水体重金属污染现状及治理技术研究进展
摘要： 水体是人类赖以生存的最重要的自然资源之一，又是人类生态环境的重要组成部分，也是物质生物地球化学循环的储库，对环境具有一定的敏感性。由于人类活动的影响，进入水体环境中的污染物质越来越多，这些污染物给环境和人体健康造成了许多问题。特别是随着采矿、冶炼、化工、电镀、电子、制革等行业的发展，以及民用固体废弃物不合理填埋和堆放，重金属污染物事故性排放以及大量化肥、农药的施用，使得各种重金属污染物进入水体。重金属污染物难以治理，它们在水体中具有相当高的稳定性和难降解性。重金属在水体中积累到一定的限度就会对水体―水生植物―水生动物系统产生严重危害，并可能通过食物链直接或间接地影响到人类的自身健康。因此水体重金属污染已经成为当今世界上最严重的环境问题之一，而如何科学有效地解决重金属对水体的污染已经成为广大环保工作者研究的热点之一。
关键词：水体；重金属污染；治理途径
1 水体重金属污染现状及危害
1.1 污染现状
随着城市化进程的加快和工农业的迅猛发展， 我国绝大多数城市都不同程度地存在着较突出的水质问题， 大量未经处理的城市垃圾、被污染的土壤、工业废水和生活污水以及大气沉降物不断排入水中， 使水体悬浮物和沉积物中的重金属含量急剧升高。对我国各大湖泊的调查结果表明，近年各种重金属污染呈上升趋势， 已经开始影响到水体的质量。广东省浈水河水体由于铅锌矿区的矿尾砂和矿区废水的排放， 沉积物及悬浮物中Pb、Zn、Cd 含量较高， 导致下游地区的污染隐患。湖南吉首市湖泊由于工业废水和生活污水的排放， 水体中的大肠菌群已严重超标， 重金属含量也超过国家标准。对作为饮用水源的城市河流污染物监测结果表明， 城市河流有18.46%的河段面总Cd 含量超过Ⅲ类水体标准。从我国七大水系的调研结果可以看出，1995 年长江水系Cd 污染仅次于Hg、COD、BOD 和挥发酚； 黄河水系有16.7%的断面总Cd 含量超标； 淮河干流总Cd 含量超标率为16.7%； 海滦河总Cd 含量平均超标率为16.7%～83.9%；大辽河水系污染较轻，在对所统计的26个国控湖泊、水库的监测中发现了不同程度的Cd 污染问题，污染程度仍次于Hg污染。1991～1995年有关部门对国内城市河流、七大水系及湖泊水库的监测中发现Cr和Pb是比较普遍的重金属污染物。水体中的重金属通过直接饮水、食用被污水灌溉过的蔬菜和粮食等途径进入人体， 威胁着人们的身体健康。 1.2 污染危害
重金属进入水生生态系统后，分布于水生生态系统的各个组分中，对生态系统各组分产生影响(即生态效应)。当生物体内重金属积累到一定数量后，就会出现受害症状，生理受阻、发育停滞，甚至死亡，并使整个水生生态系统结构和功能受损、崩溃。
1.2.1 对水生动物的危害
研究结果表明Cd对碱性磷酸酶的活性有明显抑制作用。重金属
(Cd 等)对鱼大脑乙酰胆碱酯酶活性的影响。重金属进入水体后，可能会对水生动物的生长发育、生理代谢等过程产生一系列的影响。Cu、Zn、Pb、Cd 复合污染对鲫鱼DNA 合成有抑制作用。一定离子浓度的Zn、Pb、Cu、Cd 会影响鱼类胚胎发育并可能导致胚胎畸变。Ni 对淡水纤毛虫有急性毒性。Zn、Cu、Mn 的积累对鱼性别、身长有一定影响。海水重金属离子(Cu2+、Zn2+、Cr6+)含量超过一定浓度会引起文昌鱼中毒，使其身体渐成弯曲状而死亡。此外，有研究显示重金属对水生动物的遗传表达也会产生很大的影响。重金属(Cu、Zn)毒性对鲤鱼和罗非鱼金属硫蛋白基因表达的影响，罗非鱼暴露于重金属离子中，鳃和肝脏中金属硫蛋白mRNA 的表达受到显著影响。
