活体微生物及磁分离技术在重金属废水处理中的应用

王得梁，杨家鹏，黄碧捷，王一靖

(江汉大学 化学与环境工程学院，湖北 武汉 430056)

1 活体微生物法处理重金属废水

废水处理中，微生物法以其低成本，高效率，环境友好及选择性好等优势引起了广泛的关注。用于重金属废水处理的微生物种类有细菌、酵母、真菌和藻类。活体微生物法实质就是利用生长的细胞的胞外被动吸附与胞内主动吸收作用相结合，达到高效去处废水中重金属的目的。微生物吸附重金属离子机理包括：胞外沉淀、表面吸附、离子交换、络合效应、静电结合、氧化还原、微沉积、胞内累积等。

1.1 活体微生物的优势

以往的研究依据微生物金属积累的生物过程主要有2个方向：死细胞或不生长的失活微生物被动吸附重金属；活细胞或生长的活体微生物主动吸收重金属。由于重金属的生物毒性，当细胞积累到一定重金属含量时，生物体被钝化或杀死，故而利用活体微生物的重金属修复首先要驯化或筛选具有某重金属抗性的微生物，活体微生物在主动吸收重金属的同时也有被动吸附过程。

重金属离子能附着在微生物细胞表面的结合位点，这一过程与微生物新陈代谢是没有关系的，通过这种方式实现的重金属微生物积累称为生物吸附或被动吸收；也有重金属离子能穿过细胞膜参与微生物新陈代谢过程或将金属离子固定于细胞内，这种方式实现的重金属微生物积累称为主动吸收。失活微生物修复重金属利用的是生物吸附，通过提高菌群的吸附容量及加大投加生物量达到修复效果；而活体微生物修复最大特点就是在生物吸附的同时存在主动吸收过程，最初需要的生物量少，金属离子主要集中在胞内。

以往实验室研究集中在失活微生物上，并发现了大量具有很高重金属生物积累能力的菌种，然而实际工程应用效果并不理想，获得更强处理效果的代价是更多的微生物絮凝剂与吸附剂，并且二次污染严重，由于解吸附作用的存在，使得处理效果不稳定。重金属活体微生物研究以其更高的吸收容量，更强的吸收效果及稳定性，以及能利用有机物作为碳源，尤其在修复有机物-重金属复合污染方面具有比失活微生物更广阔的应用前景。

1.2 活体微生物的筛选驯化

获取具有目标重金属抗性，同时又具有较强吸附及吸收能力的菌体是利用活体微生物处理重金属废水的关键。一般按如下步骤进行筛选驯化。

选取含高浓度目标重金属矿区中的土壤，排水沟污泥，沉渣中现场采样。为获得既能吸收重金属，又具有重金属抗性，同时还有较强形成菌胶团能力的菌株，从工业废水，尤其是从处理重金属废水的二沉池污泥进行提取是很好的方法。

采样后，在实验室中进行单菌株或混合菌群的多次微生物标准分离直到培养长出单菌落或无无关杂菌。然后加入目标低浓度重金属液培养，逐步提高重金属液浓度培养驯化，观察菌群是否可以存活，极限次数驯化后的各菌群接入斜面，培养后待用。驯化后，测定各菌群对目标重金属的去处率，去除率能高于50%(一般高效菌群能达80%以上)的菌群即可用于处理目标重金属废水。

1.3 活体微生物处理重金属废水的效率

越来越多的研究集中于筛选土著及实验室驯化改良的高重金属抗性的微生物种，并在实验室及现场利用活体微生物处理目标重金属废水。表1列出了已有报道的活体微生物菌种对铜、铬、镍、钴、铅、隔的抗性及对其生物吸收的去处效果。

由表1可见，活体微生物在对表中6种重金属具有高抗性的同时，虽然去除率参差不齐，有如真菌(Aspergillusniger)对镍，4 d，98%的高去处率，也有如酵母(Candidaspp). 对铜，8～13 d，5%的最低去处率，但是各种活体微生物都能对表中所列的金属有一定能力的生物吸收，这将大大高于同种微生物单纯吸附的量。为活体微生物处理重金属废水的应用提供理论基础及可行论证。对于具有高去处率的微生物物种可以尝试应用于工程实际，研究如何提高处理的稳定性；其而对于低去处率的物种可以进一步驯化，也可为新的活体微生物物种筛选提供经验。

表1 活体微生物对重金属的抗性及生物吸收效果

2 传统磁分离处理重金属废水

磁分离技术是利用元素或组分磁敏感性的差异，借助外磁场对污染物进行磁场处理，从而达到将污染物质强化分离的目的。磁分离技术的基础是一种物理分离技术，应用于水处理中各个领域，尤其是在涉及重金属废水的相关工业活动中，例如在钢铁工业废水处理中，磁分离便广泛应用于湿法煤气净化洗涤水处理，烧结、炼钢和轧钢全流程废水的处理等。相比其他重金属废水处理技术，磁分离具备处理量大，处理效果好，绿色能耗，设备单元简单等优点。

