農(nóng)林廢棄物處理重金屬廢水的研究進展*

任濱僑，歐陽鳳菊，宋曉曉

（黑龍江省科學院高技術(shù)研究院，黑龍江哈爾濱150000）

農(nóng)林廢棄物處理重金屬廢水的研究進展*

任濱僑，歐陽鳳菊，宋曉曉

（黑龍江省科學院高技術(shù)研究院，黑龍江哈爾濱150000）

農(nóng)林廢棄物來源廣泛，價格低廉，且利用農(nóng)林廢棄物制備的生物吸附劑對水溶液中重金屬離子具有良好的吸附性能，因此，受到人們的廣泛關(guān)注。本文分析了農(nóng)林廢棄物作為生物吸附劑處理重金屬廢水的優(yōu)勢，同時介紹了農(nóng)林廢棄物經(jīng)高溫炭化或化學修飾后，其吸附重金屬離子的能力顯著提高的特質(zhì)。這種高效生物吸附劑實現(xiàn)了資源的回收利用。

農(nóng)林廢棄物；化學改性；重金屬離子；生物吸附

隨著人類生產(chǎn)活動的劇增，工業(yè)過程產(chǎn)生的廢水進入水體造成的重金屬污染已然成為世界范圍內(nèi)的環(huán)境問題，嚴重威脅著人類健康和水生生態(tài)系統(tǒng)。農(nóng)林廢棄物因其來源廣泛，價格低廉且可再生，被認為是處理重金屬廢水的理想生物吸附劑。本文簡述了近年來研究者們利用改性和天然農(nóng)林廢棄物作為生物吸附劑處理重金屬廢水的相關(guān)研究。

1 重金屬污染水源及其危害

水體中的重金屬（主要污染物包括pb、Hg、Cu、Cd、Zn、Ni和Cr）來自于各種工業(yè)生產(chǎn)過程，例如電鍍鞣制、金屬冶煉、化學制造、采礦、蓄電池制造等。水體重金屬污染主要表現(xiàn)為河口、地表水復(fù)合污染嚴重，水中懸浮物和水底沉積物多含重金屬，其中不同水域的主要重金屬污染物也有所不同。我國的黃河和珠江流域?qū)儆贑d和Hg復(fù)合型污染，珠江干流河段屬于Hg和Cd的復(fù)合污染區(qū)，遼河干流多為Hg污染，而淮河干流則屬于Cd污染[1]。每種重金屬對于人類健康會產(chǎn)生不同的影響效果和癥狀表現(xiàn)，例如過量的鉛攝入對兒童的影響特別嚴重，鉛毒會損傷人體神經(jīng)系統(tǒng)、腎臟肝臟以及大腦；銅和鋅離子屬于人類新陳代謝必須的微量元素，但過量的鋅離子會使人煩躁不安、肌肉僵硬。食欲不振和惡心，甚至有致癌的危險；暴露的鎳化合物除了會引起胃腸不適、肺纖維化和皮膚皮炎等癥狀外，還會嚴重損傷肺和腎臟；鎘不屬于必需元素，長期接觸后人體富集的鎘與蛋白質(zhì)結(jié)合抑制酶系統(tǒng)的生理功能，損害腎臟、肝臟和肺等器官，震驚世界的日本“痛痛病”就是因鎘污染而致[2-6]。另外，多種重金屬離子的協(xié)同作用，會導致毒性的增強。

2 重金屬廢水處理方法

對于工業(yè)廢水中去除重金屬的傳統(tǒng)方法包括化學氧化、凝結(jié)、絮凝、膜過濾、活性炭吸附、電化學處理、離子交換、反滲透等[7-9]。這些方法在實際操作存在很多弊端，例如化學法產(chǎn)生的有毒重金屬污泥其后處理費用高，易造成二次污染；離子交換法所使用的樹脂，成本昂貴，容易被氧化而失效；電化學處理適用于低濃度的貴金屬回收，原因在于其用電成本較高。其中傳統(tǒng)方法的共同缺點就是當處理低于100mg·L-1的含重金屬廢水時操作費用和原材料成本相對較高，且易產(chǎn)生污染轉(zhuǎn)移，造成二次污染。生物吸附法是一種簡單、高效、經(jīng)濟、環(huán)保的方法，主要是通過將生物有機體當作吸附劑對廢水中的重金屬進行處理和回收。其優(yōu)勢在于低濃度時可以對特定金屬進行選擇性去除；去除效率高，貴重金屬可回收利用；成本低且制約條件少。生物吸附法對于重金屬污水處理具有較好的經(jīng)濟效益、社會效益與生態(tài)效益[10]。

3 農(nóng)林廢棄物作為生物吸附劑吸附重金屬離子

生物材料可分為活體生物和非活體生物兩大類，活體生物主要是指各種微生物（細菌、真菌及藻類等，利用生物體自身新陳代謝過程對重金屬離子富集實現(xiàn)水體的凈化，非活體是指各種農(nóng)作物收獲后留下的廢棄物（秸稈、木屑、花生殼、椰殼、樹皮、谷殼、果渣、菌糠等），利用其本身的吸附功能來達到凈化的目的[11-14]。