1.2.2 对水生植物的危害
藻类是水体的初级生产者，在水生生态系统的食物链中起着十分重要的作用。人们可以利用藻类及水生生物的敏感性来监控水体的重金属污染。众多研究表明，重金属对水生植物的生长能产生一定的毒害。研究发现重金属通过各种途径进入水体后，一旦被藻类吸收，将引起藻类生长代谢与生理功能紊乱，抑制光合作用，减少细胞色素导致细胞畸变、组织坏死，甚至使藻类中毒死亡，改变天然环境中藻类的种类组成。Cd 能破坏某些绿藻的叶绿素，引起光合作用下降，并对斜生栅藻和蛋白核小球藻呼吸作用产生影响，抑制苹果酸脱氢酶活性。一定浓度的Cd 能诱导硝酸还原酶活性，抑制超氧化物歧化酶活性，从而破环其抗氧化防御系统。
1.2.3 对人体健康的危害
重金属进入人体后，不易排泄，逐渐蓄积，对人体健康的危害是多方面、多层次的，其毒理作用主要表现在影响胎儿正常发育、造成生殖障碍、降低人体素质等。重金属(例如Pb、Se、Mn 等)通过水体直接或间接进入食物链后，能严重地耗尽体内贮存的Fe、维生素C 和其他必需的营养物质，导致免疫系统防御能力的下降，子宫内的胚胎生长停滞和其他一些残疾。重金属能抑制人体化学反应酶的活动，使细胞质中毒，从而伤害神经组织，还可导致直接的组织中毒，损害人体解毒功能的关键器官肝、肾等组织。目前的研究结果表明，Cr、Co、Ni、Cd、Se 等重金属元素均具有致癌、致畸、致突变等危险。
2 水体重金属污染的治理途径
水体重金属污染的日趋严重已引起全社会的关注，除严格控制各种污水的排放外，另一项重要工作就是采取有效措施治理、净化被污染的水体，并实现废水的再生回用。 2.1 物理方法
2.1.1 蒸发法
蒸发法的原理是通过使水蒸发而浓缩电镀废水，工艺成熟简单，可实现水的回用和有用重金属的回收，但耗能大，杂质含量高，会严重干扰重金属资源回收。 2.1.2 换水法
换水法是将被重金属污染的水体移去，换上新鲜水，水量一般要求较小，应用局限性明显。
2.1.3 稀释法
稀释法就是把被重金属污染的水混入未污染的水体中，从而降低重金属污染物浓度。此法适于轻度污染水体的治理。当重金属污染物在这些水体中的浓度达到一定程度时，生活在其中的生物就会受到重金属的影响，发生病变和死亡等现象。所以这种处理方法
目渐渐被否定。 2.2 化学方法
2.2.1 化学沉淀法
化学沉淀法的原理是通过化学反应使废水中呈溶解状态的重金属转变为不溶于水的重金属化合物，通过过滤和分离使沉淀物从水溶液中去除，包括中和沉淀法、中和凝聚沉淀法、硫化物沉淀法、钡盐沉淀法、铁氧体共沉淀法等。产生的沉淀物必须很好地处理与处置，否则会造成二次污染。
2.2.2 电解法
电解法是利用金属离子在电解时能够从相对高浓度的溶液中分离出来的性质，主要用于电镀废水的处理。缺点是耗能大，废水处理量小，不适于处理较低浓度的含重金属离子的废水。 2.3 物理化学方法
2.3.1 吸附法
吸附法是一种常用来处理重金属废水的方法，一些天然物质或工农业废弃物具有吸附重金属的性能，可降低重金属废水的处理费用。但由于存在后处理问题，限制了它们的工业化应用。
2.3.2 离子还原法、离子交换法
离子还原法是利用化学还原剂将水体中的重金属还原，将其形成难以污染的化合物，从而降低重金属在水体中的迁移性和生物可利用性，减轻危害。离子交换法是利用重金属离子交换剂与污染水体中的重金属物质发生交换作用，从水体中把重金属交换出来，达到治理目的。这类方法处理费用较低，操作人员不直接接触重金属污染物，但适用范围有限，容易造成二次污染。
此外，应用于重金属污染水体治理的物理化学方法还包括溶剂萃取法、膜分离技术法等。 2.5 生物方法
