农林废弃物处理重金属废水的研究进展*

任滨侨，欧阳凤菊，宋晓晓

（黑龙江省科学院高技术研究院，黑龙江哈尔滨150000）

农林废弃物处理重金属废水的研究进展*

任滨侨，欧阳凤菊，宋晓晓

（黑龙江省科学院高技术研究院，黑龙江哈尔滨150000）

农林废弃物来源广泛，价格低廉，且利用农林废弃物制备的生物吸附剂对水溶液中重金属离子具有良好的吸附性能，因此，受到人们的广泛关注。本文分析了农林废弃物作为生物吸附剂处理重金属废水的优势，同时介绍了农林废弃物经高温炭化或化学修饰后，其吸附重金属离子的能力显著提高的特质。这种高效生物吸附剂实现了资源的回收利用。

农林废弃物；化学改性；重金属离子；生物吸附

随着人类生产活动的剧增，工业过程产生的废水进入水体造成的重金属污染已然成为世界范围内的环境问题，严重威胁着人类健康和水生生态系统。农林废弃物因其来源广泛，价格低廉且可再生，被认为是处理重金属废水的理想生物吸附剂。本文简述了近年来研究者们利用改性和天然农林废弃物作为生物吸附剂处理重金属废水的相关研究。

1 重金属污染水源及其危害

水体中的重金属（主要污染物包括pb、Hg、Cu、Cd、Zn、Ni和Cr）来自于各种工业生产过程，例如电镀鞣制、金属冶炼、化学制造、采矿、蓄电池制造等。水体重金属污染主要表现为河口、地表水复合污染严重，水中悬浮物和水底沉积物多含重金属，其中不同水域的主要重金属污染物也有所不同。我国的黄河和珠江流域属于Cd和Hg复合型污染，珠江干流河段属于Hg和Cd的复合污染区，辽河干流多为Hg污染，而淮河干流则属于Cd污染[1]。每种重金属对于人类健康会产生不同的影响效果和症状表现，例如过量的铅摄入对儿童的影响特别严重，铅毒会损伤人体神经系统、肾脏肝脏以及大脑；铜和锌离子属于人类新陈代谢必须的微量元素，但过量的锌离子会使人烦躁不安、肌肉僵硬。食欲不振和恶心，甚至有致癌的危险；暴露的镍化合物除了会引起胃肠不适、肺纤维化和皮肤皮炎等症状外，还会严重损伤肺和肾脏；镉不属于必需元素，长期接触后人体富集的镉与蛋白质结合抑制酶系统的生理功能，损害肾脏、肝脏和肺等器官，震惊世界的日本“痛痛病”就是因镉污染而致[2-6]。另外，多种重金属离子的协同作用，会导致毒性的增强。

2 重金属废水处理方法

对于工业废水中去除重金属的传统方法包括化学氧化、凝结、絮凝、膜过滤、活性炭吸附、电化学处理、离子交换、反渗透等[7-9]。这些方法在实际操作存在很多弊端，例如化学法产生的有毒重金属污泥其后处理费用高，易造成二次污染；离子交换法所使用的树脂，成本昂贵，容易被氧化而失效；电化学处理适用于低浓度的贵金属回收，原因在于其用电成本较高。其中传统方法的共同缺点就是当处理低于100mg·L-1的含重金属废水时操作费用和原材料成本相对较高，且易产生污染转移，造成二次污染。生物吸附法是一种简单、高效、经济、环保的方法，主要是通过将生物有机体当作吸附剂对废水中的重金属进行处理和回收。其优势在于低浓度时可以对特定金属进行选择性去除；去除效率高，贵重金属可回收利用；成本低且制约条件少。生物吸附法对于重金属污水处理具有较好的经济效益、社会效益与生态效益[10]。

