铬的化学处理；第二阶段是研究其他重金属废水以及酸碱废水处理技术；第三阶段开始重视综合防治、资源回收、节约用水和闭路循环等新技术。目前，大多数种类的电镀废水都已有了比较有效的处理方法。为了有效、深度、廉价处理电镀废水，常规单一的处理方法已不能满足要求，多元化新型处理技术越来越受到重视[4-5]。
天然植物材料是大量存在且基本或完全失去使用价值、无法回收利用的排放物，同样也是环境污染物，国内外许多学者致力于将其应用于去除废水中的重金属。研究表明：利用花生壳、木屑、人工湿地、藻类、改性膨润土、麦草、玉米轴穗、玉米茎杆、稻壳、大麦壳、碎木片、棕桐果枝、锯屑、树皮、树叶、香蕉木髓、蔗渣木髓、水生植物等廉价吸附剂去除电镀废水中的重金属是有效的。
1.处理电镀废水的常用方法
电镀废水成分复杂，处理技术也是多种多样，总的来讲可分为化学法、物理法、物理化学法和生化法等。上世纪80年代以多元组合技术为主；目前以成本较低、技术较成熟的化学法为主，同时适当辅以其他的处理方法。
化学法是目前最常用的处理电镀废水的方法。通过向水体中投加一定的化学药剂，从而改变水体中污染物的性质，使其与水体分离或达到无害化的目的。化学法主要包括：化学沉淀法、化学还原法、化学氧化法、铁氧体法及中和法等。
物理法是利用物理作用分离废水中呈悬浮状态的污染物，被处理物质的化学性质不改变，该法处理条件温和，操作安全，深度净化的处理水可以回用。物理法主要包括：蒸发浓缩、晶析及分离等。
物理化学法是通过物理和化学的综合作用，使废水得到净化。常用的物理化学法有：离子交换法、电解法、活性炭吸附、斜发沸石吸附法、麦饭石吸附法等。
生化法主要是利用微生物的生命活动过程，对废水中的污染物进行转移和转化作用，从而使废水得到净化的方法，是用生物来治理电镀废水的高新技术。活性炭-生物膜法是将活性炭的富集作用和生物膜的降解作用相结合，有望成为处理含氰废水较有前途的方法之一。
2.天然植物材料处理电镀废水的原理
国内外采用物理法、化学法、生物法治理电镀废水的研究很多，但这些方法存在耗量大、成本较高及再生会产生二次污染等缺陷。利用天然植物材料通过吸附、降解、絮凝、沉降等物理或物化法能有效地去除电镀废水中的多种金属离子。此法操作简单可靠、投资少、运行成本较低。改性花生壳、木屑、椰子壳等天然植物材料具有很大的比表面积，能够有效地吸附废水中的悬浮物和有机物，絮凝、沉淀继而除去；湿地植物的根和茎叶能够吸收、富集、降解电镀废水中的Cr，Zn，Fe，Mn，Ni和Cu等重金属，进而使电镀废水达到排放标准。类似天然植物材料还有藻类、改性膨润土、麦草、玉米轴穗、玉米茎杆、稻壳、大麦壳、碎木片、棕桐果枝、锯屑、树皮、树叶、香蕉木髓、蔗渣木髓、水生植物等。这些天然植物材料是生活、工业中的废弃物，大部分被当作燃料或废渣弃去，造成自然资源的极大浪费。回收利用不仅节能环保，而且达到以废治废的效果。近年来，将天然植物材料用于其他废水处理方面的研究也有报道[9-11]。
3.天然植物材料处理电镀废水的应用情况
3.1 利用花生壳处理电镀废水
花生壳中含有大量碳水化合物及粗纤维，还有单宁类化合物。它是一类多酚化合物，能够和许多金属离子发生较强的配位作用形成稳定的五元环结构，因此是极为有效的离子交换物质，容易与重金属离子发生置换反应以达到沉淀重金属离子的目的。
