生物吸附法處理重金屬?gòu)U水的應(yīng)用和研究進(jìn)展

生物吸附法處理重金屬?gòu)U水的應(yīng)用和研究進(jìn)展第1頁(yè)/共20頁(yè)自從日本發(fā)生水俁病和痛疼病之后，如何治理重金屬?gòu)U水已經(jīng)受到科學(xué)家們的普遍關(guān)注。來(lái)源：礦冶、機(jī)械制造、化工、電子、儀表等工業(yè)廢水傳統(tǒng)方法：氫氧化物沉淀法、蒸發(fā)濃縮法、電積、離子交換法、活性炭吸附法。第2頁(yè)/共20頁(yè)處理方法出水水質(zhì)耗酸堿多種金屬離子污泥量二次污染成本其它化學(xué)法差耗難大有低再生困難離子交換法好耗難少有高可再生和回收活性炭吸附法尚可耗難少有高周期長(zhǎng)，回收困差難電解法差耗可大有高耗電不大微生物吸附法好不可極少無(wú)低水可回用，金屬可低收第3頁(yè)/共20頁(yè)一、吸附機(jī)理

微生物吸附法就是利用某些微生物本身的化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)特征來(lái)吸附溶于水中的重金屬，再通過(guò)固液兩相分離去除水中的重金屬離子的方法。生物吸附法活細(xì)胞吸附死細(xì)胞吸附

生物吸著（配位、鰲合、離子交換、物理吸附、沉淀）生物積累（酯類過(guò)度氧化、復(fù)合物滲透、載體協(xié)助、離子泵）第4頁(yè)/共20頁(yè)重金屬?gòu)U水生物懸浮液生物培養(yǎng)液生物＋絡(luò)合金屬破壞性金屬回收非破壞行金屬回收金屬生物再循環(huán)

微生物從溶液中去除重金屬的主要機(jī)制包括：揮發(fā)、細(xì)胞外沉積、細(xì)胞外絡(luò)合及隨后的積聚、結(jié)合在細(xì)胞表面、細(xì)胞內(nèi)積聚。第5頁(yè)/共20頁(yè)三、生物吸附劑

凡具有從溶液中分離金屬能力的生物體或生物體制備的衍生物都可稱為生物吸附劑，主要有菌體、藻類、細(xì)胞提取物等。第6頁(yè)/共20頁(yè)吸附劑類型種類名稱重金屬Rhizopusarrhizus霉菌根霉菌Ag、Au、Cd、CrAspergillusniger霉菌黑曲霉Hg、Mn、Ni、URhizcpusnigricans霉菌黑根霉Cd、CuP.chrysosporium霉菌黃青霉Cd、Cu、Hg、PbPestalotiopsissp.真菌真菌Pb、ZnS.loogwoodensis放線菌放線菌UBacillussubtilis細(xì)菌枯草桿菌Au、Cr、NiSaccharamyceservisiae酵母啤酒酵母菌Au、Co、U、Zn、ThFucussp.褐藻浮游馬尾藻CdBacillus.sp細(xì)菌桿菌屬Cu、ZnEnterobactersp.細(xì)菌腸細(xì)菌Pb、Cu、CdDesulfcvibriodesulfuricans細(xì)菌硫酸鹽還原菌CrThiobacillusferrooxidan細(xì)菌氧化鐵硫桿菌U第7頁(yè)/共20頁(yè)

SulemanQaiser和AnwarR.Saleemi等研究了從ficusreligiosa樹(shù)葉中提取的纖維素進(jìn)行對(duì)Cr和Pb的生物吸附的研究。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在一小時(shí)內(nèi)吸附達(dá)到平衡。鉛和鉻的平衡吸附容量分別為16.95±0.75mg/g和5.66±0.43mg/g。它們的最適宜pH值分別為4和1。同時(shí)它們的最適宜反應(yīng)溫度分別為40℃和25℃。對(duì)于這兩種吸附的機(jī)制分別為：鉛是質(zhì)子和金屬陽(yáng)離子之間的離子交換，鉻是金屬陰離子和羥基之間的離子交換。并且它們都是發(fā)生在吸附劑表面的單層吸附。

