湖南大学土木工程学院    施  周    贺维鹏

 

        关于重金属目前尚无严格定义，通常将密度大于5g/cm³的金属称为重金属，约40余种。从环保角度而言，重金属污染是指由重金属或其化合物引起的环境污染，如汞（Hg）、铬（Cr）、镉（Cd）和铅（Pb）等，习惯上将砷（As）污染也归于重金属污染一类。对水源水体产生污染的重金属主要有砷（As）、汞（Hg）、铬（Cr）、镉（Cd）和铅（Pb）等，其主要来源于电镀、冶金、采矿、化工等行业。由于重金属污染物在水体中具有高稳定性和难降解特性，极易对水生生态系统产生危害，并可通过食物链富积直接或间接地影响到人类健康。20世纪发生在日本的著名环境公害事件——骨痛病事件和水俣病事件就是分别由镉和汞的水体污染引起的。重金属污染已成为当今世界上最严重的环境问题之一。

        我国水源水体重金属污染问题由来已久且日渐突出。近年已发生多起重金属水体污染事件，如2005年的广东北江韶关段镉严重超标事件、2006年的湖南湘江株洲段镉污染事故、2008广西河池市砷污染饮用水事件和云南高原九大明珠之一的阳宗海砷污染事件、2009陕西宝鸡血铅超标事件、2010年福建紫金矿业汀江铜污染事件和广东东江铊污染事件、2011年云南曲靖铬渣非法倾倒事件以及2012年广西河池龙江河的镉污染事件等等。有关部门的监测结果表明，一些作为城市饮用水水源的主要河流和湖泊，如湘江流域、长江下游、鄱阳湖水系、资江流域、信江、滇池、辽河等，都受到了不同程度的重金属污染。面对日显严重的水源水体重金属污染问题，如何科学有效地应对，已成当务之急。

2.1 饮用水水质标准

        饮水安全关乎人体健康和国计民生，我国及各发达国家在饮用水卫生标准中均对涉及饮水安全的重金属指标进行了严格的规定。由国家标准委和卫生部联合颁布的《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）（以下简称“新《标准》”）与国际三大饮用水水质标准（世界卫生组织的《饮用水水质标准》、欧盟的《饮用水水质指令》和美国环保局的《国家饮用水水质标准》）中关于典型重金属的水质指标对比详见表1。由表1可看出，我国的新“标准”已完全与发达国家标准接轨，这对保障我国人民的身体健康和提高饮用水水质具有重要的意义。

        从新“标准”所制订的与国际先进水平接轨的重金属指标来看，其对饮用水的监测分析和净水工艺提出了更高的要求。通常，采用混凝-沉淀-过滤的常规水处理工艺的水厂，在常规运行条件下不能对重金属进行有效去除，确保出水水质达到新的“标准”要求。因此，以净水厂现行工艺为基础，研究开发经济可行、运行管理方便的净水厂强化去除重金属技术，对解决我国相关城市的饮用水重金属污染问题，意义深远。

2.2 饮用水重金属去除技术

        重金属在水源水体中具有多种化学形态，其环境行为十分复杂。因此，必须根据其化学形态和理化性质，选择合适的处理方法，才能将其从水中有效去除。目前可用于水源水体重金属去除的方法主要有物理法、化学法和生物法等。

2.2.1 物理法

        物理法是使重金属在不改变其化学形态的条件下进行吸附、浓缩、分离的方法，常用方法包括膜分离法、吸附法、离子交换树脂法等。

        膜分离法是利用某一特殊的半透膜，在外界推动力作用下使溶液中某种溶质（重金属）或溶剂（水）渗透出来，从而达到分离溶质的目的。根据膜的种类及推动力的不同，可分为电渗析、反渗透、液膜分离等方法。与常规水处理方法相比，膜分离法具有占地面积小，适用范围广、处理效率高、无二次污染等优点，但在运行中膜的电极极化、结垢以及腐蚀等问题不容忽视。膜分离法可作常规工艺之后的深度处理工艺。值得一提的是超滤和微滤膜不适合用于重金属的分离，而纳滤由于能部分去除金属离子，能否适用去除特定重金属应由试验确定。限于目前的设备技术水平，膜分离方法适用于中等规模以下的水厂，且具有良好的发展潜力。

