（环境科学专业论文）固定化细菌对铅和镉的吸咐解吸研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni ne n v i r o n m e n t a ls c i e n c e s t u d y o na d s o r p t i o n d e s o r p t i o no fp l u m b u m a n dc a d m i u m b yi m m o b i l i z e d b a c t e r i a b yl a n gx i n g h u a s u p e r v i s o r ：w a n gm e i ，a s s o c i a t ep r o f e s s o r g u op i n g ，a s s o c i a t ep r o f e s s o r n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y a u g u s t2 0 0 7 舢2洲6 胁叫m 2m 4 胛8舢1 舢y 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论 文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人 己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 、 学位论文作者签名：爿声关华 日 期：2 立q 闺凼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使 用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 、 导师签名： 签字日期： 沙 东北大学项士学位论文 摘要 固定化细菌对铅和镉的吸附一解吸研究 摘要 重金属离子进入环境后不象有机污染物那样能够被细菌等微生物降解，而往 往进入食物链直接威胁人体健康。近年来，人们发现自然界中的某些微生物对重 金属具有一定的吸附去除作用，通过筛选具有高效吸附性的微生物能有效去除重 金属。然而微生物吸附重金属存在着一些不利的因素，如活性微生物体会因为重 金属的毒性作用而死亡，非活性微生物在吸附重金属过程中由于膨胀或解离所带 来的寿命缩短和二次污染等。为此人们采用了固定化技术将微生物固定，这样既 结合了固定化技术的特点，又削除了微生物吸附重金属的不利因素，对处理低浓 度重金属废水具有广阔的应用前景。 本文采用固定化包埋法，首先从污水处理厂的活性污泥中筛选出对低浓度 p b 2 + 和c 矿耐受性强且具有良好吸附作用的优势菌种，经鉴定为杆状的革兰氏阳 性茵。然后以聚乙烯醇( p v a ) 和海藻酸钠作为包埋剂，以活性碳、硅藻土、二 氧化硅作为吸附剂，以己二胺和戊二醛作为交联剂，制备固定化细菌小球，并对 低浓度p b 2 + 和c d 2 + 溶液进行了一系列吸附解吸实验研究。 以对p b 2 + 和c d 2 + 的吸附能力为主要考察指标，并结合机械强度、传质性、 耐酸性等方面综合考虑，通过正交试验确定了固定化细菌小球制备的最佳条件。 结果表明，在聚乙烯醇、海藻酸钠、活性碳、硅藻土、细菌、二氧化硅以及饱和 硼酸中氯化钙的质量分数分别为1 0 、0 5 、1 5 、1 、0 8 、3 和4 ，交 联时间为2 4 h ，己二胺浓度为0 0 3 m o f l 的条件下，制得的固定化细菌小球对低 浓度铅和镉的吸附能力都较强，并按照此最佳条件进行了验证实验，对铅和镉的 吸附量分别达到4 7 4 4 0 p m o l g 和4 1 6 9 6 9 m o l g ，去出率分别为5 4 0 0 和3 0 1 0 ， 且该小球的机械强度、传质性和耐酸性都较好。 在固定化细菌吸附实验中，探讨了被吸附重金属( p b 2 + 或c d 2 + ) 浓度、吸附 时间、p h 值、温度、离子强度( n a n 0 3 浓度) 、共存离子( c d 2 + 或p b 2 + ) 等因 素对吸附量的影响。结果表明，随着被吸附重金属初始浓度的增大，吸附量也随 之增加；随着吸附时间的延长，固定化细菌小球对p b 2 + 和c d 2 + 的吸附量都逐渐 增大，在2 4 0 r a i n 时达到吸附平衡；当p n 值为5 o 时，对p b 2 + 和c d 2 + 的吸附量 都达到最大值：对p b 2 + 和c d 2 + 的吸附受温度影响较大，在4 0 ( 2 时吸附量达到最 大值；溶液离子强度对吸附量的影响较小，当n a n 0 3 浓度为l g m o l l 时，吸附 量达到最大值。由于p b 2 + 的竞争吸附能力大于c d 2 + ，所以p b 2 + 的存在对吸附c d 2 + 东北大学硕士学位论文 摘要 的影响较大，而c d 2 + 的存在对吸附p b 2 + 的影响较小。 为了验证固定化细菌小球的重复利用性，进行了不同初始浓度和时间的重复 吸附实验。结果表明，固定化细菌小球对p 乇1 2 + 和c d 2 + 的重复吸附能力都较强； 随着吸附时间的增加，固定化细菌小球对pb _ 2 + 和c d 2 + 的重复吸附能力增强，但 不是时间越长重复吸附能力越强。 将固定化细菌小球吸附p b 2 + 和c d 2 + 的溶液平衡浓度与吸附量之间的关系， 采用l a n g m u i r 和f r e n d l i c h 吸附等温式，进行数学拟合。结果表明，在所研究的 重金属离子浓度范围内，固定化细菌小球对p b 2 + 和c d 2 + 的吸附可以用l a n g m u i r 和f r e n d l i c h 等温式表征，其中对l a n g m u i r 等温式数据拟合得更好。对吸附动力 学研究表明，e l o v i e h 和双常数速率模型都能很好地表征固定化细菌小球对p 0 冲 和c d 2 + 的吸附动力学规律。 在研究固定化细菌小球对p b 2 + 和c d 2 + 的吸附基础上，进一步探讨了在不同 吸附条件下的解吸情况。