提要：湘江流域是我国著名的有色金属基地，流域水体重金属污染严重，污染源主要集中于有色冶金、化工行业。“十一五”期间， “湘江水环境重金属污染整治关键技术研究与综合示范”课题立足流域尺度重金属污染防控体系构建，主要突破了锌冶炼行业、化工行业重金属点源污染控制技术，综合集成了内源、面源控制与污染监测关键技术，建成了铅锌冶炼废水处理与回用等万吨级规模化示范工程，构建了湘江全流域动态水质目标管理技术体系，制订的流域重金属污染综合防治方案支撑了《湘江流域重金属污染治理实施方案》的实施，推进了我国受重金属污染河流的综合治理。水专项研究成果提升了湘江流域水污染防治技术水平，促进了地区污染减排。课题（2008-2012年）实施期，湘江水质得到逐步改善，干流省控断面Ⅰ-Ⅲ类水质所占比例保持在100%，Ⅱ类水质断面数逐步增加。
一、背景
湘江是长江的重要支流，近年来由于流域经济发展迅速，流域重金属污染问题十分突出，结构型和复合型污染特征非常显著。水体中铅、锌、镉、砷等重金属超标现象普遍，“十五”期间流域31个国控断面镉超标25%，主要集中在衡阳松柏段、湘潭、株洲和长沙等地。流域内重金属污染事件时有发生，如2009年娄底双峰县的铬污染事件、长沙浏阳市的镉污染事件等，对沿江城市饮用水源等造成了严重威胁。同时，流域内含重金属“三废”排放导致土壤污染，食品安全隐患显现。
水专项“湘江水环境重金属污染整治关键技术研究与综合示范”课题系统开展了流域重金属污染问题的系统诊断，经过3年多的科研攻关，突破重金属废水处理等重大共性关键技术9项，研制的铅、镉、铜、锌、锰等重金属在线监测仪器实现了在线实时预报，并在长沙市等4个水质自动站应用，数据有效保证率在95%以上，确保了饮用水安全；开发的水环境重金属污染仿真与管理决策系统提高了湖南省环境管理机构的快速反应能力、跨区域的协同管理能力和辅助决策能力等。2011和2012年，“国家重金属污染防治工程技术研究中心”和“国家环境保护重金属污染监测重点实验室”分别获得环境保护部批准。编制的《湘江流域重金属污染综合防治方案》支撑了2011年国务院“湘江流域重金属污染治理实施方案”（发改环资[2011]664号）的发布。
二、主要成果与应用
（一）突破了生物制剂等重大共性关键技术，支撑了工业区水体重金属污染治理
1、铅锌废水处理及锌渣清洁生产减污关键技术
湿法工艺是目前世界各国锌冶炼广泛采用的工艺，其产量占总锌产量的85%以上。株冶集团是中国乃至亚洲最大的湿法炼锌企业，最大的锌及锌合金生产、出口基地。株冶集团重金属废水产生量巨大（10000立方米/天），锌冶炼过程中伴生大量汞、铅、镉等其他重金属存在。
针对传统石灰法处理锌冶炼废水回用率低、难以达标等难题，课题发明了细菌代谢产物功能扩增的多基团嫁接方法，强化了生物活性功能团，研制了含有羟基和羧基等大量官能基团的生物制剂，建成了1万吨/年生物制剂中试生产线；开发了重金属废水“多基团配合-水解-脱钙-分离”深度净化新工艺，在株冶集团建成了规模为14400 立方米/天的重金属冶炼废水处理与回用示范工程。处理后，重金属离子完全达到《铅锌工业污染物排放标准》（GB25466-2010），钙离子脱除到50 毫克/升以下，有效解决了再生水回用结垢的难题，废水回用率达到95%以上，大幅度削减了企业用水量，年节约水费600多万元，年削减重金属排放量80%以上。
针对常压富氧“逆流浸出”工艺中锌渣回收、铁沉淀和污酸排放等问题，创新研发了“顺流浸出”工艺，突破了冶炼过程铟回收、湿法除氯及除氯渣、沉铁渣和硫渣资源化等关键技术，在株冶集团率先建成了10万吨/年常压富氧直接浸锌减污技术示范工程，实现年处理锌冶炼浸出渣16.1万吨，锌渣浸出率提高了20%；冶炼过程中的锌、银等金属综合回收率提高了15%左右，其中年回收锌3万吨左右，银10余吨，新增产值3.5亿元左右。与原工艺相比，新工艺淘汰了传统的挥发窑处理浸出渣工艺、焙烧和制酸系统设备，每年减少含汞、砷的污酸排放18万立方米，水耗降低163万立方米，实现有色冶炼过程清洁生产及废渣的综合利用，为企业节能减排提供了重要科技支撑。