3 农林废弃物作为生物吸附剂吸附重金属离子

生物材料可分为活体生物和非活体生物两大类，活体生物主要是指各种微生物（细菌、真菌及藻类等，利用生物体自身新陈代谢过程对重金属离子富集实现水体的净化，非活体是指各种农作物收获后留下的废弃物（秸秆、木屑、花生壳、椰壳、树皮、谷壳、果渣、菌糠等），利用其本身的吸附功能来达到净化的目的[11-14]。

农林废弃物来源广泛、价格低廉，富含纤维素、木质素，且少量含半纤维素、脂类、淀粉、单宁、果胶和蛋白质等，由于这些物质含有羰基和氨基等功能化基团，对重金属离子具有很强的亲和力，因此是一种良好应用前景的生物吸附剂。农林废弃物吸附重金属的机制主要是基于金属离子的生物吸附，包括静电吸附、离子交换、表面络合等过程[15-17]。我国广大农村每年产生大量的农林废弃物，这些废弃物虽然可用来作饲料、肥料和造浆造纸工业原料但利用量低于50%，每年仍有大部分农林废弃物被露天焚烧，不但引起大气污染造成雾霾天气，同时也是一种资源的浪费。目前，将农林废弃物等可再生资源，回收利用，被认为是一种可持续性发展的新型能源。

3.1 农林废弃物制成活性炭吸附剂吸附水中重金属

农林废弃物的改性方法包括物理和化学改性。物理改性主要通过高温热解农林废弃物制备出生物活性炭。活性炭应用于净化处理工业废水效果十分显著，但其传统生产原料成本高，从而限制了其大规模的应用。寻找低成本原料来制备活性生物炭非常必要，而农林废弃物就是理想的选择之一。不同来源的生物炭对水中重金属离子的吸附作用不同。Chand等[18]利用800℃炭化后的小麦和大麦秸秆吸附铬（VI），pH值为2.0时分别达到最大吸附容量1.67mol·kg-1和1.68mol·kg-1。Tong等[19]在酸性条件下利用农作物秸秆400℃制备出3种秸秆炭用于吸附铜离子，pH值为3.5～6.0的范围内，吸附能力随pH值增加而递进，3种秸秆炭也表现出不同的吸附能力，花生秸秆炭＞大豆秸秆炭＞油菜秸秆炭。Langmuir方程用于描述生物炭的吸附容量，pH值为5.0时3种秸秆炭最大吸附容量0.58～1.40mol·kg-1，而商品化活性炭pH值为5.0时最大吸附容量只有0.18mol·kg-1。

3.2 天然农林废弃物作为吸附剂吸附水中重金属

未改性的农林废弃物对水中重金属有一定的吸附能力，祝春水等[20]将洗净粉碎过花生壳用于吸附铜离子，pH值为5.0时室温120r·mi-1，振荡30min，吸附率可达97%。Jacques等[21]采用西番莲壳吸附水溶液中的Cr（III）和Pb（II），最大吸附量分别为85.1和151.6mg·g-1。天然农林废弃物的活性成分含量较低，直接用于吸附重金属容量小，吸附能力不强，主要由于直链线形分子链间及分子内部羟基基团形成的氢键影响反应活性，因此，引入新的活性基团提高农林废弃物的吸附容量是必不可少的。

3.3 改性农林废弃物作为吸附剂吸附水中重金属

4 结论

农林业废弃物资源广，可有效地作为金属阳离子的吸附剂。尽管目前关于农林废弃物吸附重金属离子机理尚不明晰，但一般认为与静电作用、离子交换和表面络合等过程有关。很多农林废弃物对水溶液中重金属具有很好的吸附性，通过物理和化学手段修饰的农林废弃物其吸附性能明显提高。该技术具有极大的生态效益和经济效益，已然成为水环境修复的研究热点。进一步开展对农林废弃物改性方法的研究，将对我国重金属废水的处理带来很大的推动。

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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

黑龙江省科学院院所基本应用技术研究专项（ZNGY1603）；黑龙江省科学院青年创新基金项目（CX16H02）

任滨侨（1985-），汉，黑龙江省哈尔滨市，硕士，助理研究员，研究方向：环境工程。

X703.1

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