天然植物材料處理電鍍廢水的研究現(xiàn)狀
摘要：電鍍廢水是一種典型的重金屬污染廢水，同時具有較高的循環(huán)利用價值。在介紹電鍍廢水的特點、常見治理方法的基礎(chǔ)上，綜述了天然植物材料處理電鍍廢水技術(shù)的應(yīng)用情況和發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：天然植物材料；循環(huán)利用；電鍍廢水
0前言
電鍍是當(dāng)今世界三大污染工業(yè)之一[1-2]。電鍍廢水成分復(fù)雜，其處理過程可分為三個階段：第一階段主要是氰化物、六價鉻的化學(xué)處理；第二階段是研究其他重金屬廢水以及酸堿廢水處理技術(shù)；第三階段開始重視綜合防治、資源回收、節(jié)約用水和閉路循環(huán)等新技術(shù)。目前，大多數(shù)種類的電鍍廢水都已有了比較有效的處理方法[3]。為了有效、深度、廉價處理電鍍廢水，常規(guī)單一的處理方法已不能滿足要求，多元化新型處理技術(shù)越來越受到重視[4-5]。
天然植物材料是大量存在且基本或完全失去使用價值、無法回收利用的排放物，同樣也是環(huán)境污染物，國內(nèi)外許多學(xué)者致力于將其應(yīng)用于去除廢水中的重金屬。研究表明：利用花生殼、木屑、人工濕地、藻類、改性膨潤土、麥草、玉米軸穗、玉米莖桿、稻殼、大麥殼、碎木片、棕桐果枝、鋸屑、樹皮、樹葉、香蕉木髓、蔗渣木髓、水生植物等廉價吸附劑去除電鍍廢水中的重金屬是有效的[6]。
1 處理電鍍廢水的常用方法
電鍍廢水成分復(fù)雜，處理技術(shù)也是多種多樣，總的來講可分為化學(xué)法、物理法、物理化學(xué)法和生化法等。上世紀(jì)80年代以多元組合技術(shù)為主[7]；目前以成本較低、技術(shù)較成熟的化學(xué)法為主，同時適當(dāng)輔以其他的處理方法。
化學(xué)法是目前最常用的處理電鍍廢水的方法。通過向水體中投加一定的化學(xué)藥劑，從而改變水體中污染物的性質(zhì)，使其與水體分離或達(dá)到無害化的目的；瘜W(xué)法主要包括：化學(xué)沉淀法、化學(xué)還原法、化學(xué)氧化法、鐵氧體法及中和法等。
物理法是利用物理作用分離廢水中呈懸浮狀態(tài)的污染物，被處理物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)不改變，該法處理條件溫和，操作安全，深度凈化的處理水可以回用。物理法主要包括：蒸發(fā)濃縮、晶析及分離等。
物理化學(xué)法是通過物理和化學(xué)的綜合作用，使廢水得到凈化。常用的物理化學(xué)法有：離子交換法、電解法、活性炭吸附、斜發(fā)沸石吸附法、麥飯石吸附法等。
生化法主要是利用微生物的生命活動過程，對廢水中的污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化作用，從而使廢水得到凈化的方法，是用生物來治理電鍍廢水的高新技術(shù)；钚蕴恳簧锬しㄊ菍⒒钚蕴康母患饔煤蜕锬さ慕到庾饔孟嘟Y(jié)合，有望成為處理含氰廢水較有前途的方法之一[8]。
2天然植物材料處理電鍍廢水的原理
國內(nèi)外采用物理法、化學(xué)法、生物法治理電鍍廢水的研究很多，但這些方法存在耗量大、成本較高及再生會產(chǎn)生二次污染等缺陷。利用天然植物材料通過吸附、降解、絮凝、沉降等物理或物化法能有效地去除電鍍廢水中的多種金屬離子。此法操作簡單可靠、投資少、運(yùn)行成本較低。改性花生殼、木屑、椰子殼等天然植物材料具有很大的比表面積，能夠有效地吸附廢水中的懸浮物和有機(jī)物，絮凝、沉淀繼而除去；濕地植物的根和莖葉能夠吸收、富集、降解電鍍廢水中的Cr，Zn，F(xiàn)e，Mn，Ni和Cu等重金屬，進(jìn)而使電鍍廢水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。類似天然植物材料還有藻類、改性膨潤土、麥草、玉米軸穗、玉米莖桿、稻殼、大麥殼、碎木片、棕桐果枝、鋸屑、樹皮、樹葉、香蕉木髓、蔗渣木髓、水生植物等。這些天然植物材料是生活、工業(yè)中的廢棄物，大部分被當(dāng)作燃料或廢渣棄去，造成自然資源的極大浪費(fèi)；厥绽貌粌H節(jié)能環(huán)保，而且達(dá)到以廢治廢的效果。近年來，將天然植物材料用于其他廢水處理方面的研究也有報道[9-11]。
3天然植物材料處理電鍍廢水的應(yīng)用情況
3.1利用花生殼處理電鍍廢水
