活體微生物及磁分離技術(shù)在重金屬?gòu)U水處理中的應(yīng)用

王得梁，楊家鵬，黃碧捷，王一靖

(江漢大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430056)

1 活體微生物法處理重金屬?gòu)U水

廢水處理中，微生物法以其低成本，高效率，環(huán)境友好及選擇性好等優(yōu)勢(shì)引起了廣泛的關(guān)注。用于重金屬?gòu)U水處理的微生物種類有細(xì)菌、酵母、真菌和藻類?；铙w微生物法實(shí)質(zhì)就是利用生長(zhǎng)的細(xì)胞的胞外被動(dòng)吸附與胞內(nèi)主動(dòng)吸收作用相結(jié)合，達(dá)到高效去處廢水中重金屬的目的。微生物吸附重金屬離子機(jī)理包括：胞外沉淀、表面吸附、離子交換、絡(luò)合效應(yīng)、靜電結(jié)合、氧化還原、微沉積、胞內(nèi)累積等。

1.1 活體微生物的優(yōu)勢(shì)

以往的研究依據(jù)微生物金屬積累的生物過程主要有2個(gè)方向：死細(xì)胞或不生長(zhǎng)的失活微生物被動(dòng)吸附重金屬；活細(xì)胞或生長(zhǎng)的活體微生物主動(dòng)吸收重金屬。由于重金屬的生物毒性，當(dāng)細(xì)胞積累到一定重金屬含量時(shí)，生物體被鈍化或殺死，故而利用活體微生物的重金屬修復(fù)首先要馴化或篩選具有某重金屬抗性的微生物，活體微生物在主動(dòng)吸收重金屬的同時(shí)也有被動(dòng)吸附過程。

重金屬離子能附著在微生物細(xì)胞表面的結(jié)合位點(diǎn)，這一過程與微生物新陳代謝是沒有關(guān)系的，通過這種方式實(shí)現(xiàn)的重金屬微生物積累稱為生物吸附或被動(dòng)吸收；也有重金屬離子能穿過細(xì)胞膜參與微生物新陳代謝過程或?qū)⒔饘匐x子固定于細(xì)胞內(nèi)，這種方式實(shí)現(xiàn)的重金屬微生物積累稱為主動(dòng)吸收。失活微生物修復(fù)重金屬利用的是生物吸附，通過提高菌群的吸附容量及加大投加生物量達(dá)到修復(fù)效果；而活體微生物修復(fù)最大特點(diǎn)就是在生物吸附的同時(shí)存在主動(dòng)吸收過程，最初需要的生物量少，金屬離子主要集中在胞內(nèi)。

以往實(shí)驗(yàn)室研究集中在失活微生物上，并發(fā)現(xiàn)了大量具有很高重金屬生物積累能力的菌種，然而實(shí)際工程應(yīng)用效果并不理想，獲得更強(qiáng)處理效果的代價(jià)是更多的微生物絮凝劑與吸附劑，并且二次污染嚴(yán)重，由于解吸附作用的存在，使得處理效果不穩(wěn)定。重金屬活體微生物研究以其更高的吸收容量，更強(qiáng)的吸收效果及穩(wěn)定性，以及能利用有機(jī)物作為碳源，尤其在修復(fù)有機(jī)物-重金屬?gòu)?fù)合污染方面具有比失活微生物更廣闊的應(yīng)用前景。

1.2 活體微生物的篩選馴化

獲取具有目標(biāo)重金屬抗性，同時(shí)又具有較強(qiáng)吸附及吸收能力的菌體是利用活體微生物處理重金屬?gòu)U水的關(guān)鍵。一般按如下步驟進(jìn)行篩選馴化。

選取含高濃度目標(biāo)重金屬礦區(qū)中的土壤，排水溝污泥，沉渣中現(xiàn)場(chǎng)采樣。為獲得既能吸收重金屬，又具有重金屬抗性，同時(shí)還有較強(qiáng)形成菌膠團(tuán)能力的菌株，從工業(yè)廢水，尤其是從處理重金屬?gòu)U水的二沉池污泥進(jìn)行提取是很好的方法。

采樣后，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行單菌株或混合菌群的多次微生物標(biāo)準(zhǔn)分離直到培養(yǎng)長(zhǎng)出單菌落或無無關(guān)雜菌。然后加入目標(biāo)低濃度重金屬液培養(yǎng)，逐步提高重金屬液濃度培養(yǎng)馴化，觀察菌群是否可以存活，極限次數(shù)馴化后的各菌群接入斜面，培養(yǎng)后待用。馴化后，測(cè)定各菌群對(duì)目標(biāo)重金屬的去處率，去除率能高于50%(一般高效菌群能達(dá)80%以上)的菌群即可用于處理目標(biāo)重金屬?gòu)U水。

