生物吸附劑及其在重金屬廢水處理中的應用進展

呂華（泰州學院醫(yī)藥與化學化工學院 江蘇泰州 225300）

生物吸附劑及其在重金屬廢水處理中的應用進展

呂華
（泰州學院醫(yī)藥與化學化工學院 江蘇泰州 225300）

廢水中常見的重金屬離子包括：汞、鉛、錳、鎘等，它們進入人體后，將對人體的腎臟、肝臟、神經(jīng)系統(tǒng)等造成嚴重危害。去金屬離子的傳統(tǒng)方法有很多種，但多數(shù)效果不佳。近幾年，生物吸附技術(shù)發(fā)展迅猛，被廣泛應用于各個企業(yè)的廢水處理。相比于傳統(tǒng)的去金屬離子方法生物吸附技術(shù)有著明顯的優(yōu)勢。本文主要結(jié)合了前人的研究和實驗，介紹了生物吸附技術(shù)的含義及其發(fā)展，并對生物吸附技術(shù)目前的應用情況進行了歸納總結(jié)。

生物吸附劑；重金屬；廢水處理；應用進展

近年來，重金屬污染嚴重，其對生態(tài)環(huán)境的危害引起了社會各界的廣泛關(guān)注，帶重金屬離子的廢水主要來自于冶煉、顏料、汽車制造等企業(yè)。不同類型的企業(yè)所排廢水的重金屬含量、種類有所不同。對不同的重金屬離子的吸附方法也都各不相同。目前常用的廢水處理技術(shù)主要有物理沉淀法，化學萃取法，氧化還原法，生物吸附法等。相比于前幾種處理方法，生物吸附法具有效率高，成本低，價格低廉，吸附迅速，廢棄物便于儲存與分離等特點。但是目前的生物吸附技術(shù)發(fā)展時間短暫，水平尚不成熟，還沒有成為處理廢水的主要方法。為了深入貫徹黨的生態(tài)發(fā)展觀，建設(shè)環(huán)境友好型社會，我們要深入對生物吸附劑的研究，使各個企業(yè)結(jié)合生物吸附技術(shù)，加大對廢水的處理力度。

1 生物吸附技術(shù)的發(fā)展及其特點

由于我國采礦，煉金，電解，農(nóng)藥，醫(yī)藥等行業(yè)的發(fā)展，鉛、汞、鉛、鉻、鎘、銅、鋅等重金屬污染日益嚴重，治理重金屬污染成為保護環(huán)境刻不容緩的問題。生物吸附法在這方面因其獨特的優(yōu)勢受到大量關(guān)注，發(fā)展生物吸附技術(shù)成為我國重要研究課題。生物吸附法屬于活性污泥法的一種。嚴格來說，只要是能從廢水中分離出金屬離子的生物體都可以稱之為生物吸附劑。比較常見的生物吸附劑包括菌類、淀粉以及藻類等。按照生物體的不同特征，我們又可以將生物吸附分為兩種：死體吸附與活體吸附。其中死體吸附具有極佳的吸附效果，原因在于實施者無需對生物死體提供營養(yǎng)，它也不易受環(huán)境變換的影響，具有很強的金屬離子結(jié)合能力。與傳統(tǒng)的金屬離子處理方法相比，生物吸附法具有以下優(yōu)點：（1）污染小，而且吸附效果十分顯著。（2）不易受環(huán)境（pH值和溫度）的影響。（3）金屬能夠被回收利用。（4）吸附劑能得以再生，可循環(huán)使用。

2 生物吸附劑的種類及應用

隨著生物吸附劑的發(fā)展，其種類已由早期的微生物為主變?yōu)槟壳鞍ㄎ⑸铩o生命的動植物碎片及活體生物系統(tǒng)在內(nèi)的多種吸附劑形式。判斷一種物質(zhì)是否為合適的吸附劑，一般需要考慮5個方面：平衡吸附容量、對目的物的選擇吸附性能、吸附速度、吸附機械穩(wěn)定性和應用成本.下面根據(jù)這些條件，對目前主要集中吸附劑的種類和應用進行介紹。

2.1 天然有機吸附劑

程發(fā)等人對殼聚糖及其螯合性能的研究，為殼聚糖在生物吸附領(lǐng)域的應用做出了重要貢獻。研究表明，殼聚糖的重要衍生物N.O-羧甲基殼聚糖，因同時含有胺基和羧基，能使Zn2+、Pb2+、Hg2+、Cu2+等多種金屬離子在溶液中沉淀，在廢水處理中有著重要作用。李增新等學者將天然沸石與脫乙酰殼聚糖制成了吸附顆粒制劑，使殼聚糖吸附在天然沸石上，在工業(yè)上有很好的應用。