第8頁(yè)/共20頁(yè)生物吸附劑在去除水中重金屬離子方面與普通的離子交換劑相比其主要優(yōu)點(diǎn)是：1）作為吸附劑的生物源造價(jià)低2）優(yōu)質(zhì)的生物吸附機(jī)吸附容量比普通離子交換劑大3）低濃度時(shí)，生物吸附劑對(duì)重金屬的去除效率明顯地高于普通的離子交換劑。生物吸附劑的預(yù)處理包括酸堿處理和細(xì)胞的固定化技術(shù)。一般的吸附劑比較適合用堿處理，因?yàn)閴A處理可能改變生物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，暴露出額外的活性基團(tuán)。而酸處理可能因?yàn)闅潆x子和金屬離子的競(jìng)爭(zhēng)作用導(dǎo)致吸附效率降低。固定化技術(shù)是將分散、游離的微生物通過(guò)物理或化學(xué)的方法，固定在某一限定區(qū)域以提高微生物的濃度。其主要包括吸附法、共價(jià)結(jié)合法、交聯(lián)法和包埋法等四類。第9頁(yè)/共20頁(yè)四、工作原理

按要求把制備好的生物吸附劑放入反應(yīng)器，使含重金屬離子的水溶液以一定流速通過(guò)吸附劑，水中的重金屬離子被吸附劑上的微生物吸附，從而去除或降低水中的重金屬離子。當(dāng)吸附劑失效后，通過(guò)再生恢復(fù)其活性。從濃縮的重金屬溶液中可回收重金屬，生物吸附劑的再生可以在不連續(xù)的工作狀態(tài)下用稀酸和其它合適的溶液進(jìn)行

第10頁(yè)/共20頁(yè)解吸：

由于生物吸附是可逆的“吸附-解吸”動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，被吸附的重金屬殼被整合劑如EDTA、酸和其它離子等解吸下來(lái)，吸附劑可再生循環(huán)使用，為金屬回收提供了一種經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的方法。稀HNO3溶液對(duì)Pb的解吸有效，解吸率達(dá)95.2%。酒精酵母菌吸附鈾后，0.1mol/L的NaHCO3溶液對(duì)它的解吸率為92.3%。對(duì)吸附Pb的釀酒酵母，乙酸有良好的解吸作用。假如NaOH調(diào)節(jié)pH至9~12，被吸附的Cr6+可被解吸，解吸率為13.6%~67.9%。通過(guò)解吸劑，不但能實(shí)現(xiàn)生物吸附劑的再生，而且為金屬回收提供了一種經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的方法。第11頁(yè)/共20頁(yè)五、影響生物吸附的幾個(gè)因素1.溶液的pH值

多數(shù)情況下，系統(tǒng)地pH值是影響吸附量的決定因素。眾多研究表明，吸附量隨著pH值升高而增大，但是金屬的吸附量與pH值之間并不呈簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)每種特定的吸附體系都有一個(gè)最適宜的pH值，一般在其它條件相同的情況下，最適宜的pH值下的吸附量最大。最適的pH值隨菌種和金屬而異。一般最適宜的pH值在4～9。溶液的pH值同時(shí)影響吸附劑表面金屬的吸附位點(diǎn)和金屬離子的化學(xué)狀態(tài)。pH值較小時(shí)溶液呈酸性，細(xì)胞壁的活性減小，細(xì)胞壁的連接基團(tuán)會(huì)被水合氫離子所占據(jù)，金屬離子靠近吸附劑的阻力增加；pH值較高并且超過(guò)金屬離子微沉淀的上限時(shí)，金屬離子以氫氧化物微粒的形式存在，使得吸附量減小。

第12頁(yè)/共20頁(yè)2.反應(yīng)溫度的影響對(duì)不同的生物吸附劑，溫度對(duì)吸附效果的影響不同。一般來(lái)說(shuō)在一定溫度范圍內(nèi)金屬吸附量隨溫度的升高而升高。在實(shí)際的廢水處理中，由于升溫會(huì)帶來(lái)初期投資和運(yùn)行的費(fèi)用的增加，且效果不是很明顯，因此不宜采用此方法。但在稀有金屬或貴重金屬提取中，采用適宜的溫度也許會(huì)在工藝優(yōu)化過(guò)程中發(fā)揮重要的作用第13頁(yè)/共20頁(yè)3.其它金屬離子的作用在系統(tǒng)中欲被分離出的金屬離子稱為目標(biāo)離子。競(jìng)爭(zhēng)性陽(yáng)離子對(duì)吸附位點(diǎn)的占據(jù)會(huì)使目標(biāo)離子的吸附量下降。各競(jìng)爭(zhēng)性陽(yáng)離子與吸附位點(diǎn)之間的親和力的不同，它們對(duì)目標(biāo)離子影響的能力也不一樣。有報(bào)道指出，金屬離子對(duì)目標(biāo)離子的干擾能力隨其電負(fù)性加強(qiáng)而加強(qiáng)。陰離子對(duì)生物吸附量的影響是由于陰離子與生物細(xì)胞壁產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)性吸附，從而導(dǎo)致生物吸附量的下降，其下降的程度由陰離子和金屬離子的結(jié)合力決定，和金屬離子結(jié)合力越強(qiáng)，其吸附金屬離子的能力就越大。4.吸附劑粒徑的影響

