生物吸附剂在重金属废水处理中的应用研究

张 喆，王敏香，刘 东，赵燕丽

山东建筑大学市政与环境工程学院

生物吸附剂在重金属废水处理中的应用研究

张 喆，王敏香，刘 东，赵燕丽

山东建筑大学市政与环境工程学院

由于体内重金属过多而造成的人员伤亡事故时有发生，国家管理部门对工厂的污水排放有严格的规定，对于重金属超标的废水，在未通过相关的处理并达到标准之前，一律禁止向江河中排放。因此，怎么样才能有效地去除或者降低废水中的重金属物质，一直以来都是科学家讨论和研究的重点之一。对废水中的重金属离子进行去除的传统方法就已经有很多种，例如，利用化学反应中的沉淀方法或者电解的方法，还有物理方法中的蒸发浓缩法等都是传统的去除重金属离子的方法。这些方法在现今的生产中还在使用，只是这些方法都因为某些方面的缺陷而不能完全去除重金属离子。近年来，生物吸附技术逐渐发展起来，且在废水处理方面取得了较好的成就，同时也具有非常好的应用愿景。本文介绍了生物吸附剂在重金属废水处理中的具体情况，也对生物吸附法在今后的重金属去除中的发展方向。

吸附剂；重金属；废水处理；人体健康

当今时代，水体重金属的污染问题已经成为全球性问题，重金属离子对人体健康具有很严重的影响，对生态环境的破坏也是触目惊心，因此对含有重金属废水的处理已经得到广泛关注。对废水中的重金属离子进行去除的传统方法就已经有很多种，例如，利用化学反应中的沉淀方法或者电解的方法，还有物理方法中的蒸发浓缩法等都是传统的去除重金属离子的方法[1]。这些方法在现今的生产中还在使用，只是这些方法都因为某些方面的缺陷而不能完全去除重金属离子。近年来，吸附法去除废水中的重金属离子由于材料易得、价格便宜、去除效果好等特点而很受人们的喜爱，且在废水处理方面取得了较好的成就，同时也具有非常好的应用愿景，值得在以后的生产中推广使用。

1 生物吸附剂的种类

在早期的生物吸附剂研究中，微生物吸附剂的研究是最主要的研究方向，就如对原核及真核微生物中的放线菌、细菌、酵母菌和霉菌等微生物的研究，除此之外，有的藻类对重金属离子也具有吸附作用。因此，有人将生物吸附剂的定义说成“充分运用微生物（活的、死的或其衍生物）的吸附特性，对水体中的金属离子进行分离的过程”。现今对生物吸附剂的研究区域早已超出对微生物的单一研究，比如动植物的碎片或者活的植物系统，都可以是生物吸附剂[2]。

从科学的角度考虑一种生物材料能否作为吸附剂原料，需要充分考虑其原本具有的一些生物特性，对重金属离子的吸附效果、是否具有选择性的吸附特点、吸附重金属时的最大吸附量以及取材与使用成本等。除此之外，生物吸附剂自身对金属离子的吸附特点也是在选择针对性的生物吸附剂时必须予以考虑的条件。

2 生物吸附剂的处理方法

2.1 生物吸附剂的预处理

生物吸附剂的预处理目的主要有以下几种:第一，把吸附剂表层的质子去除,对吸附的吸附位点进行活性化处理；第二，对吸附剂本身的一些化学性能或者物理性能进行改善。对其进行改善的方法主要有化学中的酸碱处理法及无机盐的活化法，物理方法有碎裂法和热反应法等几种。在化学酸碱处理法的使用中，几乎所有的生物吸附剂均可以采用，只是在对活体吸附剂进行酸碱处理时，对其调配的酸碱浓度有偏低的要求。在对吸附剂进行酸处理时，其表现处理的作用通常都不太明显,甚至还有可能降低吸附剂的吸附性能；对于碱处理来说，它主要是让吸附剂表层上的质子去除,降低吸附剂在吸附重金属时，最大程度降低H+在与重金属离子之间争夺负离子的能力。李清彪在对白腐真菌的研究中，对其菌丝球经过碱性化方法处理后,再把白腐真菌用于吸附Pb2+，发现它的吸附量增加到65%～90%。无机盐活化的预处理主要是对活体生物吸附剂进行处理。之所以需要对吸附剂进行碎裂处理，是由于将其进行碎裂处理后，吸附剂被分解成其他较小、较多的吸附剂颗粒，从而可以增加对重金属的吸附率。如尹平河等人在针对海藻的研究实验中，将海藻粉碎前后对水体重金属离子的吸附性进行对比，发现被粉碎了的海藻吸附性能比粉碎前提高了很多。热反应处理是通过改变吸附剂原来的化学性能,使它对重金属的吸附量增加3到4倍。

