生物吸附剂及其在重金属废水处理中的应用进展-尚宇

Vol.34,No.11Nov.2011第34卷第11期2011年11月HEBEIHUAGONG生物吸附剂及其在重金属废水处理中的应用进展尚宇，周健，黄艳（陕西环境监测中心站，陕西西安，710054）摘要：重金属离子严重危害人体健康，因此在废水处理中必须将其去除。传统去除重金属离子的方法很多，但都存在某些不足，近年发展起来的生物吸附技术，在水处理领域具有很好的应用前景。综述了近年来生物吸附剂在重金属废水处理中的应用情况，同时探讨了今后生物吸附法去除重金属的发展趋势。关键词：重金属；生物吸附剂；生物吸附；废水处理；应用中图分类号：X172文献标识码：A文章编号：1003-5095(2011)11-0035-04BiosorbentandItsApplicationProgressonTreatmentofHeavyMetalWasteWaterSHANGYu,ZHOUJian,HUANGYan(ShanxiEnvironmentalMonitoringCenter，Xi′an710054,China)Abstract:Astheheavymetalionsareseriouslyharmtohumanhealth,theymustberemovedfromwastewater.Sometradi-tionalmethodsofremovingtheheavymetalionshavesomeshortcomings.Inrecentyears,thebiosorptiontechnologyhasgoodprospectsinwatertreatment.Toreviewtheapplicationsofadsorbentsinheavymetalwastewatertreatmentanddis-cussthedevelopingtrendofabsorptionprocessforheavymetalremoval.Keywords:heavymetal;biosorbent;biosorption；wastewatertreatment;application近几十年来，汞、铅、镍、铬、镉、铜、锌等重金属污染与日俱增，其危害性引起了世界各国环境学者的关注。重金属废水主要来自矿山、冶炼、电解、电镀、农药、医药、油漆、颜料等企业排出的废水，其中重金属的种类、含量及存在形态随不同生产企业而异。如果不对重金属废水处理，就会严重污染环境。因此，去除废水中重金属有重要意义。生物吸附剂指具有从重金属废水中吸附分离重金属能力的生物质及衍生物。它最早被用于水溶液体系中重金属等无机物的分离[1]，近来也被用于染料、杀虫剂等生物难降解和有毒害有机物的分离与富集[2]。目前，生物吸附剂以其高效、廉价、吸附速度快、便于储存及易于分离回收重金属等优点，已引起国内外研究者的广泛关注。与传统的处理方法相比，生物吸附具有以下优点[3]：(1)在低浓度下，金属可以被选择性的去除；(2)节能、处理效率高；(3)操作时的pH值和温度条件范围宽；(4)易于分离回收重金属；(5)吸附剂易再生利用。1生物吸附剂的种类早期的生物吸附剂主要指微生物，如原核微生物中的细菌、放线菌，真核微生物中的酵母菌、霉菌等，以及藻类，甚至有人定义生物吸附为“利用微生物（活的、死的或其衍生物）分离水体系中金属离子的过程”[4,5]。但目前生物吸附剂的研究范围已不限于微生物，例如吸附剂可以是动植物碎片等无生命的生物物质，也可以是活的植物系统[6]。在判断一种材料是否适合作为生物吸附剂时，收稿日期：2011-09-21作者简介：尚宇（1983-），男，助理工程师，E-mail:[e-mail]。环境生物学河北化工HebeiChemicalIndustry第34卷一般要考虑：吸附剂的机械稳定性、对目的物的选择吸附性能、平衡吸附容量、吸附速度和应用成本。同时，这几个方面也是在针对特定物系选用生物吸附剂时要考察的几个必要条件。