2.2 水体的重金属污染

重金属污染是危害最大的水污染问题之一。重金属通过矿山开采、金属冶炼、金属加工及化工生产废水，化石燃料的燃烧，施用农药化肥和生活垃圾等人为污染源，以及地质侵蚀、风化等天然源形式进入水体，加之重金属具有毒性大、在环境中不易被代谢、易被生物富集并有生物放大效应等特点，不但污染水环境，也严重威胁人类和水生生物的生存。

2.2.1 重金属污染的特点

（1）分布广泛

重金属是构成地壳的元素，在自然界的分布非常广泛。它们在地壳中的含量虽低于0.1%，但广泛存在于各种矿物和岩石中，经过岩石风化、火山喷发、大气降尘、水流冲刷和生物摄取等过程，构成重金属元素在自然环境中的迁移循环，使重金属元素遍布于土壤、大气、水体和生物体中。与人工合成的化合物不同，它们在环境的各个部分中都存在着一定的本底含量。

（2）应用普遍

重金属作为有色金属，在人类的生产和生活方面早就得到广泛应用，这使得环境中存在着各种各样的重金属污染源，人为活动使环境中某些金属积累，改变了环境中重金属离子的原本浓度。采矿和冶炼是向环境中释放重金属的最主要的渠道；向环境中排放大量废气、废水和废渣的重金属工业企业不计其数；化石燃料（煤、石油）的燃烧也是重金属的主要释放途径。

（3）具有多种价态

重金属大多属于化学周期表中的过渡元素。过渡元素的原子在化学反应时，不光外层电子参与，次外层电子也可以参与，因此，过渡元素一般都具有多种价态，能在较大范围内发生电子得失的氧化还原反应。在天然水体中有富氧的氧化性环境和缺氧的还原性环境，就使得重金属在不同的水体环境中可能以不同的价态存在，重金属的价态不同，其活性和毒性效应也就不同。

（4）重金属在水环境中易生成难溶的沉淀物

重金属在水环境中可以经过水解反应生成氢氧化物，也可与一些无机酸（如H2S、H2CO3）反应，生成硫化物、碳酸盐等，而这些化合物的溶解度都比较小，易生成难溶的沉淀物。这一特性使重金属污染物在水体中容易沉积，扩散范围有限，这是有利的一面；但是大量聚积于排污口附近底泥中的重金属污染物，将成为长期的次生污染源，一旦环境条件改变，会重新形成可溶性物质而释放到水体中，显然这对水体污染防治来说是一个值得引起注意的问题。

（5）重金属具有潜在危害性

重金属可以通过多种途径（食物、饮水、呼吸、皮肤接触等），以及通过遗传和母乳进入人体。重金属不仅不能被降解，反而能通过食物链在生物体或人体内富集，与生物体内的生物大分子（如蛋白质、酶、核糖核酸等）发生强烈的相互作用，造成急性或慢性中毒，危害生命。

2.2.2 重金属污染的治理

水体重金属污染治理包括外源控制和内源控制两方面。外源控制主要是对采矿、电镀、金属熔炼、化工生产等排放的含重金属的废水、废渣进行处理，并限制其排放量；内源控制则是对受到污染的水体进行修复。

（1）重金属废水处理

①沉淀和絮凝

沉淀作用是通过提高水体pH值使重金属以氢氧化物或碳酸盐的形式从水中分离出来，也有加入硫化物沉淀剂使重金属离子生成硫化物沉淀而被除去。絮凝作用也应用于常规的污水处理中，普遍采用铁盐和铝盐作絮凝剂，通过与具有净化功能的天然矿物联合，改性后可形成性能更优的絮凝材料。木质素磺酸盐也是一类性能优良的绿色絮凝剂，引入羧酸基、磺酸基等基团后，其絮凝沉降效果更佳。

②吸附法

吸附法是利用多孔性固态物质吸附水中污染物来处理废水的一种常用方法。活性炭吸附是一种较早的被应用于生产的净水技术；矿物吸附剂表面研究已深入到分子水平，对具有一定吸附、过滤和离子交换功能的天然矿物进行合理改性是提高环境矿物材料性能的新途径；壳聚糖、木质素等天然吸附剂也有广泛应用。

③离子交换法

以泥炭、木质素、纤维素等为原材料制成各种离子交换树脂和螯合树脂可去除水体中的重金属离子。螯合树脂不仅保有一般离子交换树脂所具有的优点，又具备有机试剂所特有的高选择性的特色。离子交换纤维是一种新型的纤维状的吸附与分离材料，具有比表面积大、传质距离短、吸附和解吸速度快等优点。采用引入了磺酸基基团的强酸性阳离子交换纤维吸附Cd2+、Pb2+，最大吸附容量分别为206.6mg/L和105.5mg/L。

④生物方法

生物方法是20世纪80年代随着生物技术的发展而产生的一种重金属废水处理技术。

a．微生物吸附

目前用于重金属离子吸附的微生物主要有细菌和真菌等。该方法利用水体中的微生物或者向污染水体中补充经驯化的高效微生物，在优化的条件下经过生物还原反应将重金属离子还原或吸附成团沉淀。研究表明，运用基因工程、细胞工程等先进的生物技术，今后生物吸附技术在处理水体重金属污染方面具有广阔的应用前景。

b．植物修复

植物修复是利用绿色植物来转移、容纳或转化污染物，使其对环境无害，主要通过植物吸收、植物挥发、植物吸附和根际过滤等方式来积聚或清除水体中的重金属。目前发现的重金属超积累植物有700多种，凤眼莲、水芹菜、香蒲、芦苇、香根草等都对重金属具有良好的吸收积累效应。在利用水生植物净化重金属污水领域，目前应用较多的是人工湿地技术和生物塘工程。

c．动物净化

水体底栖动物中的贝类、甲壳类、环节动物等对重金属具有一定的富集作用。如河蚌对重金属（Pb2+、Cu2+、Cr2+等）具有明显自然净化能力。但此法处理周期长，费用高，因此目前水生动物主要用作环境重金属污染的指示生物，用于污染治理的不多。

（2）污染水体治理

①底泥疏浚

底泥疏浚是一种能够有效降低重金属污染负荷的水污染治理方法，主要用于控制水体内源污染。国内外目前广泛应用的环保疏浚方法是用机械疏浚方法来清除江河湖库污染底泥，在挖泥、输送过程中和疏浚工程完成后对环境及周围水体的影响都较小。我国太湖五里湖区生态疏浚工程治理重金属污染效果良好，成功减少了底泥和水体中的重金属含量。

②引水截污

减少进入水体的污染物总量是水体修复的前提条件，通过截流河道、截污管道等截污工程将污水引入污水处理厂进行处理，然后循环利用或排入水体，可以有效阻止重金属废水向水体排放。在截污的基础上，通过适当引水、补水缩短河流湖泊等水体的换水周期，促进水体交换，加快重金属迁移速度，可降低水体中的重金属浓度。引水截污在我国有很多工程实例，水体修复效果良好。

③生态修复技术

水体生态修复技术是利用参与生物修复过程的生物类群，包括微生物、植物、动物以及它们构成的生态系统对污染物进行转移、转化及降解作用，从而使水体得到净化的技术。它具有处理效果好、耗能少、工程造价和运行成本低等优点，还可以与绿化环境及景观改善结合起来，实现生态修复的最大效益。

目前国际和国内应用的生态修复技术包括人工浮岛、人工湿地、水生植物净化与景观化等。其原理是将生态系统结构与功能应用于水体净化，充分利用自然净化与水生植物系统中各类水生生物间功能上相辅相成的协同作用来净化水质。