花生殼中含有大量碳水化合物及粗纖維，還有單寧類化合物[12]。它是一類多酚化合物，能夠和許多金屬離子發(fā)生較強(qiáng)的配位作用形成穩(wěn)定的五元環(huán)結(jié)構(gòu)，因此是極為有效的離子交換物質(zhì)，容易與重金屬離子發(fā)生置換反應(yīng)以達(dá)到沉淀重金屬離子的目的。
谷亞聽[13]將花生殼洗凈、烘干、破碎，得到花生殼粉，研究了以花生殼粉為主要原料，對含Cd2+，Pb2+廢水進(jìn)行了吸附實驗。實驗結(jié)果表明：pH值、廢水中Cd2+及Pb2+的質(zhì)量濃度、吸附時間等因素均能影響花生殼粉對Cd2+，Pb2+的吸附效果；在Cd2+，Pb2+的質(zhì)量濃度均為30 mg/L，pH值為6，攪拌2h，花生殼粉的質(zhì)量為0．25 g的條件下，Cd2+，Pb2+的去除率分別達(dá)到92.2%和90.0%。
唐志華等[14]將處理好的花生殼粉50 g置于250 mL的圓底燒瓶中，加入一定量的酸性甲醛溶液（甲醛與硫酸的體積比為1:5，硫酸的濃度為0.1 mol/L，甲醛的體積分?jǐn)?shù)為37%），置于80℃韻水浴鍋中加熱回流3h后，將花生殼粉進(jìn)行抽濾去除溶劑，殘留粉渣用蒸餾水洗至pH值>5，最后在50℃下烘3h，即得到改性處理的花生殼。采用改性花生殼處理廢水中的重金屬，考察了反應(yīng)時間、處理劑加入量、pH值及反應(yīng)溫度對酸性廢水中重金屬離子吸附性能的影響。結(jié)果表明：用酸性甲醛溶液對花生殼進(jìn)行適當(dāng)改性，并將改性產(chǎn)物用來去除水中的重金屬離子是可行的。處理重金屬廢水時，較佳的工藝條件為：控制pH值為7，在每100 mL廢水中加入2.5 g改性花生殼，在40℃下攪拌60 min。在此條件下，去除率可達(dá)90%以上。
李山[15]以花生殼為原料，HN03為改性劑，對花生殼進(jìn)行改性制備吸附劑，并研究了其吸附水中Pb2+的性能。結(jié)果表明：在2．Og花生殼中加入體積分?jǐn)?shù)為10%的HN03溶液25 mL，溫度控制在80℃，攪拌3h，得到改性的花生殼。用改性花生殼吸附Pb2+的最佳條件為：改性花生殼0.2 g，含有質(zhì)量濃度為97.5 mg/L的Pb2+的溶液25 mL，pH值5．O，攪拌60 min。在此條件下，去除率可達(dá)97%；吸附后的花生殼用0.5 mol/L的HC1溶液再生，重復(fù)使用2次，對Pb2+的去除率在92%以上；相比于未改性花生殼對Pb2+的去除率(87%)，有明顯提升。通過HN03對花生殼進(jìn)行改性制備吸附劑，制備方法簡便、吸附性能高、易再生、能重復(fù)使用，擴(kuò)大了吸附劑的原料來源，為花生殼的綜合利用提供了一條有效途徑。
3.2利用木屑處理電鍍廢水
木屑是來源于木材加工行業(yè)的廢棄物，其對廢水中的重金屬有很好的吸附作用。聶錦霞[16]以廢棄物松樹木屑作為吸附劑，吸附電鍍廢水中Zn2+及CODc，。研究了溶液的pH值、溫度、攪拌速率、Zn2+及CODc，的初始濃度、固液比等因素對吸附劑吸附Zn2+及CODc，的影響。結(jié)果表明：在pH值為9，反應(yīng)溫度為25℃，木屑的質(zhì)量濃度為30 g/L時，對電鍍廢水中Zn2+及CODCr均具有高效吸附能力。說明木屑的吸附效率很高，而且在這一pH值下，色度<5，濾液無色透明，符合第二類污染物最高允許排放標(biāo)準(zhǔn)。
周雋等[9]以木屑和花生殼作為吸附劑，進(jìn)行了吸附去除水中三價鉻的實驗。研究了溶液的pH值、三價鉻的初始濃度及溫度等對這2種吸附劑去除三價鉻作用的影響。對吸附曲線作了線性擬合，確定了相應(yīng)的平衡吸附率；在三價鉻的初始質(zhì)量濃度為1，5，10和20 mg/L時，木屑對其的平衡吸附率分別為81%，68%，56%和40%；花生殼則依次為77%，63%，53%和42%。
3.3利用藻類處理電鍍廢水
藻類吸附面積大，且具有良好的選擇性，其對重金屬具有很強(qiáng)的吸附和富集作用，可在較短時間內(nèi)達(dá)到吸附平衡。其原料廉價易得，可篩選適宜的藻類作為吸附劑的生產(chǎn)原料，在適宜的條件下進(jìn)行人工培養(yǎng)。其既適合于含低濃度金屬離子的水體，又適合于含高濃度金屬離子的水體，不產(chǎn)生二次污染。所以藻類細(xì)胞是極佳的金屬吸附材料。