谷亚昕将花生壳洗净、烘干、破碎，得到花生壳粉，研究了以花生壳粉为主要原料，对含Cd2+，Pb2+废水进行了吸附实验。实验结果表明：pH值、废水中Cd2+及Pb2+的质量浓度、吸附时间等因素均能影响花生壳粉对Cd2+，Pb2+的吸附效果；在Cd2+，Pb2+的质量浓度均为30 mg/L，pH值为6，搅拌2 h，花生壳粉的质量为0.25 g的条件下，Cd2+，Pb2+的去除率分别达到92.2 %和90.0 %。
唐志华等将处理好的花生壳粉50 g置于250 mL的圆底烧瓶中，加入一定量的酸性甲醛溶液(甲醛与硫酸的体积比为1∶5，硫酸的浓度为0.1 mol/L，甲醛的体积分数为37 %)，置于80℃的水浴锅中加热回流3 h后，将花生壳粉进行抽滤去除溶剂，残留粉渣用蒸馏水洗至pH值>5，最后在50℃下烘3 h，即得到改性处理的花生壳。采用改性花生壳处理废水中的重金属，考察了反应时间、处理剂加入量、pH值及反应温度对酸性废水中重金属离子吸附性能的影响。结果表明：用酸性甲醛溶液对花生壳进行适当改性，并将改性产物用来去除水中的重金属离子是可行的。处理重金属废水时，较佳的工艺条件为：控制pH值为7，在每100mL废水中加入2.5 g改性花生壳，在40℃下搅拌60 min。在此条件下，去除率可达90 %以上。
李山以花生壳为原料，HNO3为改性剂，对花生壳进行改性制备吸附剂，并研究了其吸附水中Pb2+的性能。结果表明：在2.0 g花生壳中加入体积分数为10 %的HNO3溶液25 mL，温度控制在80℃，搅拌3 h，得到改性的花生壳。用改性花生壳吸附Pb2+的最佳条件为：改性花生壳0.2 g，含有质量浓度为97.5 mg/L的Pb2+的溶液25 mL，pH值5.0，搅拌60 min。在此条件下，去除率可达97 %；吸附后的花生壳用0.5 mol/L的HCl溶液再生，重复使用2次，对Pb2+的去除率在92 %以上；相比于未改性花生壳对Pb2+的去除率(87 %)，有明显提升。通过HNO3对花生壳进行改性制备吸附剂，制备方法简便、吸附性能高、易再生、能重复使用，扩大了吸附剂的原料来源，为花生壳的综合利用提供了一条有效途径。
3.2 利用木屑处理电镀废水
木屑是来源于木材加工行业的废弃物，其对废水中的重金属有很好的吸附作用。聂锦霞以废弃物松树木屑作为吸附剂，吸附电镀废水中Zn2+及CODCr。研究了溶液的pH值、温度、搅拌速率、Zn2+及CODCr的初始浓度、固液比等因素对吸附剂吸附Zn2+及CODCr的影响。结果表明：在pH值为9，反应温度为25℃，木屑的质量浓度为30 g/L时，对电镀废水中Zn2+及CODCr均具有高效吸附能力。说明木屑的吸附效率很高，而且在这一pH值下，色度<5，滤液无色透明，符合第二类污染物最高允许排放标准。
周隽等以木屑和花生壳作为吸附剂，进行了吸附去除水中三价铬的实验。研究了溶液的pH值、三价铬的初始浓度及温度等对这2种吸附剂去除三价铬作用的影响。对吸附曲线作了线性拟合，确定了相应的平衡吸附率；在三价铬的初始质量浓度为1，5，10和20 mg/L时，木屑对其的平衡吸附率分别为81 %，68 %，56 %和40 %；花生壳则依次为77 %，63 %，53 %和42 %。
3.3 利用藻类处理电镀废水
藻类吸附面积大，且具有良好的选择性，其对重金属具有很强的吸附和富集作用，可在较短时间内达到吸附平衡。其原料廉价易得，可筛选适宜的藻类作为吸附剂的生产原料，在适宜的条件下进行人工培养。其既适合于含低浓度金属离子的水体，又适合于含高浓度金属离子的水体，不产生二次污染。所以藻类细胞是极佳的金属吸附材料。