        吸附法主要是依靠一些具有较大比表面积和较高表面能的材料（如活性炭、沸石、硅藻土、凹凸棒石等）对水中重金属污染物具有较强的吸附能力而实现将其从水中分离去除的方法。该法的优点是吸附剂与吸附质间的吸附反应通常都很迅速，且无须添加其它药剂，具有高效、快速和适应性强的优点，但也存在吸附材料价格高、使用寿命短、需再生和操作费用高等问题。近年来国内外许多学者正努力寻求新型吸附材料，如利用玉米棒子芯、白杨木材锯屑、改性粘土等自然资源作为天然吸附材料，或利用微生物作为生物吸附材料等等，拓展了吸附法在水处理中的应用。吸附法可用作常规工艺的预处理或深度处理工艺。用于重金属处理的活性炭应选用专用活性炭并进行适当活化；除活性炭外，其它材料除作应急应用外，还缺乏长期大规模的应用经验。此外，废弃的吸附剂应进行妥善的处置。

        离子交换树脂法是利用树脂中含有的氨基、羟基等活性基团与重金属离子进行螯合、交换，从而实现重金属离子去除的方法。经离子交换处理后，水中重金属离子转移到离子交换树脂上，经再生后又从离子交换树脂上转移到再生废液中作进一步处理。树脂交换具有可逆性，可通过再生重复使用。该法可用作深度处理工艺，适用于小规模水处理。研究成本低、选择性高、交换容量大、吸附—解析过程可逆性好的离子交换树脂，对于推进该法用于水源水体重金属污染的防控至关重要。

2.2.2 化学法

        化学法是使重金属离子通过发生化学反应而得以除去的方法，包括化学沉淀法、氧化还原法、电解法和强化混凝法等。

        化学沉淀法是指向水体中投加药剂，依据容度积原理，通过化学反应使呈溶解状态 的重金属转变为不溶于水的重金属化合物而沉淀去除的方法。根据投加药剂的不同，可分为中和沉淀法（投加碱性中和剂）、硫化物沉淀法（投加硫化物）和铁氧体共沉淀法（投加产生氢氧化铁或其它重金属氢氧化物沉淀的药剂）。由于受沉淀剂和环境条件的影响，经该方法处理后，出水中残留金属离子浓度往往难于达到饮用水卫生标准的要求，而需作进一步处理。同时，产生的沉淀物还须妥善处置，以防二次污染。

        氧化还原法主要用于处理水体中Cr⁶⁺、Cd²⁺和Hg²⁺等重金属离子，如利用还原性的物质将Cr⁶⁺转化为生物毒性较低的Cr³⁺后联用沉淀法予以去除。该法的优点是原料来源广泛，处理效果好，但是污泥量大，出水呈碱性，其用于水源水体去除重金属的研究鲜有报道。

        电解法是应用电解的基本原理，使水体中重金属离子在阳极和阴极上分别发生氧化还原反应而分离出来，然后加以利用。该方法工艺成熟，占地面积小，但耗电量大，处理水量小，且电解液还有可能对环境造成二次污染。此外，由于处理时水中的重金属离子浓度不能降得很低，所以该法不适于处理含有较低浓度重金属离子的水源水。

        强化混凝法实质上是一种物理化学方法，通过：选用新型高效混凝剂、复配混凝剂、混凝剂与吸附剂联用；或改变混凝剂的投加点或投加顺序、改变混凝条件，来达到强化常规混凝沉淀工艺对重金属的去除效果。目前已有不少的小试和中试文献报道，并在一些地方重金属污染应急处置时进行了工程应用，取得了较好的效果。该法归纳起来，有如下的经验可供参考：①铁盐絮凝剂，特别是无机高分子铁盐絮凝剂对重金属的去除效果通常优于铝盐絮凝剂；②绝大多数重金属在原水或调节后pH为中性及弱碱性条件下可获得较好的絮凝去除效果，但锑的有效絮凝去除须在pH为弱酸性条件下进行。文献中报道的几次重金属水源污染的应急处置成果见表2。由表可知，只要合理选择混凝剂和混凝条件（特别是pH），就有可能通过强化常规工艺中的混凝环节有效去除重金属，使出水达到国家现行《生活饮用水卫生标准》要求。

表2 常规水厂强化絮凝处理水源水重金属超标案例

水源水重金属 浓度超标案例	原水				强化混凝条件			滤后水 平均 重金属 （mg/L）	目标限值* （mg/L）
	水量 （m3/d）	重金属 （mg/L）	pH		絮凝剂	投加量 （mg/L）	pH控制条件
广东省某水厂 镉（Cd）超标	7500	0.019	7.2		聚硫酸铁	5 （以Fe计）	9.5	0.003	0.005
贵州省某水厂 砷（As）超标	4000	0. 114	8.2		聚硫酸铁	10 （以Fe计）	-	0.004	0.01
湖南省某水厂 锑（Sb）超标	10000	0.012	7.6		聚硫酸铁	12 （以Fe计）	6.7	0.004	0.005

