饮用水水源中重金属污染防控技术与对策_施周

生部 联 合 颁 布 的《生 活 饮 用 水 卫 生 标 准 》（ GB “标准 ” ） 与国际三大饮用 5749 —2006 ） （ 以下简称新 、 水水质标准（ 世界卫生组织的《饮用水水质标准 》 《饮用水水质指令 》 欧盟的 和美国环保局的《国家饮 ） 中关于典型重金属的水质指标对 用水水质标准 》 我国的新“标准 ” 已完 比详见表 1 。由表 1 可看出， 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 。
表2 常规水厂强化絮凝处理水源水重金属超标案例
滤后水 原水 强化混凝条件 目标 水源水重 平均 * 金属浓度 水量 重金属 限值 投加量 pH 控 重金属 pH 絮凝剂 超标案例 /m3 /d /mg /L /mg /L 制条件 /mg /L /mg /L 广东省某 水厂镉 7 500 0． 019 7． 2 （ Cd） 超标 贵州省某 水厂砷 4 000 0． 114 8． 2 （ As） 超标 湖南省某 水厂锑 10 000 0． 012 7． 6 （ Sb） 超标 5 聚硫 酸铁 （ 以 Fe 计） 10 聚硫 酸铁 （ 以 Fe 计） 12 聚硫 酸铁 （ 以 Fe 计） 9． 5 0． 003 0． 005
给水排水 Vol. 38 No. 8 2012
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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 吸附法、 离子交换树脂法等。 离法、 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 膜分离法 膜分离等方法。 与常规水处理方法相比， 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 沸石、 硅藻土、 凹凸棒 高表面能的材料 （ 如活性炭、 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 添加其他药剂， 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， 其他材料除 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。 2
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 2 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 《生活饮用水卫生标准》 要求。 出水达到国家现行
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饮用水水源中重金属污染防控技术与对策
湖南大学土木工程学院
1 水源水体重金属污染现状Hale Waihona Puke 施周贺维鹏
关于重金属目前尚无严格定义， 通常将密度大 3 于 5 g / cm 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 间接地影响人类健康。20 世纪发生在日本的著名 — —骨痛病事件和水俣病事件就是分 环境公害事件— 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 2008 年广西河池市 的湖南湘江株洲段镉污染事故、 砷污染饮用水事件和云南高原九大明珠之一的阳宗 2009 年 陕 西 宝 鸡 血 铅 超 标 事 件、 海砷污 染 事 件、 2010 年福建紫金矿业汀江铜污染事件和广东东江 2011 年云南曲靖铬渣非法倾倒事件以 铊污染事件、 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 如湘江流域、 长江下游、 鄱阳湖 的主要河流和湖泊， 、 、 、 、 ， 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 2． 1 饮用水重金属污染防控技术 饮用水卫生标准 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
表1
标准 饮用水水质标准 （ 2005 ） 饮用水水质指令 （ 98 /83 / EC） 国家饮用水水质 标准（ 2001 ） 生活饮用水卫生 标准（ 2006 ）
不同饮用水卫生标准典型重金属限值对比
发布 组织 / 国家 世界卫生 组织 欧盟 典型重金属限值 / mg / L As Hg Cr Cd Pb
6+ Cd2 + 和 氧化还原法主要用于处理水体中 Cr 、 6+ Hg2 + 等重金属离子， 如利用还原性的物质将 Cr 转 3+ 化为生物毒性较低的 Cr 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 然后加以利用。该方法工艺成熟， 占地面积 离出来， 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及投加顺序， 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 特别是无机高分子铁盐絮凝剂对 考： ①铁盐絮凝剂， 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 pH 为中性及弱碱性条件下可获
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将其固着。生物吸附剂具有 价格低、 吸附能力强等优点， 但由于形成的 来源广、 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。 3 水源水体重金属污染防控对策 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 ， 、 《大 我国现行的环保法规 如《水污染防治法》
0． 01 0． 006 0． 05 0． 003 0． 01
0． 01 0． 001 0． 05 0． 005 0． 01
美国环保局 0． 05 0． 002 0． 10 0． 005 0． 015 中国
0． 01 0． 001 0． 05 0． 005 0． 01
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净水厂， 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 “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 对解决我国相关城市的饮用水重金属 重金属技术， 污染问题， 意义深远。 2． 2 饮用水重金属去除技术 其环 重金属在水源水体中具有多种化学形态， 境行为十分复杂。 因此， 必须根据其化学形态和理 选择合适的处理方法， 才能将其从水中有效 化性质， 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。
给水排水 Vol. 38 No. 8 2012
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， 依据溶度 通过化学反应使呈溶解状态的重金属转变 积原理， 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他重金属氢氧化物 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。