2生物吸附剂的应用2.1天然有机物吸附剂程发等[7]对壳聚糖的制备及其鳌合性能的研究认为，N,O-羧甲基壳聚糖同时含有羧基和胺基，为壳聚糖的重要衍生物之一，能使Cu2+、Pb2+、Hg2+、Zn2+等多种金属离子从很稀的溶液中沉积下来，在废水处理方面有重要的应用价值。李增新[8]等将80目天然沸石与65％脱乙酰度壳聚糖的0.5％醋酸溶液混合，使壳聚糖负载在天然沸石上，制成颗粒吸附剂，用于去除废水中Pb2+，并研究了其最佳工艺条件。2.2微生物2.2.1细菌细菌和放线菌作为生物吸附剂的一类，对很多金属离子有富集作用。屈艳芬等[9]研究了复合生物吸附剂FY01和活性污泥处理含铬电镀废水的吸附性能。结果表明，FY01和活性污泥具有良好的协同促进作用，10g/LFY01和15g/L污泥对通用电镀废水、康力电镀废水中铬的联合去除率分别高达97.7％和88.1％，比两者单独处理电镀废水的除铬率总和分别高出39.8％、44.6％。关晓辉等[10]以纳米Fe3O4负载浮游球衣菌为复合生物吸附剂，考察了其对Cr(Ⅵ)的吸附性能，并对生物吸附机理进行了初步研究。结果表明，pH值是影响复合生物吸附剂吸附Cr(Ⅵ)的主要因素，吸附的最佳pH值为2～3；用此复合生物吸附剂对Cr(Ⅵ)进行吸附，其单位吸附量为0.0217mmol/g。2.2.2真菌真菌在自然界中分布很广，土壤、水、空气和动植物中均有它们的存在。现已记载的真菌约有12万种，包括单细胞的酵母菌、小型霉菌和产生子实体的大型真菌，它们中的大多数都应用于工业生产。真菌类微生物具有菌丝体粗大、吸附后易于分离、吸附量大等特点。2.2.2.1酵母菌朱一民等[11,12]对啤酒酵母菌吸附Hg2+、Cd2+、Pd2+的性能进行了研究，结果表明啤酒酵母菌对Hg2+、Cd2+、Pd2+去除率分别为96%、93%、94.9%。李川等[13]通过酵母细胞自溶得到中空细胞壁。以硅酸乙酯为原料，制备硅溶胶，通过溶胶-凝胶法制备了粒径为250～600µm的硅载细胞壁生物吸附剂S-l。研究了S-l对Pb2+、Cd2+、Cu2+、Zn2+的吸附性能。结果S-l对Ag+及其它金属离子具有较高的吸附强度，对Pb2+和Cd2+具有较大的吸附容量。尹华[14]等研究了解脂假丝酵母、产朊假丝酵母和活性污泥处理含铬电镀废水的吸附与还原性能。结果表明，解脂假丝酵母对废水的pH适应范围广。2株酵母协同处理电镀废水，可以有效提高铬的生物吸附效率，对30.2mg/L总铬的去除率达91.1%。2.2.2.2霉菌Sudha等[15]研究了经不同化学试剂处理过的根霉对Cr(Ⅵ)的吸附情况与可能的机理；Akar等[16]采用全混批式系统研究了初始pH值、接触时间和初始金属离子浓度等控制条件对灰葡萄孢霉吸附Cd(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)的影响，优化了控制条件并给出了最大吸附能力值。2.2.3藻类海藻类微生物是生物吸附剂的一大组成部分，被较多地研究开发应用于从工业废水、受污染地下水、电镀废水、矿石加工废水中去除Pd2+、Pb2+、Ag+、Cr6+、Hg2+、Cu2+等重金属离子，而且吸附量往往很高。一些大型海藻的吸附容量比其它种类生物体高得多，甚至比活性炭、天然沸石的吸附容量还高，与离子交换树脂相当[17,18]。何园[19]采用处理过的海藻为生物吸附剂，以含金、银、铜、镍等贵重金属的电镀废水为吸附对象，分析了生物吸附等温线方程及吸附、解吸动力学变化规律。通过对pH值、金属离子初始浓度、吸附剂浓度等影响因子的研究确定其最佳吸附条件。秦益民等[20]对天然海带进行化学处理，研究了改性海带对铜离子的吸附能力。结果表明，天然海带、HC1处理后的海带及NaOH处理后的海带对铜离子的吸附量分别为59.3、38.6和88.0mg/g。化学改性提高了海带对铜离子的吸附能力，在废水处理中有很高的应用价值。范文宏等[21]以海藻酸钠、明胶和海带粉为原料制备了固定化海带生物吸附剂。