粒徑對(duì)吸附金屬量有明顯的影響。據(jù)研究，在平衡濃度較高的情況下，大粒徑吸附劑（0.84~1.00mm）對(duì)各種金屬的單位吸附量均超過(guò)了小粒徑吸附劑（0.105~0.295mm）。雖然大粒徑吸附劑表現(xiàn)出良好的吸附性能，但小粒徑的耐壓能力卻優(yōu)于大粒徑，在實(shí)際操作中須綜合考慮這兩方面的因素。第14頁(yè)/共20頁(yè)5.固定化技術(shù)的影響

實(shí)際廢水是一個(gè)十分復(fù)雜的混合體系，用單一菌種處理，很難達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。因此，對(duì)于復(fù)雜的廢水體系，選擇采用混合菌固定化技術(shù)，還是單一高效菌分級(jí)處理有待于探索。Michel，L.J.等利用聚丙烯胺包埋固定化檸檬酸細(xì)菌[10]，用于富集廢水中的金屬鉻，在最有條件下，使用單級(jí)固定化細(xì)胞反應(yīng)柱，金屬去除率達(dá)96%，使用三級(jí)固定化細(xì)胞技術(shù)反應(yīng)柱，金屬去除達(dá)100%。第15頁(yè)/共20頁(yè)六、研究現(xiàn)狀與前景展望我國(guó)中科院成都研究所趙曉紅等用硫桿菌（SRV）去除電鍍廢水中的Cu2+，在銅離子濃度為246.8mg/L的溶液（pH=4.0）中去除率達(dá)99.12%。

羅聯(lián)勝等利用廢棄的活性污泥處理市政廢水的研究，得出廢的活性污泥對(duì)低濃度的銅、鋅、鎘的去除效率分別為96.47%、80%、90%。最適宜的pH值為6~10，最適宜的吸附時(shí)間為1小時(shí)。同時(shí)通過(guò)動(dòng)力學(xué)研究得出吸附符合Freundlich模型和Langmuir模型。IzabelaMichalak等利用微藻類和巨型藻作的對(duì)Cd3+的吸附研究，指出吸附最好的運(yùn)作條件是在pH=5，溫度為20度、初始濃度為1g/l，這兩種藻類的吸附過(guò)程類似，對(duì)于Pithophoravaria和Spirulinasp.的最大吸附容量分別為60.6mg/g和34.6mg/g。吸附力常數(shù)分別為0.1821/mg和0.05531/mg。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了對(duì)于Cd3+的吸附過(guò)程中Pithophoravaria比Spirulinasp.的吸附效率高，為兩倍多

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目前國(guó)外已經(jīng)有使用死的微生物制成生物吸附劑去除水中重金屬的專利，例如AMT-BIOCLAIM工藝就是利用死的芽孢桿菌制成球狀生物吸附劑吸附說(shuō)中的重金屬離子。在美國(guó)已有兩個(gè)科研機(jī)構(gòu)研究提供商業(yè)用途的生物吸附劑，一個(gè)是以廢棄的微生物為對(duì)象，另一個(gè)是以藻類為對(duì)象。IqbalAhmad等利用死的Aspeigillus和Rhizopus細(xì)胞來(lái)處理被工業(yè)廢水沖刷過(guò)的農(nóng)田的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH=4.5，1-5mg/100ml的金屬溶液的濃度分別為2、4、6、8mM，以120rpm的速度攪拌，反應(yīng)后發(fā)現(xiàn)當(dāng)Cr的初始濃度為6.20-9.50mg/g時(shí)的吸附量可以達(dá)到2.3-8.21mg/g，同時(shí)Aspeigillus比Rhizopus的吸附能力強(qiáng)。

HanyHussein等利用不同的無(wú)生命活性的假單胞菌對(duì)Cr5+、Cu2+、Cd2+和Ni2+的吸附實(shí)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)不同吸附劑進(jìn)行了Langmuir和Freundlich模型的測(cè)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)得出最大吸附容量順序?yàn)镹i2+>Cd2+>Cu2+>Cr5+。Pb2+的Freundlich常數(shù)K比其它金屬的K值高，Cr5+的最大去除達(dá)到38%。當(dāng)Cr5+和Cu2+共存時(shí)Cu2+的除去達(dá)到最大值93%。銅單獨(dú)存在時(shí)去除效率在50%—93%之間。Cd2+和Ni2+的最大吸附量分別為500mg/g和556mg/g。第17頁(yè)/共20頁(yè)前景展望：1）微生物吸附劑的吸附機(jī)理研究。通過(guò)掃描電鏡（SIM）和X-射線衍