2.2 生物吸附剂的性能固定化

对生物吸附剂的性能固定化的目的是提高其对废水中金属离子的吸附性，并在其原有的化学性能的基础上又更进一步的提高，方便吸附处理后的固液体相互分离。有多钟方法对生物吸附剂进行固定化处理，但最主要的还是包埋固定化或者交联固定化。Ho land曾经的多糖化合物研究中，发现该藻类物质在碱性溶液中十分容易发生电解反应，但在酸性条件时又很容易发生水解。因此，对金属离子吸附能力降低的主要原因是交联反应时所处的强酸条件对强碱环境中具有吸附性能的多糖物质产生了破坏。大多数生物吸附剂进行化学交联反应后，它的使用寿命以及硬度结构在很大程度上都有显著的改善，但是在进行该反应后，吸附剂的吸附量却有了明显的降低，经过分析后得出其下降程度伴随吸附剂以及交联方法的不同而表现出不同的结果。一般来说，要对吸附剂进行固定化处理的话，选择合适的载体是非常重要的，例如聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、等都是比较常用的固定载体[3]。

2.3 生物吸附剂的脱附处理

生活中，我们不但需要对废水中的重金属进行去除处理，也需要对一些贵金属物质进行回收使用，因此，吸附剂的脱附成为了关键问题，对吸附剂进行脱附不但可以满足贵金属的回收利用，还可以将吸附剂进行循环使用，从而达到了对吸附剂的成本控制效果。而常用的具有脱附效果的脱附剂有强酸和金属盐以及络合物等。将强酸或者金属银当作脱附剂的原理是“强强反应”，H+与排在化学周期表前列具有强还原性的的金属离子与吸附剂上的弱还原性金属离子争夺吸附点，从而顺利把重金属离子还原为重金属单质，达到脱附的目的。络合物对吸附剂进行脱附的原理是络合物较易与重金属离子发生络合反应，从而将重金属离子与吸附剂分离开来。一般来说，强酸的酸浓度越高，对吸附剂的脱附效果也越高，田建明的外红硫螺菌充分证明了这一点。田建明将pH值分别为5、3、2酸性溶液用于对吸附饱和的外红硫螺菌进行脱附试验，发现其托福率随着酸浓度降低而降低。

3 生物吸附剂的吸附原理及应用

3.1 吸附原理

生物吸附剂对金属离子的吸附处理过程可看作2个阶段：主动吸附与被动吸附。（1）被动吸附。是指细胞表面对金属离子的吸附,即是说细胞外的多聚物主动与金属离子的结合反应，还有金属离子与细胞壁上存在的官能基团主动结合的吸附。（2）主动吸附。是指细胞的酶传输作用，在细胞表面上有一种具有传输功能的酶主动将金属离子传入细胞内壁。因为生物细胞本身具有非常复杂的组成结构,因此目前对该种吸附原理还不具有较健全的研究理论。

3.1.1 离子交换机理

在化学反应中，一般都是根据强强反应原理进行反应。并且，每一项反应的结果是，一种离子与另外一种离子相结合，那么就还有一种离子被释放，而科学家的实验表明生物吸附剂的吸附原理与化学反应的原理十分相似，细胞对一种金属阳离子进行吸附时，就会释放出另一种阳离子，而且吸附的金属阳离子数与释放的阳离子数具有等量的关系。死的活性真菌P y c n o p o r n s sanguineus具有很强的去除重金属离子的作用，X-射线能量散射光谱分析表明,钾和钙两种元素细胞壁组成的基础性元素，那么，生物吸附剂在对还原性比较弱的Pb2+，Cu2+和Cd2+等重金属离子进行吸附时，钾和钙离子却被逐渐的释放出来，生物吸附剂吸附以后在X-射线光谱中，没有钾离子与钙离子的光谱，而其他被吸附的离子的光谱却被呈现出来[4]。