骆巧琦等利用正交实验分析了温度和重金属离子的浓度等对3种藻粉(小球藻粉、螺旋藻粉、海带粉)吸附电镀废水中重金属离子(Pb2+，Cu2+，Zn2+)的影响，同时比较了活藻和藻粉对重金属离子的吸附。结果表明：藻粉和活藻对3种重金属离子的去除吸附顺序为Pb2+>Cu2+>Zn2+；3种藻粉在温度为40℃，重金属离子的浓度为6 mmol/L时，均达到最大吸附率，每种藻粉对重金属离子的吸附率与重金属离子的浓度呈正相关。死藻对重金属离子的吸附率明显大于活藻的，所以死藻在工业上运用更具优势。
3.4 利用人工湿地处理电镀废水
湿地是分布于陆生生态系统和水生生态系统之间具有独特水文、土壤、植被与生物特征的生态系统，又可以分为天然湿地和人工湿地两大类。高拯民和李宪法认为，湿地处理系统是将污水有效地投配到土壤经常处于饱和状态，生长有像芦苇、香蒲等沼泽水生植物的土地上，污水在沿一定方向流动过程中，在耐水植物和土壤联合作用下得到净化的一种土地处理系统。该方法是利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，来实现污水净化的一种新型污水生态处理工艺。
湿地填料的化学特性使它有很强的吸附和鳌合金属离子的能力。滞留在湿地填料中的重金属离子，有些可以在湿地内形成稳定的金属化合物沉淀，通过沉积作用逐渐转移到填料层的底部得到去除。
当金属离子的浓度较高时，植物同化对它的去除率仅为1 %左右，主要还是依靠土壤的吸附和沉淀的形式来去除的。李星等利用人工湿地植物对电镀废水的净化和修复效果进行了研究。通过对垂直流和水平潜流人工湿地系统进行采样和分析，研究了垂直流湿地(一级湿地)中水葫芦、稗草和水平潜流湿地(二级湿地)中蔗草、黄菖蒲、芦苇、千屈菜、美人蕉等对金华市某电镀厂经预处理后的含Cr，Zn，Fe，Mn，Ni和Cu的电镀废水的处理能力。结果表明：60天后二级湿地中千屈菜、蔗草、美人蕉长势最好，黄菖蒲正常生长，芦苇几乎停止生长；而一级湿地中水葫芦、稗草生长较缓慢。植物对电镀废水的净化和修复，因植物种类、部位、生物量、重金属种类等而不同。一级湿地中水葫芦对电镀废水的净化和修复效果强于稗草；二级湿地中蔗草、美人蕉对电镀废水的净化和修复效果最好。通过分析，二级湿地植物优势明显，其中，蔗草、美人蕉、黄菖蒲、千屈菜是值得推荐的修复中低浓度电镀废水的优良品种，在污染物负荷较高的一级湿地，应尽可能选用多种抗逆性强的湿地植物品种组合栽植。
4.结语
用天然植物材料等吸附剂处理废水可大大降低废水的处理成本。由于原料丰富、价格便宜、制备工艺简单、使用方便，使得该方法具有明显的经济效益、社会效益和环境效益。是循环经济和清洁生产在环保产业中的一种典型模式，应该加强其在环境保护各产业中的应用研究。
天然植物材料直接用于电镀废水的处理虽然具有一定的效果，但是处理深度不足。应加强对天然植物材料进行简单、经济、有效的预处理，通过对天然植物材料的改性，使天然植物材料的吸附性能、絮凝能力、机械强度等得到改善和加强，进而达到理想的处理效果。因此，在进一步探讨天然植物材料处理废水机理的基础上，寻求合适的天然植物材料，采取经济有效的改性方法，寻求与之相适应的吸附工艺和配套水处理工艺将是该技术的一个关键性环节。