2013年11月，习近平主席赴中南大学国家重金属污染防治工程技术研究中心，观看了重金属废水生物制剂深度净化和回用系统演示，了解运用生物技术手段治理重金属污染情况，对课题研究团队刻苦攻关、勇于创新的精神给予肯定。
2、钛白粉含重金属酸性废水处理关键技术
我国是钛白粉生产大国，钛白粉总产量居世界第二位，且我国采用的钛白粉生产工艺皆为硫酸法，由此产生的废水重金属污染问题突出。湘江流域株化集团年排放污水高达1500万吨，高浓度酸性废水直排湘江，总砷等重金属的最高时分别超标14倍和20倍，是造成霞湾港水体污染的主要原因之一。
针对传统硫酸法处理钛白粉酸性废水普遍存在的设备结垢和运行不稳定问题，课题研发了“分步中和氧化、混凝共沉脱钙”钛白粉酸性废水深度处理与回用新技术，突破了酸性含铁废水深度除铁和碱性高钙废水曝气混凝沉淀除钙两项关键技术。该技术为我国钛白粉行业酸性含铁废水治理提供了一套高效低成本解决方案。在中盐湖南株洲化工集团有限公司建成日处理14400 吨的钛白粉厂酸性废水深度处理与回用示范工程。废水吨处理成本降低20%以上，回用率达到50%以上，年减排废水300万吨，企业年增效1500万元，为清水塘水体色度达标做出了重要贡献。同时，该新技术还在广西北海高岭科技有限公司“60万吨/年高岭土选矿酸性废水处理工程”和广东茂名高岭科技有限公司“7200吨/天高岭土选矿酸性废水处理与回用工程”中推广应用。
3、复合重金属废水电化学处理关键技术
针对铅锌冶炼废水、铍冶炼废水和堆渣场渗滤液的水质特点，研发了以电化学为核心的复合重金属污染废水处理技术。突破了防钝化复合重金属电絮凝装置、电还原-膜组合工艺研制、微波化学技术、以及高效敏化剂的制备等关键技术。研发了新型中和剂、新型离子去除剂、阻垢缓蚀剂、高效敏化剂等辅助制剂。上述关键技术和辅助试剂在水口山四厂综合废水处理（4200 立方米/天）和松柏渣场渗滤液处理示范工程中示范应用，出水铅、镉、砷等重金属浓度远远低于《污水综合排放标准》（GB9878-1996）的第一类污染物最高允许排放浓度，水口山第四冶炼厂可实现年减排铅、锌、铜、镉、砷、汞总量达200余吨，减排效果明显。
上述水专项技术成果在湘江应用后，对流域水环境的改善起到了重要的支撑作用。“十一五”期间，株洲市工业废水污染物排放量均大幅下降，其中铅、汞、砷、镉分别下降95%、94%、58%和48%。“十一五”期间，衡阳市国控重点源重金属污染物锌、镉、砷、铅和汞中总铅和总汞呈下降趋势，工业废水达标率从2007年的32.93%增加到2010年的48.15%。清水塘工业区入江废水的色度在2008年前常年处于200稀释倍数以上，2011年下降至平均50倍以下。清水塘工业区入江废水中重金属浓度呈持续降低趋势，且随废水减排而大幅度减少；2011年湘江霞湾港至马家河的水质监测未出现过重金属超标，实现了入江废水中重金属减排、废水色度污染消除和湘江霞湾港至马家河段水质明显改善的目标。
（二）开发了河道重金属底泥清淤和生态修复技术，支撑了霞湾港清淤重大治理工程。
自20世纪50年代以来，清水塘工业区内的工业废水主要通过霞湾港排入湘江，成为湖南最大的工业排污口。由于超标排放等原因，历经长年累积沉淀，霞湾港仅含重金属的底泥就有5万多立方米，霞湾港底泥中汞、镉、铅、砷等重金属严重超标，列为湖南“一江四港”环境综合治理的重要水域。
课题从河道、底泥和重金属三方面建立了多层次、多目标的霞湾港底泥疏浚评价指标体系与生态修复总体方案。提出了用于处理清淤事故排放的高浓度重金属河水的可渗透吸附反应墙，制定了霞湾港重金属污染底泥环保清淤技术方案，并开展了霞湾港重金属污染治理工程。底泥清淤与河道生态修复贯穿整个霞湾港，清淤长度4.3公里，清淤面积为2.1万平方米，两期工程清淤底泥总量达5万立方米。其应用的核心技术“水泥+粉煤灰+DTCR固化/稳定化”处理重金属重度污染底泥技术，相比于传统的重金属污染底泥的处理处置方法，水泥用量仅相当于传统水泥固化的40%，底泥固化体重金属浸出率低，可达到生活垃圾填埋场污染控制标准（GB 16889-2008），处理成本仅相当于传统方法的50%。该技术已推广到株洲市大湖重金属污染治理工程中，为国内重金属污染底泥的治理提供了实用技术和应用借鉴。