在所研究的吸附条件相同时，吸附c d 2 + 后的解吸率普遍 要比吸附p b 2 + 后的解吸率高，即c d 2 + 的解吸效果要比p b 2 + 的解吸效果好；无论 是c d 2 + 共存时吸附p b 2 + 后的解吸率还是p b 2 + 共存时吸附c d 2 + 后的解吸率，和溶 液中无共存离子时相比，均有不同程度下降，而前者解吸率降低更多。 关键词：固定化；细菌；吸附；解吸；铅；镉 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d y o n a d s o r p t i o n - - d e s o r p t i o no fp l u m b u m a n d c a d m i u mb yi m m o b i l i z e db a c t e r i a a b s t r a c t t h e h e a v y m e t a li o n sc a nn o tb e d e g r a d e db y b a c t e r i aa n do t h e r m i c r o o r g a n i s m sl i k eo r g a n i cp o l l u t a n t s ，a n du s u a l l yg e ti n t ot h ef o o d c h a i nd i r e c t l y t h r e a t e n i n gh u m a nh e a l t hw h e ne n t e r i n gt h ee n v i r o n m e n t r e c e n t l yi th a sb e e nf o u n d t h a ts o m en a t u r a lm i c r o o r g a n i s m sh a v ea d s o r p t i o ne f f e c to nh e a v ym e t a l s ，t h u s r e m o v i n gh e a v y m e t a l se f f i c i e n t l yb ys e l e c t e dm i c r o o r g a n i s m s h o w e v e r , t h e a d s o r p t i o nh a ss o m ed i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sd e a t ho fa c t i v em i c r o o r g a n i s md u et ot h e t o x i c i t yo fh e a v ym e t a l ，s h o r t e n e dl i f e s p a no fn o n - a c t i v em i c r o o r g a n i s ma n ds e c o n d p o l l u t i o nc a u s e db ye x p a n s i o no rd i s s o c i a t i o n , al o n gd o m e s t i c a t i o np e r i o d ，a n d d i f f i c u l t yi na p p l i c a t i o nt oa b r u p ta c c i d e n t s s oi m m o b i l i z e dt e c h n i q u eh a sb e e n a d o p t e dt oe l i m i n a t et h ed e f e c t so fm i c r o o r g a n i s ma d s o r p t i o n ，w h i c ho p e n su pb r o a d p r o s p e c t sf o rt r e a t m e n to fh e a v ym e t a lw a s t e w a t e r o f l o wc o n c e n t r a t i o n i np r e s e n tt h e s i s ，i m m o b i l i z a t i o nm a t e r i a l sa n dm e t h o d sw e i ea p p l i e dt ot h e a d s o r p t i o no fl o wc o n c e n t r a t i o np b 2 + a n dc d 2 + b yb a c t e r i a f i r s t l y ，d o m i n a n tb a c t e r i a w i t hg o o da d s o r p t i o nc a p a c i t yt ol o wc o n c e n t r a t i o np b 2 + a n dc d 寸w e r es c r e e n e df r o m t h ea c t i v es l u d g eo fs e w a g et r e a t m e n tp l a n t , a n dw e r ei d e n t i f i e da sg r a mp o s i t i v e b a c t e r i a t h e nw h e np v aa n d s e a a l g i n i c a c i ds o d i u mu s e da s c a r r i e r m a t e r i a l s ；c h a r c o a l ，d i a t o m a c e o u s e a r t ha n ds i l i c o nd i o x i d eu s e da s s o r b e n t ； h e x a m e t h y l e n ed i a m i