2.2 微生物

2.2.1 藻類

藻類是微生物吸附劑中的重要組成部分，多用于去除工業(yè)廢水、被污染的地下水、電鍍廢水、礦物加工廢水中的重金屬離子如Pb2+、Pd2+、Ag2+、Cr2+、Hg2+、Cu2+等，吸附效果顯著。部分大型海藻吸附效果比其他微生物高出許多，甚至超過了活性炭、天然沸石，與離子交換樹脂相近。藻類在吸附重金屬離子上獨特的能力使得他們成為了生物吸附劑最主要的部分。這方面的研究中，何園、秦益民、范文宏等有重大研究進展。

何園以處理之后的海藻為研究對象，將其運用與電鍍水的處理中，主要吸附金、銀、銅、鎳等貴重金屬。并改變pH值，金屬離子濃度、吸附劑濃度等因素，解析了生物吸附等溫線方程和吸附、解析動力學變化規(guī)律，確定了其最佳應用條件，為藻類生物吸附劑投入到實際廢水處理應用中奠定了基礎(chǔ)；秦益民研究了改性海帶的吸附能力，通過對天然海帶進行不同類型的化學處理，試驗出了不同的銅離子吸附能力，結(jié)果表明，天然海帶對銅離子的吸附量要遠遠小于氫氧化鈉溶液處理過的海帶對銅離子的吸附量，而被氫氧化鈉溶液處理過的海帶對銅離子的吸附量已經(jīng)達到了88.0mg/g。這證明了化學改性還帶在廢水處理中有很大的應用潛力；范文宏在前人的基礎(chǔ)上，將海帶粉、海藻酸鈉、明膠等物質(zhì)配置成了固化海帶吸附劑，根據(jù)等溫線方程，確定出了該吸附劑對Ni2+的吸附能力，表明其在Ni2+中有很強的應用價值。

2.2.2 細菌

研究表明，細菌對多種金屬離子都有很強的富集作用。作為生物吸附劑的一類，細菌和放線菌都有著很好的研究潛力。屈艷芬等學者研究了以細菌為主體的復合生物吸附劑FY01與活性污泥對含鉻廢水的吸附性能，研究表明，他們協(xié)同作用處理的通用電鍍廢水與康力電鍍廢水效果，比2者單獨作用分別高出39.8%和44.6%；關(guān)曉輝等學者研究了浮游球衣菌的吸附性能，學者們將浮游球衣菌負載在納米Fe3O4上制成符合吸附劑，研究其對Cr（VI）的吸附性能，結(jié)果表明pH值在2～3之間時，該吸附劑對Cr（VI）的單位吸附量達到了0.0217mmol/g。

2.2.3 真菌

真菌在自然界中廣泛存在，他們具有制備方便，吸附量大、吸附后分離方便等特點，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的真菌大概有12萬種，這些真菌廣泛的存在于生物圈的各個部分，無論是在空氣中，還是土壤中，都有著他們的存在。這些真菌主要包括單細胞的酵母菌、小型霉菌以及能夠產(chǎn)生子實體的大型真菌。雖然這些真菌中的大部分都能應用于工業(yè)生產(chǎn)，但是真菌吸附劑主要有酵母菌和霉菌兩種。

2.2.4 酵母菌

朱一民等對啤酒酵母菌進行了研究，發(fā)現(xiàn)其對Hg2+、Cd2+、Pd2+具有極強的吸附性，去除率分別達到了96%、93%、94.4%；李川等則使酵母菌自溶得到了細胞壁，并用硅酸乙酯制備了硅溶膠，利用溶膠再凝膠的方法得到了硅載細胞壁生物吸附劑S-l。研究表明，該吸附劑對Pb2+和Cd2+具有較強的吸附量，對Ag2+具有較強的吸附強度。李川和他的團隊對酵母菌進行自溶處理，得到其中空細胞壁。再將細胞壁與硅酸乙酯結(jié)合，制成了半徑為250到

600μm的硅載細胞壁生物吸附劑S-l。實驗證明，S-l對Ag2+離子具有很高的吸附強度，對Pb2+和Cd2+有很大的吸附量，能在廢水處理中的到廣泛應用。尹華學者研究了產(chǎn)朊假絲酵母、解脂假絲酵母結(jié)合活性污泥對電鍍廢水中重金屬離子的處理性能。結(jié)果表明，次紅方法使用的pH值范圍廣，對肺水腫鉻的去除率較高，能達到91%以上。

2.2.5 霉菌

經(jīng)過化學處理，霉菌對Cr（VI）具有一定的吸附能力。Sudha等的研究結(jié)果表明，經(jīng)過不同的試劑處理過的根霉對Cr（VI）有一定的吸附能力；在調(diào)整合適的pH值，初始經(jīng)書離子濃度，接觸時間等因素后，使其符合Langmuir和Freundlich吸附等溫方程，在實際生產(chǎn)中具有應用潛力。Akar等對葡萄孢霉吸附Cd(Ⅱ)和Cu (Ⅱ)做了研究，在調(diào)整控制條件的基礎(chǔ)上，研究出了最適吸附條件和最大吸附值。