1.3 活體微生物處理重金屬?gòu)U水的效率

越來越多的研究集中于篩選土著及實(shí)驗(yàn)室馴化改良的高重金屬抗性的微生物種，并在實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)利用活體微生物處理目標(biāo)重金屬?gòu)U水。表1列出了已有報(bào)道的活體微生物菌種對(duì)銅、鉻、鎳、鈷、鉛、隔的抗性及對(duì)其生物吸收的去處效果。

由表1可見，活體微生物在對(duì)表中6種重金屬具有高抗性的同時(shí)，雖然去除率參差不齊，有如真菌(Aspergillusniger)對(duì)鎳，4 d，98%的高去處率，也有如酵母(Candidaspp). 對(duì)銅，8～13 d，5%的最低去處率，但是各種活體微生物都能對(duì)表中所列的金屬有一定能力的生物吸收，這將大大高于同種微生物單純吸附的量。為活體微生物處理重金屬?gòu)U水的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)及可行論證。對(duì)于具有高去處率的微生物物種可以嘗試應(yīng)用于工程實(shí)際，研究如何提高處理的穩(wěn)定性；其而對(duì)于低去處率的物種可以進(jìn)一步馴化，也可為新的活體微生物物種篩選提供經(jīng)驗(yàn)。

表1 活體微生物對(duì)重金屬的抗性及生物吸收效果

2 傳統(tǒng)磁分離處理重金屬?gòu)U水

磁分離技術(shù)是利用元素或組分磁敏感性的差異，借助外磁場(chǎng)對(duì)污染物進(jìn)行磁場(chǎng)處理，從而達(dá)到將污染物質(zhì)強(qiáng)化分離的目的。磁分離技術(shù)的基礎(chǔ)是一種物理分離技術(shù)，應(yīng)用于水處理中各個(gè)領(lǐng)域，尤其是在涉及重金屬?gòu)U水的相關(guān)工業(yè)活動(dòng)中，例如在鋼鐵工業(yè)廢水處理中，磁分離便廣泛應(yīng)用于濕法煤氣凈化洗滌水處理，燒結(jié)、煉鋼和軋鋼全流程廢水的處理等。相比其他重金屬?gòu)U水處理技術(shù)，磁分離具備處理量大，處理效果好，綠色能耗，設(shè)備單元簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

2.1 技術(shù)原理及分類

磁性是宏觀物體的基本屬性之一，通過外界或自身使得廢水中需去除的顆?；螂s質(zhì)具有磁性，便可以在外力磁場(chǎng)作用下，將這些帶磁性的雜質(zhì)或顆粒物從水相中分離出來，達(dá)到了凈水的目的。為了使需凈化的固相物質(zhì)更好的被外磁場(chǎng)捕獲，往往都需要進(jìn)行磁性接種，尤其是水中的非磁性或弱磁性的需去除的物質(zhì)能否具備磁性便成為了凈水成果與否的關(guān)鍵。同時(shí)，不同的物質(zhì)的磁性是有差別的，一般分為順磁性、反磁性和鐵磁性3類；目前應(yīng)用的磁分離器，無論是連續(xù)運(yùn)行還是間歇運(yùn)行，對(duì)雜質(zhì)顆粒的去除無外乎磁力吸著和磁凝聚沉降分離兩種，相對(duì)應(yīng)的設(shè)備為磁盤式，磁凝聚式和目前最為廣泛應(yīng)用的高梯度磁分離式3種。

2.2 代表性的磁分離設(shè)備—高梯度磁分離器

高梯度磁分離技術(shù)將磁力吸著和磁凝聚沉降分離相結(jié)合，通過在以磁力吸著為主的傳統(tǒng)均勻磁場(chǎng)中填充高飽和聚磁介質(zhì)(如海綿鎳、鐵磁性非晶質(zhì)合金、不銹鋼毛等)在分離器中產(chǎn)生高磁場(chǎng)梯度，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同磁性物質(zhì)的分離。顯然，高梯度磁分離器較傳統(tǒng)磁分離器而言，能更大規(guī)模，更有效率的實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化，并且其對(duì)粒度<1 μm，磁化率低至10-6數(shù)量級(jí)的顆粒均有較好的去除效果。決定高梯度磁分離器凈水能力的主要指標(biāo)有：磁場(chǎng)強(qiáng)度(一般應(yīng)>0.1T)越高越好；填料狀態(tài)，填料磁性越強(qiáng)、填料粒徑越細(xì)，填充相對(duì)越密，效果越好；流動(dòng)阻力適宜。目前，高梯度磁分離器幾乎應(yīng)用于所有廢水處理領(lǐng)域，日本電氣公司(NEC)研發(fā)的鐵氧體法-高梯度磁分離器是其中的典型代表，對(duì)廢水中重金屬去除率一般能大于90%。另外，利用導(dǎo)磁性工件高速旋轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)微電弧處理技術(shù)能高效去除重金屬，能實(shí)現(xiàn)80%以上的中水回用率和90%的重金屬回收利用。