n ea n dg l u t a r a l d e h y d eu s e d a sc r o s s l i n k e r , t h ei m m o b i l i z e d b a c t e r i as m a l lb a l lc a nb em a d e t h ee x p e r i m e n to fa d s o r p t i o n - d e s o r p t i o nt op b 2 十a n d c d 2 + w e r ed o n e b ye x a m i n i n gt h ec a p a b i l i t yo fa d s o r p t i o nh e a v ym e t a l ，c o m b i n i n gr e m a r k a b l e i n f l u e n c ef a c t o r s ，s u c ha st h em e c h a n i c a ls t r e n g t h ，t h em a s st r a n s f e ra n da c i d r e s i s t a n c e e t c ，t h eo p t i m i z e di m m o b i l i z a t i o np a r a m e t e r sw e r ea c h i e v e db yt h e o r t h o g o n a le x p e r i m e n t t h e r e s u l ti st h a tw h e nm a s sf r a c t i o no fp v a , s e aa l g i n i ca c i d s o d i u m ，c h a r c o a l ，d i a t o m a c e o u se a r t h ，b a c t e r i a , s i l i c o nd i o x i d ei s3 a n dc a l c i u m c h l o r i d ei nt h es a t u r a t e db o r i ca c i dw e r e10 ，0 5 ，1 5 ，1 ，0 8 ，3 a n d4 r e s p e c t i v e l y , t i m eo ft h er u b b e ra s s o c i a t i o nw e r e2 4 h ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o no f h e x a m e t h y l e n ed i a m i n ew e r e0 0 3 m o f l ，t h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yt op b 2 + a n dc d 2 + w o u l dg e tt o4 7 4 4 0 1 x m o l ga n d4 16 9 6 i _ t m o l ga n dt h er e m o v a lr a t eo fp b 2 + a n dc d 伊一 j 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t a c h i e v e d5 4 0 0 a n d3 0 10 m e a n w h i l e ，t h ea d s o r p t i o nc a p a c i t y ，t h em e c h a n i c a l s t r e n g t h ，t h em a s st r a n s f e ra n dt h ea c i dr e s i s t a n c ew e r em o d e r a t e t h ea d s o r p t i o nr e g u l a r i t yw a ss t u d i e df r o mt h ea s p e c t s ，n a m e l yh e a v ym e t a l s i n i t i a lc o n c e n t r a t i o n , a d s o r p t i o nt i m e ，i n i t i a lp hv a l u e ，t e m p e r a t u r e ，i n i t i a ln a n 0 3 i o n i cc o n c e n t r a t i o na n dc o e x i s t e n c ei o n t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yo fi m m o b i l i z e db a c t e r i aa l l g r a d u a l l yi n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fp b 2 + a n dc d 2 + i n i t i a lc o n c e n t r a t i o na n dt h e i n c r e a s eo fa d s o r p t i o nt i m ef r o m1r a i nt o2 4 0m i n ；t h ea d s o r p t i o ne x u i l i b r i u mw a s b a s i c a l l ya c h i e v e da t2 4 0r n i n ；t h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yo fp b 2 + a c h i e v e dm a x i m u m v a l u ew h e nt h ep hv a l u ew a s6 0 ，w h i l et