生物吸附劑在重金屬廢水處理中的應(yīng)用研究

張 喆，王敏香，劉 東，趙燕麗

山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院

生物吸附劑在重金屬廢水處理中的應(yīng)用研究

張 喆，王敏香，劉 東，趙燕麗

山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院

由于體內(nèi)重金屬過多而造成的人員傷亡事故時有發(fā)生，國家管理部門對工廠的污水排放有嚴格的規(guī)定，對于重金屬超標的廢水，在未通過相關(guān)的處理并達到標準之前，一律禁止向江河中排放。因此，怎么樣才能有效地去除或者降低廢水中的重金屬物質(zhì)，一直以來都是科學(xué)家討論和研究的重點之一。對廢水中的重金屬離子進行去除的傳統(tǒng)方法就已經(jīng)有很多種，例如，利用化學(xué)反應(yīng)中的沉淀方法或者電解的方法，還有物理方法中的蒸發(fā)濃縮法等都是傳統(tǒng)的去除重金屬離子的方法。這些方法在現(xiàn)今的生產(chǎn)中還在使用，只是這些方法都因為某些方面的缺陷而不能完全去除重金屬離子。近年來，生物吸附技術(shù)逐漸發(fā)展起來，且在廢水處理方面取得了較好的成就，同時也具有非常好的應(yīng)用愿景。本文介紹了生物吸附劑在重金屬廢水處理中的具體情況，也對生物吸附法在今后的重金屬去除中的發(fā)展方向。

吸附劑；重金屬；廢水處理；人體健康

當(dāng)今時代，水體重金屬的污染問題已經(jīng)成為全球性問題，重金屬離子對人體健康具有很嚴重的影響，對生態(tài)環(huán)境的破壞也是觸目驚心，因此對含有重金屬廢水的處理已經(jīng)得到廣泛關(guān)注。對廢水中的重金屬離子進行去除的傳統(tǒng)方法就已經(jīng)有很多種，例如，利用化學(xué)反應(yīng)中的沉淀方法或者電解的方法，還有物理方法中的蒸發(fā)濃縮法等都是傳統(tǒng)的去除重金屬離子的方法[1]。這些方法在現(xiàn)今的生產(chǎn)中還在使用，只是這些方法都因為某些方面的缺陷而不能完全去除重金屬離子。近年來，吸附法去除廢水中的重金屬離子由于材料易得、價格便宜、去除效果好等特點而很受人們的喜愛，且在廢水處理方面取得了較好的成就，同時也具有非常好的應(yīng)用愿景，值得在以后的生產(chǎn)中推廣使用。

1 生物吸附劑的種類

在早期的生物吸附劑研究中，微生物吸附劑的研究是最主要的研究方向，就如對原核及真核微生物中的放線菌、細菌、酵母菌和霉菌等微生物的研究，除此之外，有的藻類對重金屬離子也具有吸附作用。因此，有人將生物吸附劑的定義說成“充分運用微生物（活的、死的或其衍生物）的吸附特性，對水體中的金屬離子進行分離的過程”。現(xiàn)今對生物吸附劑的研究區(qū)域早已超出對微生物的單一研究，比如動植物的碎片或者活的植物系統(tǒng)，都可以是生物吸附劑[2]。

從科學(xué)的角度考慮一種生物材料能否作為吸附劑原料，需要充分考慮其原本具有的一些生物特性，對重金屬離子的吸附效果、是否具有選擇性的吸附特點、吸附重金屬時的最大吸附量以及取材與使用成本等。除此之外，生物吸附劑自身對金屬離子的吸附特點也是在選擇針對性的生物吸附劑時必須予以考慮的條件。

2 生物吸附劑的處理方法

2.1 生物吸附劑的預(yù)處理

生物吸附劑的預(yù)處理目的主要有以下幾種:第一，把吸附劑表層的質(zhì)子去除,對吸附的吸附位點進行活性化處理；第二，對吸附劑本身的一些化學(xué)性能或者物理性能進行改善。對其進行改善的方法主要有化學(xué)中的酸堿處理法及無機鹽的活化法，物理方法有碎裂法和熱反應(yīng)法等幾種。在化學(xué)酸堿處理法的使用中，幾乎所有的生物吸附劑均可以采用，只是在對活體吸附劑進行酸堿處理時，對其調(diào)配的酸堿濃度有偏低的要求。在對吸附劑進行酸處理時，其表現(xiàn)處理的作用通常都不太明顯,甚至還有可能降低吸附劑的吸附性能；對于堿處理來說，它主要是讓吸附劑表層上的質(zhì)子去除,降低吸附劑在吸附重金屬時，最大程度降低H+在與重金屬離子之間爭奪負離子的能力。李清彪在對白腐真菌的研究中，對其菌絲球經(jīng)過堿性化方法處理后,再把白腐真菌用于吸附Pb2+，發(fā)現(xiàn)它的吸附量增加到65%～90%。無機鹽活化的預(yù)處理主要是對活體生物吸附劑進行處理。之所以需要對吸附劑進行碎裂處理，是由于將其進行碎裂處理后，吸附劑被分解成其他較小、較多的吸附劑顆粒，從而可以增加對重金屬的吸附率。如尹平河等人在針對海藻的研究實驗中，將海藻粉碎前后對水體重金屬離子的吸附性進行對比，發(fā)現(xiàn)被粉碎了的海藻吸附性能比粉碎前提高了很多。熱反應(yīng)處理是通過改變吸附劑原來的化學(xué)性能,使它對重金屬的吸附量增加3到4倍。