2.3 磁分離技術(shù)與其他水處理技術(shù)的結(jié)合

磁分離技術(shù)與其他水處理技術(shù)之間的結(jié)合是其主要的應(yīng)用形式。例如，含Cu廢水的磁-電組合處理工藝的效果顯著強(qiáng)于傳統(tǒng)的普通電解處理。目前，磁分離技術(shù)已從處理磁性污染物廢水?dāng)U大到處理幾乎所有能磁化的廢水中，已經(jīng)形成了完整的理論、技術(shù)、設(shè)備和運(yùn)行體系。然而，磁場(chǎng)的生物效應(yīng)的作用機(jī)理的不確定性影響了磁分離技術(shù)的廣泛應(yīng)用。如何將微生物處理技術(shù)與磁分離相結(jié)合、滲透，達(dá)到更好的處理效果和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，無疑具有重要意義。目前，趨磁細(xì)菌-磁分離技術(shù)已被應(yīng)用到處理含Cr廢水，微生物-磁分離技術(shù)正在被廣泛研究之中。

3 趨磁細(xì)菌-磁分離技術(shù)處理重金屬?gòu)U水

利用趨磁細(xì)菌(MTB)從含金屬離子溶液中去除重金屬的可行性已經(jīng)被磁場(chǎng)分離技術(shù)和微生物復(fù)合技術(shù)處理金屬離子溶液的相關(guān)文獻(xiàn)所證實(shí)。MTB是通過細(xì)胞內(nèi)含的磁小體(粒徑30～100 nm)在外力磁場(chǎng)作用下進(jìn)行定向運(yùn)動(dòng)達(dá)到分離的目的，相比于傳統(tǒng)被分離的磁體，MTB還能對(duì)金屬離子進(jìn)行吸附，這樣便大大增強(qiáng)了水體中金屬離子的去除。有研究表明：MTB 對(duì)Cr (Ⅲ)的去除率可達(dá)到99 %(pH值為9.0，室溫，微生物量4 g/L，吸附時(shí)間5 min)另外，磁性納米顆粒(MNPs)吸附材料的廣泛研發(fā)使得其相比傳統(tǒng)吸附材料顯示出更多的優(yōu)勢(shì)，其能否成功應(yīng)用決定于其磁性的回收再生等相關(guān)過程。如果能將特定種的MTB馴化為對(duì)某種重金屬具有極限抗性的活體細(xì)菌，將大大提高M(jìn)TB對(duì)金屬離子的主動(dòng)吸收，提高對(duì)金屬離子的去除率?；铙w趨磁細(xì)菌-高梯度磁分離技術(shù)在理論上是可行的，此項(xiàng)聯(lián)用技術(shù)是一種很有經(jīng)濟(jì)價(jià)值及發(fā)展前途的重金屬?gòu)U水凈化手段。

4 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)期飲用含痕量重金屬的水將對(duì)人類健康產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，如何對(duì)水中痕量金屬離子的去除一直是水處理中的瓶頸。在這一問題的解決上，微生物法備受青睞?；铙w或失活微生物細(xì)胞以及來自微生物的產(chǎn)物均能高效、無二次污染的聚集可溶的和顆粒形狀的金屬。相比失活微生物，活體微生物已被證實(shí)在合適的碳源存在下便能更高效的吸收吸附重金屬，這也為同時(shí)去除水中有機(jī)污染物提供了可能性，唯一的問題就是沉淀回收。趨磁細(xì)菌磁分離技術(shù)正好解決了這個(gè)問題，二者相得益彰。同時(shí)，活體細(xì)菌篩選、生產(chǎn)以及新型磁分離器的研發(fā)，應(yīng)用也為環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)提供了新的機(jī)遇，將對(duì)實(shí)現(xiàn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益發(fā)揮越來越大的作用。