2.3 農(nóng)林廢棄物

農(nóng)林廢棄物也可直接用于廢水處理，主要是由于農(nóng)林廢棄物具有較高的孔隙度，利于金屬離子的物理吸附，且一些農(nóng)林廢棄物含有大量活性物質(zhì)，也對金屬離子的吸附有很強的吸附作用。農(nóng)林廢棄物主要有樹皮、果殼、甘蔗渣、秸稈等類型。這些農(nóng)林廢棄物作為農(nóng)業(yè)和林業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄品，再生周期短，易降解，一般的處理方式只是直接點燃，或者作為飼料和土地的肥料，但是大部分的農(nóng)林廢棄物都得不到有效的利用，沒有收到人們的重視。故而農(nóng)林廢棄物具有價格低廉，吸附效果顯著，使用方法簡單，而且保護環(huán)境等特點，廣泛應用于各個企業(yè)的廢水處理環(huán)節(jié)，而且合理利用農(nóng)林廢棄物能夠降低處理廢水的成本，帶來巨大的經(jīng)濟效益。

Gupta等對糖廠的廢棄物蔗渣灰進行了過氧化氫處理，并研究了它對Pb2+和Cr6+的吸附能力。結(jié)果表明，這種類型的吸附劑能在60min中內(nèi)去除Cr6+，80,min內(nèi)去除Pb2+；朱波對大豆秸稈用檸檬酸進行改良，制備出對重金屬離子有較強吸附能力的秸稈吸附劑。研究表明，通過調(diào)整吸附pH值，金屬離子初始濃度、作用時間等因素，使大豆秸稈吸附劑對Cu2+的吸附能力達到了應用要求。通過對實驗數(shù)據(jù)進行后期的擬合處理，朱波學者得到了這種新的生物吸附劑的吸附等溫線，實驗結(jié)果能夠有力的證明，這種植物纖維性生物吸附劑具有很好的應用前景。李蓮對豆制品廢棄物豆渣做了生物吸附劑研究，發(fā)現(xiàn)其對Cd2+和Zn2+具有相當?shù)奈侥芰ΑＫ治隽藀H值，金屬離子濃度，接觸時間等因素對去除效果的影響，做出了吸附效果曲線圖并對Langmuir等溫線和Freundlich等溫線進行模擬，結(jié)果表明，這種生物吸附劑更符合Langmuir等溫線的吸附模型，能在生產(chǎn)中得到廣泛應用。

2.4 其他生物吸附劑

除了以上幾種主要的吸附劑之外，有學者發(fā)現(xiàn)胡蘿卜渣能有效吸附Cr(Ⅲ)、Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)，而且吸附方程滿足Langmuir，胡茂盛發(fā)現(xiàn)了三裂葉豚草對重金屬Cu2+也有的吸附規(guī)律，利用勻漿單細胞的制備技術(shù)并結(jié)合負壓空化的技術(shù)手段提取出三裂葉豚草對重金屬的吸附因子，使得三裂葉豚草也有了作為一種新型的生物吸附劑的潛力。這些科學家的努力都表明除了主流生物吸附劑之外，還有多種生物吸附劑具有開發(fā)潛力。也許還有著許多未知的吸附能力更強的生物吸附劑等待著人們的發(fā)現(xiàn)與研究。

3 結(jié)語

廢水中的重金屬離子是環(huán)境污染的重要角色，也是在進行廢水處理的過程中最為困難的部分。用傳統(tǒng)的處理方法對含重金屬離子的廢水進行處理不僅耗時耗力，還會浪費大量的金錢，影響企業(yè)的發(fā)展。使用生物吸附劑進行廢水處理，具有使用方便，操作簡單，成本低廉等優(yōu)點。而且與傳統(tǒng)的處理方法不同，使用生物吸附劑對廢水進行處理還能夠?qū)τ卸窘饘俸鸵恍┫∮薪饘龠M行回收，所以，生物吸附劑是一項非常有應用性和發(fā)展前景的重金屬廢水技術(shù)手段，但是，生物吸附劑的研究進展一直緩步前進，其中的吸附機理并未明確，而且有效的生物吸附劑需要滿足的條件很多，不僅要保證在吸附處理過程中的吸附效率，還要具有低成本性和良好的可再生性能，并且還要有理想的物理、化學性能，這需要人們對生物吸附劑更進一步地研究。

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江蘇省泰州市科技發(fā)展計劃（指導性）項目（NO：2012210）。

呂華(1982—)，女，漢族，江蘇泰興人，碩士研究生（學歷），講師，主要研究方向：環(huán)境材料和水污染控制。