注：*目标限制是指《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）中相应重金属的限值。

        近年来磁絮凝剂的研究报道较多，它不仅能去除水中的重金属，还能利用其磁性实现重金属的回收利用。但该方法尚待进一步工程应用验证。

2.2.3 生物法

        生物法是借助微生物或植物等的絮凝、吸收、积累、富集等作用去除水中重金属的方法，包括生物絮凝法和生物吸附法等。

        生物絮凝法是利用微生物或微生物产生的代谢物进行絮凝沉淀的一种除污方法。起絮凝作用的微生物絮凝剂是一类由微生物产生并分泌到细胞外、具有絮凝活性的代谢物，其分子中含有多种官能团，能使水中胶体悬浮物相互凝聚沉淀。与传统的无机絮凝剂和合成有机絮凝剂的絮凝法相比，该法具有安全无毒、不产生二次污染等优点。此外，微生物还可以通过驯化或遗传工程构造出具有特殊功能的菌株，使其具有更为广阔的应用前景。但这一方法尚存在着生产成本较高、活体絮凝剂保存困难等难题。

        生物吸附法是利用生物体（主要是微生物菌体）本身的化学结构及成分特性来吸附溶于水中的重金属离子，再通过固液两相分离去除水溶液中重金属离子的方法。在吸附过程中，微生物的细胞壁、细胞膜都能通过络合、螯合、离子交换等作用将重金属吸附，其中带负电荷的细胞表面依靠静电作用吸附金属阳离子，而膜蛋白上的磷酸基、羧基和羟基等与金属离子形成配位键而将其固着。生物吸附剂具有来源广、价格低、吸附能力强等优点，但由于形成的絮体密度较小，强度较低，并且生物体有可能释放出一些有毒有害物质等问题，该方法目前在水源水体重金属污染防控方面应用较少。

        随着耐重金属毒性微生物和植物的研究进展，生物法作为一种经济、环保的治理技术，呈现出蓬勃发展的势头。

        与其他污染物相比，水源水体重金属污染具有范围广、持续长、毒性强和难处理的特点。因而，借鉴国外重金属污染防控经验，针对我国国情，建立有效的防控对策，迫在眉睫。

3.1  健全法规和监管体系，强化源头控制

         我国现行的环保法规，如《水污染防治法》、《大气污染防治法》和《固体废弃物污染防治法》等，均有与重金属污染相关的规定，但都比较零散，尚未形成系统的重金属污染防控法律体系，对重金属污染防控法律力度不够。依据国家2011年制定的《重金属污染综合防治规划》，到2015年重金属污染要得到有效控制，这就要求尽快制定详尽的预防和治理重金属污染的法律制度，从法律层面有效防控重金属污染带来的危害。

        在加强法治建设的同时，还要借鉴国外经验，健全重金属污染的监管体系，强化源头控制这一防控着力点，即严格执行环境影响评价制度，从源头上控制新污染源的产生；对重金属排放企业进行产业结构升级，采用污染小、能耗低的先进工艺，提升企业清洁生产水平；实施含重金属产品回收制度；对重金属重点防控区域加大监控和治理力度，大力开展重金属污染治理与修复示范工程。在此基础上，尽快对已受重金属污染的水源水体进行修复。

3.2  完善在线分析手段，建立区域预警系统

        由于重金属污染治理难度大、成本很高，技术也不成熟，当前最实用有效的防控手段就是预防。从技术角度而言，这就要求研发高效快捷实用的重金属在线水质分析技术，建立饮用水水源保护区的重金属污染预警系统，实现对水体重金属污染的全天候监控，彻底杜绝企业的超标排放、治理设施运行不正常等造成的重金属污染。

3.3  加强重金属污染防控的基础研究，开发新型净水材料和工艺

        了解不同重金属在环境系统中的化学行为，即形态、转化机理和动力学过程，是科学开展水源水体重金属污染防控的前提和保证。因此，在重金属污染防控技术的开发方面，要利用纳米技术和基因工程等材料和分子生物学技术最新成果，注重开发对环境无影响和高效低成本吸附材料和新型水处理药剂；重点加强现有技术的综合应用，形成各种组合工艺，扬长避短，强化现有净水工艺对重金属的去除效果。

        重金属为非降解型有毒物质，一旦进入环境就很难去除。饮用水重金属污染的防控问题由来已久，任重而道远。但我们有理由相信，有了各级政府的重视，在完善的法律框架和监管体系下，通过以下途径可以实现对饮用水水源中重金属污染的有效防控：首先应用清洁生产和循环经济技术，从源头上对重金属使用和排放进行严格遏制；其次通过在各类国家科技项目经费的支持，完善在线分析手段，建立区域预警系统，开发新型材料并加强多种应急和强化工艺技术的综合应用与工程示范，以保障水源污染地区，特别是由于缺水而不得不使用受到重金属污染水源地区的饮水安全。