吸附过程符合Langmuir和Freundlich吸附等温方程，由Langmuir吸附等温方程得出固定化海带生物吸附剂对Ni2+的最大吸附量为39.43mg/g，说明固定化海带生物吸附剂对Ni2+有较好的吸附性能。2.3农林废弃物将农林废弃物直接用于吸附溶液中的金属离子，一方面是由于其物理结构上孔隙度较高，比表面积较大，可以与金属离子发生物理吸附；另一方面，某些农林废弃物中含有较多的活性物质，这些··36第11期物质的存在有利于金属离子的吸附。农林废弃物的主要类型有树皮、秸秆、核壳、蔗渣等。Gupta等[22]研究了用过氧化氢化学处理的蔗渣灰(制糖工厂的固体废物)对Pb2+和Cr6+的去除效果。研究发现，经过氧化氢预处理后，蔗渣灰能够在60min内去除Cr6+，低于Pb2+(80min)。朱波[23]通过柠檬酸化学改性大豆秸秆制备出一种对重金属离子有着较好吸附性能的生物吸附剂。研究了该生物吸附剂对Cu(II)的吸附性能，并深入分析了吸附作用时间、Cu(II)溶液pH值、Cu(II)初始浓度对吸附的影响，并通过数据拟合得出了该生物吸附剂的吸附等温线。实验表明，柠檬酸改性大豆秆吸附剂是一种具有可比性的植物纤维性生物吸附剂。李莲[24]采用新型生物吸附剂豆渣(豆制品制作工艺中产生的废物)作为原料，在模拟条件下探讨了其对水体中单组分的二价镉(Cd2+)和锌(Zn2+)的吸附机制和吸附能力，分析了接触时间、pH值、金属离子浓度以及吸附剂浓度等对吸附效果的影响。通过Langmuir等温线和Freundlich等温线模拟，表明该吸附过程更符合Langmuir模型，Cd2+和Zn2+的最大吸附量分别为19.61mg/g和11.11mg/g。2.4其它生物吸附剂Nasemejad等[25]发现胡萝卜渣对水溶液中的Cr(Ⅲ)、Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)具有很好的吸附性能，其吸附过程符合Langmuir方程。胡茂盛[26]揭示了三裂叶豚草对重金属Cu2+的生物吸附规律，并通过匀浆单细胞制备技术和负压空化手段来提取其对重金属离子的吸附能力，初步探明了三裂叶豚草作为一种新型生物吸附剂的可能性与潜力。3总结与展望利用生物吸附法进行废水中有毒重金属的去除及稀有贵金属的回收，具有高效、经济、简便、选择性好的优点，特别是处理传统方法不能处理的低浓度重金属废水具有独特的应用价值，因此，生物吸附法是一种应用前景广阔的重金属废水的处理手段。虽然生物吸附法是从废水中脱除重金属的有效方法，但其工业化的步伐却一直很缓慢，其中吸附机理的研究还不透彻。因此，需要在探究吸附机理、建立更好的吸附过程进行模型模拟、生物吸附剂的再生和用真正的工业废水试验及固定的生物量方面进行进一步研究。工业化的重金属吸附剂需满足三方面要求：(1)能够快速有效进行吸附解吸操作，具有较好的重金属选择吸附特性；(2)成本低廉，再生性能良好；(3)具有较理想的物理、化学和机械性能(包括粒径、空隙度、耐冲击性等)，适于填充各种类型的反应器。目前人们筛选出的对重金属具有吸附潜力的生物体基本上能够满足前2个要求，而要满足第3个要求，则还要开展更多的关于生物吸附剂固定化技术的研究，使其能够像离子交换树脂和活性炭那样方便地应用于实际的处理过程中。参考文献[1]KaterinaDemnerova,BrianFlannigan.12thInternationalBiodeterio-ration&BiodegradationSymposium(BisorptionandBioremediationⅢ)[J].InternationalBiodeteriorationandBiodegradation,2004,53(4):195-283.[2]WalkerGM,WeatherleyLR.BiodegradationandBiosorptionofAc-idAnthraquinoneDye[J].EnvironmentalPollution,2000,108(2):219-223.[3]陈勇生,孙启俊.重金属的生物吸附剂