2.1 技术原理及分类

磁性是宏观物体的基本属性之一，通过外界或自身使得废水中需去除的颗粒或杂质具有磁性，便可以在外力磁场作用下，将这些带磁性的杂质或颗粒物从水相中分离出来，达到了净水的目的。为了使需净化的固相物质更好的被外磁场捕获，往往都需要进行磁性接种，尤其是水中的非磁性或弱磁性的需去除的物质能否具备磁性便成为了净水成果与否的关键。同时，不同的物质的磁性是有差别的，一般分为顺磁性、反磁性和铁磁性3类；目前应用的磁分离器，无论是连续运行还是间歇运行，对杂质颗粒的去除无外乎磁力吸着和磁凝聚沉降分离两种，相对应的设备为磁盘式，磁凝聚式和目前最为广泛应用的高梯度磁分离式3种。

2.2 代表性的磁分离设备—高梯度磁分离器

高梯度磁分离技术将磁力吸着和磁凝聚沉降分离相结合，通过在以磁力吸着为主的传统均匀磁场中填充高饱和聚磁介质(如海绵镍、铁磁性非晶质合金、不锈钢毛等)在分离器中产生高磁场梯度，实现对不同磁性物质的分离。显然，高梯度磁分离器较传统磁分离器而言，能更大规模，更有效率的实现水质净化，并且其对粒度<1 μm，磁化率低至10-6数量级的颗粒均有较好的去除效果。决定高梯度磁分离器净水能力的主要指标有：磁场强度(一般应>0.1T)越高越好；填料状态，填料磁性越强、填料粒径越细，填充相对越密，效果越好；流动阻力适宜。目前，高梯度磁分离器几乎应用于所有废水处理领域，日本电气公司(NEC)研发的铁氧体法-高梯度磁分离器是其中的典型代表，对废水中重金属去除率一般能大于90%。另外，利用导磁性工件高速旋转为基础的旋转磁场微电弧处理技术能高效去除重金属，能实现80%以上的中水回用率和90%的重金属回收利用。

2.3 磁分离技术与其他水处理技术的结合

磁分离技术与其他水处理技术之间的结合是其主要的应用形式。例如，含Cu废水的磁-电组合处理工艺的效果显著强于传统的普通电解处理。目前，磁分离技术已从处理磁性污染物废水扩大到处理几乎所有能磁化的废水中，已经形成了完整的理论、技术、设备和运行体系。然而，磁场的生物效应的作用机理的不确定性影响了磁分离技术的广泛应用。如何将微生物处理技术与磁分离相结合、渗透，达到更好的处理效果和实际应用价值，无疑具有重要意义。目前，趋磁细菌-磁分离技术已被应用到处理含Cr废水，微生物-磁分离技术正在被广泛研究之中。

3 趋磁细菌-磁分离技术处理重金属废水

利用趋磁细菌(MTB)从含金属离子溶液中去除重金属的可行性已经被磁场分离技术和微生物复合技术处理金属离子溶液的相关文献所证实。MTB是通过细胞内含的磁小体(粒径30～100 nm)在外力磁场作用下进行定向运动达到分离的目的，相比于传统被分离的磁体，MTB还能对金属离子进行吸附，这样便大大增强了水体中金属离子的去除。有研究表明：MTB 对Cr (Ⅲ)的去除率可达到99 %(pH值为9.0，室温，微生物量4 g/L，吸附时间5 min)另外，磁性纳米颗粒(MNPs)吸附材料的广泛研发使得其相比传统吸附材料显示出更多的优势，其能否成功应用决定于其磁性的回收再生等相关过程。如果能将特定种的MTB驯化为对某种重金属具有极限抗性的活体细菌，将大大提高MTB对金属离子的主动吸收，提高对金属离子的去除率。活体趋磁细菌-高梯度磁分离技术在理论上是可行的，此项联用技术是一种很有经济价值及发展前途的重金属废水净化手段。

4 结语

长期饮用含痕量重金属的水将对人类健康产生深远的影响，如何对水中痕量金属离子的去除一直是水处理中的瓶颈。在这一问题的解决上，微生物法备受青睐。活体或失活微生物细胞以及来自微生物的产物均能高效、无二次污染的聚集可溶的和颗粒形状的金属。相比失活微生物，活体微生物已被证实在合适的碳源存在下便能更高效的吸收吸附重金属，这也为同时去除水中有机污染物提供了可能性，唯一的问题就是沉淀回收。趋磁细菌磁分离技术正好解决了这个问题，二者相得益彰。同时，活体细菌筛选、生产以及新型磁分离器的研发，应用也为环境保护产业提供了新的机遇，将对实现社会、经济、环境效益发挥越来越大的作用。