農(nóng)林廢棄物來源廣泛、價格低廉，富含纖維素、木質(zhì)素，且少量含半纖維素、脂類、淀粉、單寧、果膠和蛋白質(zhì)等，由于這些物質(zhì)含有羰基和氨基等功能化基團，對重金屬離子具有很強的親和力，因此是一種良好應(yīng)用前景的生物吸附劑。農(nóng)林廢棄物吸附重金屬的機制主要是基于金屬離子的生物吸附，包括靜電吸附、離子交換、表面絡(luò)合等過程[15-17]。我國廣大農(nóng)村每年產(chǎn)生大量的農(nóng)林廢棄物，這些廢棄物雖然可用來作飼料、肥料和造漿造紙工業(yè)原料但利用量低于50%，每年仍有大部分農(nóng)林廢棄物被露天焚燒，不但引起大氣污染造成霧霾天氣，同時也是一種資源的浪費。目前，將農(nóng)林廢棄物等可再生資源，回收利用，被認為是一種可持續(xù)性發(fā)展的新型能源。

3.1 農(nóng)林廢棄物制成活性炭吸附劑吸附水中重金屬

農(nóng)林廢棄物的改性方法包括物理和化學改性。物理改性主要通過高溫熱解農(nóng)林廢棄物制備出生物活性炭。活性炭應(yīng)用于凈化處理工業(yè)廢水效果十分顯著，但其傳統(tǒng)生產(chǎn)原料成本高，從而限制了其大規(guī)模的應(yīng)用。尋找低成本原料來制備活性生物炭非常必要，而農(nóng)林廢棄物就是理想的選擇之一。不同來源的生物炭對水中重金屬離子的吸附作用不同。Chand等[18]利用800℃炭化后的小麥和大麥秸稈吸附鉻（VI），pH值為2.0時分別達到最大吸附容量1.67mol·kg-1和1.68mol·kg-1。Tong等[19]在酸性條件下利用農(nóng)作物秸稈400℃制備出3種秸稈炭用于吸附銅離子，pH值為3.5～6.0的范圍內(nèi)，吸附能力隨pH值增加而遞進，3種秸稈炭也表現(xiàn)出不同的吸附能力，花生秸稈炭＞大豆秸稈炭＞油菜秸稈炭。Langmuir方程用于描述生物炭的吸附容量，pH值為5.0時3種秸稈炭最大吸附容量0.58～1.40mol·kg-1，而商品化活性炭pH值為5.0時最大吸附容量只有0.18mol·kg-1。

3.2 天然農(nóng)林廢棄物作為吸附劑吸附水中重金屬

未改性的農(nóng)林廢棄物對水中重金屬有一定的吸附能力，祝春水等[20]將洗凈粉碎過花生殼用于吸附銅離子，pH值為5.0時室溫120r·mi-1，振蕩30min，吸附率可達97%。Jacques等[21]采用西番蓮殼吸附水溶液中的Cr（III）和Pb（II），最大吸附量分別為85.1和151.6mg·g-1。天然農(nóng)林廢棄物的活性成分含量較低，直接用于吸附重金屬容量小，吸附能力不強，主要由于直鏈線形分子鏈間及分子內(nèi)部羥基基團形成的氫鍵影響反應(yīng)活性，因此，引入新的活性基團提高農(nóng)林廢棄物的吸附容量是必不可少的。

3.3 改性農(nóng)林廢棄物作為吸附劑吸附水中重金屬

4 結(jié)論

農(nóng)林業(yè)廢棄物資源廣，可有效地作為金屬陽離子的吸附劑。盡管目前關(guān)于農(nóng)林廢棄物吸附重金屬離子機理尚不明晰，但一般認為與靜電作用、離子交換和表面絡(luò)合等過程有關(guān)。很多農(nóng)林廢棄物對水溶液中重金屬具有很好的吸附性，通過物理和化學手段修飾的農(nóng)林廢棄物其吸附性能明顯提高。該技術(shù)具有極大的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益，已然成為水環(huán)境修復(fù)的研究熱點。進一步開展對農(nóng)林廢棄物改性方法的研究，將對我國重金屬廢水的處理帶來很大的推動。

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A review on the development of heavy metal removal by the agricultural and forestry wastes*

REN Bin-qiao,OU Yang Fen-gju,SONG Xiao-xiao
（Institute of advaced technology of Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150000,China）

Agricultural and forestry wastes as bioadsorbents have been aroused great attentions due to its advantages such as low cost and wide range of sources,which can be efficiently and quickly remove heavy metal ions in wastewater.In this paper,we have analyzed the advantages of Agricultural and forestry wastes and also introduced the modification technologies of Agricultural and forestry wastes.Agricultural waste material being highly efficient and renewable source of biomass can be exploited for heavy metal remediation to improve their applicability.

agricultural and forestry wastes;modification;heavy metal;biosorption.

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170854

2017-04-05

黑龍江省科學院院所基本應(yīng)用技術(shù)研究專項（ZNGY1603）；黑龍江省科學院青年創(chuàng)新基金項目（CX16H02）

任濱僑（1985-），漢，黑龍江省哈爾濱市，碩士，助理研究員，研究方向：環(huán)境工程。

X703.1

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