实验室处理废水中镉离子的研究进展

论述了镉的危害及污染来源，概述了物理、化学及微生物法处理含镉废水，并提出了含镉废水处理研究的进展及有待解决的问题。现今研究的生物强化法是一种很有前途的方法。在概述物理、化学及生物方法处理含镉废水现状的基础上，系统阐述生物强化技术处理重金属废水的研究进展。与普通生物吸附法相比，生物强化技术能提高生物的处理效率，加强生物的稳定性，增强生物的抗毒性。
镉对人体的毒害引起了世界各国的重视，含镉废水的来源包括金属矿山的采选、冶炼、医药、电镀、纺织印染及某些照相废液等。以各种化学形态存在的镉，在进入环境或生态系统后就会存留、积累和迁移，对生态环境造成危害。如1968 年日本发现的骨痛病，便是镉中毒的范例。由于镉对人体的毒害作用严重，国标GB 8978 1996 污水综合排放标准明确规定镉是一类污染物，最高允许排放质量浓度为0.1 mg/L，不能稀释处理。而一般工厂的含镉废水在处理前镉的浓度都远高于国家标准。本文通过对含镉废水处理技术的现状进行系统剖析，指出处理技术的发展趋势，为含镉废水处理新技术的开发提供参考。
1 .含镉废水处理技术的现状研究
1.1 化学法
现国内外采用化学沉淀法处理含镉废水的应用较多，也是处理含镉废水的一种主要方法，该法具有工艺简单、操作方便、经济实用的优点，特别适用于镉离子浓度较高的水体中镉的去除。
1.1.1 化学沉淀法
目前沉淀法是处理含镉废水的一种主要方法，常用沉淀剂为氢氧化物[3，4]、硫化物、聚合硫酸铁、磷酸盐及由以上几种混合组成的混合沉淀剂。向含镉废水中投加化学沉淀剂发生反应，生成难溶的化学物质Cd(OH)2，CdS，Cd3(PO4)2等，使污染物呈沉淀析出，再将沉淀从溶液中分离出来。如姜述芹采用调节—混凝—沉淀—过滤工艺，使用Mg(OH)2处理含镉废水。通过实验得出利用氢氧化镁处理0.5 L 混合废水最佳实验条件为： Mg(OH)2用量0.7 g，室温操作，搅拌时间10 min，沉降时间30 min。结果表明，其对Cd2 + 具有很好的吸附效果，处理后的重金属离子含量显著低于允许的最高排放浓度。为使镉加速沉淀，常需要向废水中投加絮凝剂，如聚合硫酸铁、聚合硫酸铝、生物絮凝剂等。一般工业废水中污染物成分较复杂，当加入沉淀剂后，有些离子会影响Cd2 + 的沉淀，有的阴离子会与Cd2 + 形成络合离子，令镉离子很难除去。因此要用酸或碱调整Cd2 + 生成氢氧化物沉淀的条件，从而使污染物质形成氢氧化物沉淀，加以分离。沉淀法能除去废水中的大部分Cd2 +。
1.1.2 铁氧体法
铁氧体沉淀法就是使废水中的各种金属离子形成铁氧体晶粒并一起沉淀析出，从而使废水得到净化，是根据湿法生产铁氧体的原理发展起来的一种新型处理方法。首先在含镉废水中投加适当的硫酸亚铁，然后加碱中和至pH 为9 - 10，加热即出现黑色沉淀，通压缩空气使之氧化即可形成铁氧体晶体并使镉离子进入铁氧化晶格中，根据铁氧体具有强磁性的特点，用高梯度磁分离技术使固液分离，水可排放，铁氧体堆存。该法处理含重金属离子的废水能一次脱除多种金属离子，形成的沉淀颗粒大，易于分离，颗粒不会再融解，一般不会造成二次污染，同时铁氧体又是有用的材料，能变废为宝。但是这种方法在操作过程中需通蒸汽加热至60 - 70 °C 或更高，需消耗大量能量且需通空气氧化，操作时间较长。
陆维国通过对比试验，得出可在常温下生成铁氧体来处理电镀废水的结论。孙英等改动铁氧体处理含铬废水工艺，使之同时处理废水中的镉，并取得良好效果，处理后铬、镉都在0.05 mg/L 以下。从效果成本比看，铁氧体法具有一定竞争力。
1.1.3 电解法
电解法是指应用电解的基本原理，使废水中重金属离子通过电解过程在阳- 阴两极上分别发生氧化和还原反应使重金属富集，然后进行处理。陈志荣对比了流化床与非流化床电解效果，介绍了新型的流化床电极(FBE)技术，利用该法可得到满意的分离效果，除镉率达98.0 %。另外高压脉冲电凝法对电镀混合废水中镉的去除率可达96 ～ 99 %。