2.2 生物吸附劑的性能固定化

對生物吸附劑的性能固定化的目的是提高其對廢水中金屬離子的吸附性，并在其原有的化學(xué)性能的基礎(chǔ)上又更進一步的提高，方便吸附處理后的固液體相互分離。有多鐘方法對生物吸附劑進行固定化處理，但最主要的還是包埋固定化或者交聯(lián)固定化。Ho land曾經(jīng)的多糖化合物研究中，發(fā)現(xiàn)該藻類物質(zhì)在堿性溶液中十分容易發(fā)生電解反應(yīng)，但在酸性條件時又很容易發(fā)生水解。因此，對金屬離子吸附能力降低的主要原因是交聯(lián)反應(yīng)時所處的強酸條件對強堿環(huán)境中具有吸附性能的多糖物質(zhì)產(chǎn)生了破壞。大多數(shù)生物吸附劑進行化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)后，它的使用壽命以及硬度結(jié)構(gòu)在很大程度上都有顯著的改善，但是在進行該反應(yīng)后，吸附劑的吸附量卻有了明顯的降低，經(jīng)過分析后得出其下降程度伴隨吸附劑以及交聯(lián)方法的不同而表現(xiàn)出不同的結(jié)果。一般來說，要對吸附劑進行固定化處理的話，選擇合適的載體是非常重要的，例如聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、等都是比較常用的固定載體[3]。

2.3 生物吸附劑的脫附處理

生活中，我們不但需要對廢水中的重金屬進行去除處理，也需要對一些貴金屬物質(zhì)進行回收使用，因此，吸附劑的脫附成為了關(guān)鍵問題，對吸附劑進行脫附不但可以滿足貴金屬的回收利用，還可以將吸附劑進行循環(huán)使用，從而達到了對吸附劑的成本控制效果。而常用的具有脫附效果的脫附劑有強酸和金屬鹽以及絡(luò)合物等。將強酸或者金屬銀當(dāng)作脫附劑的原理是“強強反應(yīng)”，H+與排在化學(xué)周期表前列具有強還原性的的金屬離子與吸附劑上的弱還原性金屬離子爭奪吸附點，從而順利把重金屬離子還原為重金屬單質(zhì)，達到脫附的目的。絡(luò)合物對吸附劑進行脫附的原理是絡(luò)合物較易與重金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，從而將重金屬離子與吸附劑分離開來。一般來說，強酸的酸濃度越高，對吸附劑的脫附效果也越高，田建明的外紅硫螺菌充分證明了這一點。田建明將pH值分別為5、3、2酸性溶液用于對吸附飽和的外紅硫螺菌進行脫附試驗，發(fā)現(xiàn)其托福率隨著酸濃度降低而降低。

3 生物吸附劑的吸附原理及應(yīng)用

3.1 吸附原理

生物吸附劑對金屬離子的吸附處理過程可看作2個階段：主動吸附與被動吸附。（1）被動吸附。是指細胞表面對金屬離子的吸附,即是說細胞外的多聚物主動與金屬離子的結(jié)合反應(yīng)，還有金屬離子與細胞壁上存在的官能基團主動結(jié)合的吸附。（2）主動吸附。是指細胞的酶傳輸作用，在細胞表面上有一種具有傳輸功能的酶主動將金屬離子傳入細胞內(nèi)壁。因為生物細胞本身具有非常復(fù)雜的組成結(jié)構(gòu),因此目前對該種吸附原理還不具有較健全的研究理論。

3.1.1 離子交換機理

在化學(xué)反應(yīng)中，一般都是根據(jù)強強反應(yīng)原理進行反應(yīng)。并且，每一項反應(yīng)的結(jié)果是，一種離子與另外一種離子相結(jié)合，那么就還有一種離子被釋放，而科學(xué)家的實驗表明生物吸附劑的吸附原理與化學(xué)反應(yīng)的原理十分相似，細胞對一種金屬陽離子進行吸附時，就會釋放出另一種陽離子，而且吸附的金屬陽離子數(shù)與釋放的陽離子數(shù)具有等量的關(guān)系。死的活性真菌P y c n o p o r n s sanguineus具有很強的去除重金屬離子的作用，X-射線能量散射光譜分析表明,鉀和鈣兩種元素細胞壁組成的基礎(chǔ)性元素，那么，生物吸附劑在對還原性比較弱的Pb2+，Cu2+和Cd2+等重金屬離子進行吸附時，鉀和鈣離子卻被逐漸的釋放出來，生物吸附劑吸附以后在X-射線光譜中，沒有鉀離子與鈣離子的光譜，而其他被吸附的離子的光譜卻被呈現(xiàn)出來[4]。