h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yo fc d 2 + a c h i e v e d m a x i m u mv a l u ew h e n p h = 7 0 i nt h ee x p e r i m e n t ，t e m p e r a t u r er a n g e df r o m5 t 04 0 a n dd i d n ts h o wa p p a r e n ti n f l u e n c eo nt h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yo fp b 2 + a n dc d 2 + ； w h e nn r n 0 3i o n i cc o n c e n t r a t i o nr a n g e df r o m1t t m o l lt o l0 0 0 p m o f l ，t h en a n 0 3 i o n i cc o n c e n t r a t i o nd i d n ts h o wa p p a r e n ti n f l u e n c eo nt h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yo fp b 2 + a n dc d ，a n dt h eb e s ta d s o r p t i o nc o n d i t i o ni sit t m o l l b e c a u s eo ft h ec o m p e t i t i v e a b i l i t yo fp b 2 + b i g g e rt h a nc d 2 + ，t h ee x i s t e n c eo fp b 2 + w o u l dh a v em o r et r e m e n d o u s i n f l u e n c eo nt h ei m m o b i l i z e db a c t e r i aa d s o r p t i o na b i l i t yo fc d 2 + ，w h i l et h ei n f l u e n c e o fc d 2 + w o u l db es m a l l e ro nt h a to fp b 2 + i no r d e rt ob e t t e rd e s c r i b et h ei m m o b i l i z e db a c t e r i as m a l lb a l la c t i v i t y ，r e p e a t e d a d s o r p t i o ne x p e r i m e n tw e r ec o n d u c t e d t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a ti m m o b i l i z e db a c t e r i a h a ds t r o n gr e p e a t e da d s o r p t i o na b i l i t yt op b 2 + a n dc d 2 + ；w i t ha d s o r p t i o nt i m ep a s s i n g ， t h er e p e a t e da d s o r p t i o na b i l i t yo fi m m o b i l i z e db a c t e r i at op b pa n dc d 2 + g r a d u a l l y e n l a r g e s , b u tn o tt h el o n g e rt h eb e t t e r t h et h e r m o d y n a m i cs t u d yi n d i c a t e st h a tb o ml a n g m u i ra n df r e n d l i c he q u a t i o n c a nd e s c r i b et h ee q u i l i b r i u mo fi m m o b i l i z e db a c t e r i at h e r m o d y n a m i ca d s o r p t i o nt o p b 2 + a n dc d 2 + ，o fw h i c hl a n g m u i re q u a t i o nh a st h eb e s tf i t t e de f f e c t t h ed y n a m i c e x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a te l o v i c hm o d e la n dt h er a t em o d e lw i t ht w oc o n s t a n b o t h c a nd e s c r i b et h ep r o c e d u r eo fi m m o b i l i z e db a c t e r i ad y n a m i ca d s o r p t i o nt op b 2 + a n d c d ? + t h ed e s o r p t i o nr e g u l a r i t yw a sa l s os t u d i e db a s e do nt h ea b o v e n o t e da d s o r p t i o n s t u d y t h er e s u l ti n d i c a t e st h a ti nd i f f e r e ma d s o r p t i o nc o n d i t i o n ，t h ed e s o r p t i o nr a t e o fc d 2 + a f t e ra d s o