因湘江流域是我国重要的粮食生产基地之一，受重金属污染影响，农产品安全形势十分严峻。水专项采用铅同位素示踪技术、内梅罗综合污染评价技术等进行评价，调查和探明了湘江流域土壤重金属污染状况。研究结果表明：湘江流域受重金属污染土壤总面积为723万亩，占流域总面积的5％，其中超过土壤环境质量标准二级总面积为400万亩，超过土壤环境质量标准三级总面积为323万亩。污染土壤中耕地面积为328万亩，占流域耕地面积的12.5％。污染土壤中，镉最大超标390倍，砷最大超标275倍，铅最大超标50倍，汞最大超标43倍，铬最大超标6倍。
针对土壤重金属面源污染，研发建立了“农艺-钝化-改制”综合治理技术体系，筛选出17种对重金属具有较强富集能力的植物品种（苎麻、构树、水稻等），并应用于尾矿堆集地生态恢复。在株洲马家河镇中路村建成3公顷的示范工程，面源重金属流失输出平均降低54.7%，该技术具有一定的推广应用前景。
（三）建设了多种重金属一体在线联合检测与仿真数据平台，实现流域重金属过程监测和监控
针对现有重金属在线检测仪集成度不高、稳定性差等问题，研制了铅、镉、铜、锌、锰五位一体在线联合检测仪和砷、铬、汞在线分析仪，数据有效率保证在95%以上，实现对五种重金属的快速（5-10 分）、灵敏（检出限最低可达1.0×10-9 摩尔/升）和低扰联测。在湘江流域长沙市二水厂、马家河、朱亭和草市镇4个水质自动监测站应用，对湘江水质实时监控，保障了饮用水的安全。依托湖南力合科技发展有限公司建成了重金属在线监测仪器中试平台和标准化生产线，形成了年产200台（套）以上的生产能力，销售收入达2500余万元，利润额超过560万元，经济效益明显。研发的仪器已广泛应用于水质、环保、电镀，冶炼等领域，并在广西龙江镉污染、高州水库、紫金矿业等重金属污染事故中的现场和预警监测中发挥了重要作用。
为实时掌握流域水质状况，从而为水质改善措施提供可靠的参考，开发了融合GIS技术、计算机仿真技术和虚拟现实技术的水环境重金属污染仿真与管理决策系统；在株洲枫溪港至湘潭易俗河水厂湘江主干流、总长20公里范围内建立“湘江水环境重金属污染仿真与管理决策系统”平台。该系统具有水质查询、水质预测、水质变化定量分析等功能。平台的建设提高了湖南省湘江流域水环境的监管、流域水环境突发事件的快速反应、跨行政区域的协同管理、信息发布和辅助决策等管理能力。
三、关于加强铅锌冶炼行业重金属污染控制的建议
（一）调整产业结构，提高产业准入门槛
严格执行国家产业政策和相关产业调整振兴规划，坚决取缔关停重污染企业。抓紧完善产业结构调整指导目录，依法加大对不符合产业政策、污染严重的落后生产工艺、技术和设备的淘汰力度。大力推进企业清洁生产，尤其是重金属排放量巨大的企业，如湘江流域的株洲冶炼集团股份有限公司、中盐株化集团公司、水口山有色金属集团有限公司等。依法实施强制性清洁生产审核，大力发展循环经济。国家和地方污染治理资金应优先支持重金属企业发展循环经济，推进资源综合利用。
（二）强化重金属污染全过程控制，推进流域综合防治
针对我国典型的重金属污染问题，从主要重金属矿产开发过程中的“采矿-选矿-冶炼-堆渣-渣液排放”的系统出发，分析主要金属矿产开发流程中各环节重金属污染产生、排放的物质流和经济技术参数，综合提出重金属污染源过程控制的系统控制目标，以及各过程的控制环节、手段和控制参数。从清洁生产、点源、面源、内源污染控制等方面建立全流域的重金属污染控制技术体系。
（三）制定重金属污染河流生态修复战略，共建生态文明
从河流空间特征再造技术、生态化堤岸构建技术、人工湿地构架技术三个方面全面开启重金属污染河流生态修复战略，主要突破河漫滩及横断面的改造技术、植物修复技术和人工湿地构建技术三项创新技术。通过重金属污染河流生态修复战略，修复受重金属污染流域的水环境，恢复原有流域生物种类和原有生态位，使自然种群数量逐步增加恢复流域水环境生物多样性，使生态系统功能发挥最大作用，进而使河流的涵养水源、防洪、泄洪的等功能得到改善