1.2 物理化学法
1.2.1 离子交换法
离子交换法是重金属离子与离子交换树脂发生离子交换的过程，树脂性能对重金属离子的去除有较大影响。镉离子选择性树脂种类繁多，有阴离子交换树脂、腐植酸树脂、螯合树脂等。有研究表明，用不溶性淀粉黄原酸酯作离子交换剂，除隔率大于97 %。杨莉丽等研究镉离子在强碱性阴离子交换树脂上的交换动力学，确定离子交换行为的速度控制步骤为颗粒扩散，并推算出交换过程的动力学总方程式，为工业应用提供了理论依据。
用此法处理含镉废水，净化程度高，尤其对低浓度废水，能较彻底地净化和回收，无二次污染，但缺点是树脂易受污染或氧化失效，再生频繁，操作费用高。若能针对这些缺陷来改善树脂的性能，则应用前景广阔。
1.2.2 吸附法
它是利用多孔性的吸附剂来去除废水中的镉，可用的吸附剂有膨润土、海泡石等。王代芝等利用酸改性钠基膨润土处理含镉废水，发现pH 是影响吸附效果的主要原因，在弱碱性(pH = 7.9)条件下吸附率达98 % 以上。目前利用该法处理电镀重金属废水的吸附剂有沸石、活性炭纤维、风化媒、磷灰石及其衍生物、壳聚糖及其衍生物、变性淀粉等，这些吸附剂处理含镉废水的机理不尽相同，有的物理吸附占主导，有的化学吸附占主导，有的吸附剂既起吸附作用，又起絮凝作用，均有良好的除镉效果，但从经济上考虑，应尽量开发低廉而又高效的新型吸附剂。自70 年代中期以来，淀粉变性制得新的功能高分子吸附剂具有可再生性、可降解性且成本较低。
1.2.3 膜分离法
膜分离法是利用高分子所具有的选择性来进行物质分离的技术，包括电渗析、反渗透、膜萃取、超滤、液膜。有实验表明，用此法镉离子的去除率可达到99%以上。膜分离法处理含镉废水具有分离效率高、耗能低的优点，同时可以回收镉金属，但膜组件的设计困难，投资也比较高，影响了膜法的应用。
1.3 微生物法
近年来，环保工作者不断寻求更加安全和经济的方法来处理含镉废水，以减少或消除镉在环境中的积累。传统的物理化学法各有优缺点，其缺点表现为处理剂使用量大，反应不易控制，水质差，回收贵金属难等。特别是镉等重金属离子浓度较低时，往往操作费用和原材料的成本相对过高。而生物法因能耗少，成本低，效率高，容易操作，最重要的是没有二次污染，因此在城市污水和工业污水的处理中得到广泛应用。生物法吸附重金属主要有两个阶段，一是细胞表面的吸附，即胞外多聚物、细胞壁上的官能团与金属离子结合的被动吸附，这是一个吸附- 解吸附的过程，被吸附的离子可被其它的离子、鳌合剂解吸下来。二是细胞表面吸附的金属离子与金属运输酶相结合而转移到细胞内，包括传输和沉积。国内外关于生物法去除污染物的研究越来越多，而一般去除效率与吸附剂结构密切相关，微生物是该法常用的吸附剂。
2 .含镉废水处理技术的展望
虽然微生物能够处理水中常规的污染物，但当废水中含有毒、难降解的物质时，由于对该类物质具有专项降解能力的微生物在环境中的种类、数量较少，同时它在种间竞争中处于劣势，因此传统的生物处理技术面临极大挑战。如果在传统的生物处理体系中投加具有特定功能的微生物或某些基质，增强它对特定污染物的降解能力，从而改善整个污水处理体系的处理效果，我们称这种技术为生物强化技术。其应用最为普遍的方式就是直接投加对目标污染物具有特效降解能力的微生物。这种特效微生物经筛选、培养、驯化后再投加到废水中，它们可附着在载体上，形成高效生物膜，也能以游离态存在处理废水。筛选出来的特效菌可为获得有效治理镉等重金属污染的微生物菌株提供候选资源。
3.结束语
本文主要介绍了三种含铅废水的处理方法： 物理、化学和生物处理方法。目前，生物强化技术在废水处理中的应用范围在逐渐扩大。生物强化制剂对于处理含镉等重金属废水有其独特的优势，但如何让细菌在短时间成为优势菌种，而且在降解污染物的过程中，无有毒的中间产物生成，这些都是影响其广泛应用的关键。