3.1.2 生物吸附剂的表面络合机理

在使用生物吸附剂对重金属离子进行吸附时，生物吸附剂的细胞壁对所吸附的重金属离子具有选择性与决定性。对于微生物来说，其细胞表面主要含有蛋白质、脂类和其他的多聚糖等，而可以与重金属离子相结合并达到吸附效果的主要成分是官能团羟基、硫酸酯基、氨基等几种基团，而其中所含的氧、硫、磷、氮等各种原子则被当成配位原子与溶液中的重金属离子发生配位络合反应。

3.1.3 氧化还原及无机微沉淀机理

具有变价特性的金属离子的化学稳定性非常弱，因此，当生物体对具有变价特性的金属离子进行吸附时，极易与金属离子发生氧化还原反应。例如:在科学家对小藻球的研究实验中，发现小藻球具有很强的吸附Au3+的能力，但是在其吸附完成后的光谱实验中，却没有发现Au3+的光谱存在，进行脱附以后也只有Au+被脱附下来。实验说明小藻球顺着Au3+——Au+——Au的顺序，把Au3+逐渐变成了铜单质[5]。

3.1.4 酶促机理

虽然活性与非活性都可以当作吸附剂对重金属进行吸附处理，但是活性生物的吸附作用有可能与生物体细胞上存在的某种酶具有十分密切的关系。例如，在以及使用过的啤酒酵母中，就存在着磷酸酶，这种酶金属离子具有从细胞外向细胞内运输的作用，使金属离子在细胞累累计起来，达到去除废水中重金属离子的作用。

3.2 生物吸附剂的应用

由于生物吸附剂本身的一些价格及使用特性，其可以广泛地运用于废水重金属的处理当中，也受到了近现代科学家热烈关注。生物吸附剂不但取材方便、简单，而且价格也比较便宜，还具有重复使用的特点。由于生物吸附剂一般是藻类、菌体或者是一些细胞提取物，因此有人定义生物吸附剂为对金属离子或其他污染物具有吸附性的活的或死的微生物[6]。

4 结束语

综上所诉，生物吸附剂具有纯天然的特性，而它对废水中的重金属离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层次的挖掘，并在今后的生产中广泛的应用，具有一个非常良好的应用前景。其实，生物吸附剂作为去除废水中重金属的吸附剂使用的非常少，大多还只是在实验研究当中。在今后的研究中可以对以下几点作针对性的研究：其一是对生物体的吸附机理的研究，以该研究作为出发点，研究生物体吸附重金属的化学原理、物理学原理以及生物学原理。其二是在对生物体吸附剂的实际应用中的研究，对一些比较难以处理的重金属物质的吸附能力作进一步的研究，让生物体作为吸附剂不再停留在实验研究上，而是可以真正地应用于我们的日常生产、生活中。

[1]王靖宇,刘敬勇,裴媛媛,蔡华梅,黄曼雯,蓝静.吸附剂在工业废水重金属处理中的应用研究进展[J].安徽农学通报（下半月刊）, 2011,16:128-130.

[2]尚宇,周健,黄艳.生物吸附剂及其在重金属废水处理中的应用进展[J].河北化工,2011,11:35-37+40.

[3]李琛.天然有机吸附剂在重金属废水处理中的应用[J].化工技术与开发,2013,09:53-58.

[4]李长波,赵国峥,张洪林,蒋林时,苗磊.生物吸附剂处理含重金属废水研究进展[J].化学与生物工程,2006,02:10-12.

[5]吕华.生物吸附剂及其在重金属废水处理中的应用进展[J].资源节约与环保,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.

张喆（1992-），男，江苏兴化人，硕士，研究方向：环境污染控制。