2.5.1 植物
重金属污染水体的植物修复是指通过植物系统及其根系移去、挥发或稳定水体环境中的重金属污染物，或降低污染物中的重金属毒性，以达到清除污染、修复或治理水体为目的的一种技术。按其机理可分为植物挥发、植物吸收和植物吸附。目前已发现700 多种重金属超量积累植物( hyper accumulator ) 。这些超量积累植物具有较高的重金属临界浓度，在重金属污染环境中能够良好生长。但是，由于生长缓慢、生物量小，又极大地限制了其在环境治理中的应用价值。对于用作修复的植物，其生物量的增加、生长周期的缩短、积累的机理等方面还有待进一步研究。
2.5.2 动物
水体底栖动物中的贝类、甲壳类、环节动物以及一些经过优选的鱼类等对重金属具有一定富集作用。如三角帆蚌、河蚌对重金属( Pb2+、Cr2+、Cu2+ ) 具有明显自然净化能力。此法的应用局限性在于需要驯化出特定的水生动物，处理周期较长，费用高，且后续处理费用较大，推广较困难。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。
2.5.3 微生物
目前，重金属废水处理中应用较为广泛的微生物治理方法主要有微生物絮凝法和生物吸附法。
2.5.3.1 微生物絮凝法
微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。至今发现的对重金属有絮凝作用的微生物有12 种。实验表明，用硫酸盐还原菌培养液作为净化剂，可使电镀废水中铬的含量由44.11 mg/ L下降到5.365 mg/ L。近年来，多菌株共同培养的生物絮凝剂，因其可促进微生物絮凝剂的产生且絮凝效果好，成为研究热点。用微生物絮凝法处理废水安全、方便、无毒，不产生二次污染，絮凝效果好，絮凝物易于分离，且微生物生长快，易于实现工业化。此外，微生物可以通过遗传工程、驯化或构造出具有特殊功能的菌株。因此微生物絮凝法具有广阔的发展前景。
2.5.3.2 生物吸附法
近年来，国内外广泛利用微生物制成生物吸附剂来处理重金属污染的水体。生物吸附剂是利用一些微生物对重金属的吸附作用，并以这些微生物为主要原料，通过明胶、纤维素、金属氢氧化物沉淀等材料固定化颗粒制得。用固定化细胞作为生物吸附剂与直接用游离微生物处理相比，可以提高生物量的浓度，提高废水处理的深度和效率，大大减少吸附! 解吸循环中的损耗，固液相分离容易，吸附剂机械强度和化学稳定性增强，使用周期明显延长，降低成本。若将多种对不同金属具有不同亲缘性的微生物固定化后，分别填装组成复合式的生物反应器，则可用于处理含多种污染成分的废水。
生物吸附应用于重金属废水的净化在工艺上是可行的，在技术上更表现出极大的优越性和竞争力，无论是吸附性能、p H 值适应范围还是运行费用等方面都优于其他方法。
3 展望
微生物在环境保护和环境治理中起着举足轻重的作用。微生物具有容易发生变异的特点，随着新污染物的产生和数量的增多，微生物的种类可随之相应增多，更加呈现出多样性。这使其有别于其他生物，在环境污染治理中，微生物的作用独树一帜。微生物修复法具有成本低、效益高、反应条件温和、无二次污染，在恢复水体功能的同时可以增强水体环境的自我净化能力等许多优点。另外，通过基因工程、分子生物学等技术应用，可使微生物具有更强的吸附、絮凝、整治修复能力。因此微生物治理法无论对于环境的改善还是有限资源的再利用都具有巨大的经济价值及广阔的发展前景。
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