駱巧琦等[17]利用正交實驗分析了溫度和重金屬離子的濃度等對3種藻粉（小球藻粉、螺旋藻粉、海帶粉）吸附電鍍廢水中重金屬離子( Pb2+，Cu2+，Zn2+)的影響，同時比較了活藻和藻粉對重金屬離子的吸附。結(jié)果表明：藻粉和活藻對3種重金屬離子的去除吸附順序為Pb2+>Cu2+>Zn2+;3種藻粉在溫度為40℃，重金屬離子的濃度為6 mmol/L時，均達(dá)到最大吸附率，每種藻粉對重金屬離子的吸附率與重金屬離子的濃度呈正相關(guān)。死藻對重金屬離子的吸附率明顯大于活藻的，所以死藻在工業(yè)上運(yùn)用更具優(yōu)勢。
3.4利用人工濕地處理電鍍廢水
濕地是分布于陸生生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)之間具有獨特水文、土壤、植被與生物特征的生態(tài)系統(tǒng)[18]，又可以分為天然濕地和人工濕地兩大類。高拯民和李憲法[19]認(rèn)為，濕地處理系統(tǒng)是將污水有效地投配到土壤經(jīng)常處于飽和狀態(tài)，生長有像蘆葦、香蒲等沼澤水生植物的土地上，污水在沿一定方向流動過程中，在耐水植物和土壤聯(lián)合作用下得到凈化的一種土地處理系統(tǒng)。該方法是利用自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用，來實現(xiàn)污水凈化的一種新型污水生態(tài)處理工藝。
濕地填料的化學(xué)特性使它有很強(qiáng)的吸附和鰲合金屬離子的能力。滯留在濕地填料中的重金屬離子，有些可以在濕地內(nèi)形成穩(wěn)定的金屬化合物沉淀，通過沉積作用逐漸轉(zhuǎn)移到填料層的底部得到去除。當(dāng)金屬離子的濃度較高時，植物同化對它的去除率僅為1%左右，主要還是依靠土壤的吸附和沉淀的形式來去除的[20]。李星等[21]利用人工濕地植物對電鍍廢水的凈化和修復(fù)效果進(jìn)行了研究。通過對垂直流和水平潛流人工濕地系統(tǒng)進(jìn)行采樣和分析，研究了垂直流濕地（一級濕地）中水葫蘆、稗草和水平潛流濕地（二級濕地）中蔗草、黃菖蒲、蘆葦、千屈菜、美人蕉等對金華市某電鍍廠經(jīng)預(yù)處理后的含Cr，Zn，F(xiàn)e，Mn，Ni和Cu的電鍍廢水的處理能力。結(jié)果表明：60天后二級濕地中千屈菜、蔗草、美人蕉長勢最好，黃菖蒲正常生長，蘆葦幾乎停止生長；而一級濕地中水葫蘆、稗草生長較緩慢。植物對電鍍廢水的凈化和修復(fù)，因植物種類、部位、生物量、重金屬種類等而不同。一級濕地中水葫蘆對電鍍廢水的凈化和修復(fù)效果強(qiáng)于稗草；二級濕地中蔗草、美人蕉對電鍍廢水的凈化和修復(fù)效果最好。通過分析，二級濕地植物優(yōu)勢明顯，其中，蔗草、美人蕉、黃菖蒲、千屈菜是值得推薦的修復(fù)中低濃度電鍍廢水的優(yōu)良品種，在污染物負(fù)荷較高的一級濕地，應(yīng)盡可能選用多種抗逆性強(qiáng)的濕地植物品種組合栽植。
4 結(jié)語
用天然植物材料等吸附劑處理廢水可大大降低廢水的處理成本。由于原料豐富、價格便宜、制備工藝簡單、使用方便，使得該方法具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益。是循環(huán)經(jīng)濟(jì)和清潔生產(chǎn)在環(huán)保產(chǎn)業(yè)中的一種典型模式，應(yīng)該加強(qiáng)其在環(huán)境保護(hù)各產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用研究。
天然植物材料直接用于電鍍廢水的處理雖然具有一定的效果，但是處理深度不足。應(yīng)加強(qiáng)對天然植物材料進(jìn)行簡單、經(jīng)濟(jì)、有效的預(yù)處理，通過對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、機(jī)械強(qiáng)度等得到改善和加強(qiáng)，進(jìn)而達(dá)到理想的處理效果。因此，在進(jìn)一步探討天然植物材料處理廢水機(jī)理的基礎(chǔ)上，尋求合適的天然植物材料，采取經(jīng)濟(jì)有效的改性方法，尋求與之相適應(yīng)的吸附工藝和配套水處理工藝將是該技術(shù)的一個關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。
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