3.1.2 生物吸附劑的表面絡(luò)合機理

在使用生物吸附劑對重金屬離子進行吸附時，生物吸附劑的細胞壁對所吸附的重金屬離子具有選擇性與決定性。對于微生物來說，其細胞表面主要含有蛋白質(zhì)、脂類和其他的多聚糖等，而可以與重金屬離子相結(jié)合并達到吸附效果的主要成分是官能團羥基、硫酸酯基、氨基等幾種基團，而其中所含的氧、硫、磷、氮等各種原子則被當(dāng)成配位原子與溶液中的重金屬離子發(fā)生配位絡(luò)合反應(yīng)。

3.1.3 氧化還原及無機微沉淀機理

具有變價特性的金屬離子的化學(xué)穩(wěn)定性非常弱，因此，當(dāng)生物體對具有變價特性的金屬離子進行吸附時，極易與金屬離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)。例如:在科學(xué)家對小藻球的研究實驗中，發(fā)現(xiàn)小藻球具有很強的吸附Au3+的能力，但是在其吸附完成后的光譜實驗中，卻沒有發(fā)現(xiàn)Au3+的光譜存在，進行脫附以后也只有Au+被脫附下來。實驗說明小藻球順著Au3+——Au+——Au的順序，把Au3+逐漸變成了銅單質(zhì)[5]。

3.1.4 酶促機理

雖然活性與非活性都可以當(dāng)作吸附劑對重金屬進行吸附處理，但是活性生物的吸附作用有可能與生物體細胞上存在的某種酶具有十分密切的關(guān)系。例如，在以及使用過的啤酒酵母中，就存在著磷酸酶，這種酶金屬離子具有從細胞外向細胞內(nèi)運輸?shù)淖饔茫菇饘匐x子在細胞累累計起來，達到去除廢水中重金屬離子的作用。

3.2 生物吸附劑的應(yīng)用

由于生物吸附劑本身的一些價格及使用特性，其可以廣泛地運用于廢水重金屬的處理當(dāng)中，也受到了近現(xiàn)代科學(xué)家熱烈關(guān)注。生物吸附劑不但取材方便、簡單，而且價格也比較便宜，還具有重復(fù)使用的特點。由于生物吸附劑一般是藻類、菌體或者是一些細胞提取物，因此有人定義生物吸附劑為對金屬離子或其他污染物具有吸附性的活的或死的微生物[6]。

4 結(jié)束語

綜上所訴，生物吸附劑具有純天然的特性，而它對廢水中的重金屬離子又具有很好的吸附去除的功效，所以值得在以后的研究中深層次的挖掘，并在今后的生產(chǎn)中廣泛的應(yīng)用，具有一個非常良好的應(yīng)用前景。其實，生物吸附劑作為去除廢水中重金屬的吸附劑使用的非常少，大多還只是在實驗研究當(dāng)中。在今后的研究中可以對以下幾點作針對性的研究：其一是對生物體的吸附機理的研究，以該研究作為出發(fā)點，研究生物體吸附重金屬的化學(xué)原理、物理學(xué)原理以及生物學(xué)原理。其二是在對生物體吸附劑的實際應(yīng)用中的研究，對一些比較難以處理的重金屬物質(zhì)的吸附能力作進一步的研究，讓生物體作為吸附劑不再停留在實驗研究上，而是可以真正地應(yīng)用于我們的日常生產(chǎn)、生活中。

[1]王靖宇,劉敬勇,裴媛媛,蔡華梅,黃曼雯,藍靜.吸附劑在工業(yè)廢水重金屬處理中的應(yīng)用研究進展[J].安徽農(nóng)學(xué)通報（下半月刊）, 2011,16:128-130.

[2]尚宇,周健,黃艷.生物吸附劑及其在重金屬廢水處理中的應(yīng)用進展[J].河北化工,2011,11:35-37+40.

[3]李琛.天然有機吸附劑在重金屬廢水處理中的應(yīng)用[J].化工技術(shù)與開發(fā),2013,09:53-58.

[4]李長波,趙國崢,張洪林,蔣林時,苗磊.生物吸附劑處理含重金屬廢水研究進展[J].化學(xué)與生物工程,2006,02:10-12.

[5]呂華.生物吸附劑及其在重金屬廢水處理中的應(yīng)用進展[J].資源節(jié)約與環(huán)保,2015,01:50-51.

[6]Katerina Demnerova,Brian Flannigan.12th International Bio?deterio-ration&Biodegradation Symposium（Bisorption and Bioreme?diationⅢ）[J].International Biodeterioration and Biodegradation,2004, 53（4）:195-283.

張喆（1992-），男，江蘇興化人，碩士，研究方向：環(huán)境污染控制。