r p t i o ni sh i g h e rt h a nt h a to fp b 2 + n om a t t e rt h a tw h e nt w ok i n d so f h e a v ym e t a lw e r ec o e x i s t e d ，t h ed e s o r p t i o nr a t ew e r ea l ld e s c e n d e d ，b u tt h ee f f c to f p b 2 + i sr e m a r k a b l yn o tb e t t e rt h a nc d 2 + v 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t k e yw o r d s ：i m m o b i l i z a t i o n ；b a c t e r i a ；a d s o r p t i o n ；d e s o r p t i o n ；p b 2 + ；c d 2 + 东北大学博士学位论文 目录 目j 录l ， 独创性声明：i 摘要j “2 j “ a b s t r a c t 第1 章绪论j j ：1 1 1 引言j 1 1 2 重金属废水的来源及危害：l 1 2 1 重金属废水的来源l 1 2 2 重金属废水对人体的危害_ 2 1 3 重金属废水污染特性3 1 4 重金属废水处理技术概述：3 1 4 1 微生物吸附剂及吸附菌种4 1 4 2 微生物吸附的影响因素。4 1 4 3 微生物吸附机理6 1 5 固定化微生物。7 1 5 1 常用的固定化微生物的方法7 l j 5 2 固定化微生物的载体：8 1 5 3 固定化微生物的应用。：_ o 9 1 6 本课题研究的目的和意义：1 1 1 7 本课题研究的主要内容：1 l 1 8 本课题的主要创新之处_ j ：“1 2 第2 章优势菌种的筛选及固定化条件的确定m 1 3 2 1 实验条件：1 3 2 1 1 主要实验仪器和设备o ：。1 3 2 1 2 实验试剂。：1 4 2 2 菌种的筛选及扩大培养“o _ j 。1 5 2 2 1 菌种的来源与采集。j 。厶：15 + v u 东北大学博士学位论文目录 2 2 2 相关培养基的配制1 5 2 2 3 菌种的初筛1 5 2 2 4 菌种的分离纯化“。1 5 2 2 5 菌种对p b 2 + ；和lc d 2 + 的吸附测定1 6 2 2 6 优势菌种生长曲线的测定j 1 6 2 2 7 优势菌种的扩大培养1 7 2 3 优势菌种形状和类型的鉴定1 8 2 3 1 单染色法1 8 2 3 2 革兰氏染色法。 。1 8 2 3 3 实验结果：1 8 2 4 固定化细菌小球的制备。1 9 2 4 1 添加聚乙烯醇及其作用：。1 9 2 4 2 添加海藻酸钠及其作用2 0 2 4 3 添加活性碳及其作用2 0 2 4 4 添加硅藻土及其作用2 0 2 4 5 用已二胺和戊二醛进行表面处理及其作用。2 1 2 4 6 交联的作用2 l 2 4 7 固定化细菌小球的制备过程2 1 2 5 固定化细菌小球性能测定方法。：2 l 2 6 固定化细菌小球制备条件的优化o 2 3 2 6 1 正交试验2 3 2 6 2 以对p b 2 + 的吸附能力为考察指标的结果分析2 5 2 6 3 以对c d 2 + 的吸附能力为考察指标的结果分析2 7 2 6 4 以机械强度为考察指标的结果分析2 8 2 6 5 以传质性为考察指标的结果分析，3 0 2 6 6 以耐酸性为指标的结果分析3 2 2 6 7 小球直径的测定。3 5 2 6 8 试验结果的综合分析与固定化条件的确定3 6 2 7 本章小结3 8 东北大学博士学位论文目录 第3 章固定化细菌吸附铅和镉的实验研究3 9 3 1 实验条件3 9 3 1 1 主要实验仪器和设备3 9 3 1 2 实验试剂3 9 3 1 3 溶液的配制4 0 3 2 不同因素对固定化细菌小球吸附铅和镉的影响4 0 3 2 1 被吸附重金属离子浓度的影响4 0 3 2 2 吸附时间的影响4 1 3 2 3p n 值对吸附的的影响4 3 3 2 4 温度对吸附的影响4 4 3 2 5 离子强度对吸附的影响4 5 3 2 6 共存离子对吸附的影响4 6 3 3 重复吸附实验4 8 3 3 1 不同重金属离子浓度的重复吸附_ 4 8 3 3 2 不同时间的重复吸附一4 9 3 4 固定化细菌小球吸附铅和镉的平衡模型5 1 3 5 固定化细菌吸附铅和镉的动力学探讨5 4 3 6 本章小结5 6 第4 章固定化细菌吸附铅和镉后的解吸研究5 7 4 1 实验条件5 7 4 1 1 主要实验仪器和设备5 7 4 1 2 实验试剂：5 7 4 2 不同吸附条件对解吸率的影响5 8 4 2 1 不同重金属离子浓度条件下吸附后的解吸。5 8 4 2 2 不同时间条件下吸附后的解吸5 9 4 2 3 不同p h 值条件下吸附后的解吸6 0 4 2 4 不同温度条件下吸附后的解吸6 1 4 2 5 不同离子强度条件下吸附后的解吸6 2 4 2 6 共存离子条件下吸附后的解吸一6 3 东北大学博士学位论文目录 4 3 本章小结6 4 第5 章结论6 6 参考文献6 7 致谢：7 2 攻读硕士期间发表的学术论文7 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 重金属废水来源广泛，主要包括矿冶、化工、制革、印染、机械制造、电子、 仪表等行业。重金属进入水体环境后不能被细菌等微生物降解，而往往参与食物 链循环，最终在生物体内积累，破坏生物体正常的生理代谢活动，危害人体健康。 因此如何有效地治理重金属废水的污染和回收贵重金属是当今环境保护领域中 的一个突出问趔1 1 。目前的处理方法主要有离子交换法、氧化还原法、不溶性络 合物法、电解法、反渗透法、气浮法、沉淀法、吸附法、膜分离法等，但因操作 过程繁琐并具有二次污染而不够理想，尤其是当重金属离子浓度较低时，往往由于 操作费用和原材料成本相对过高而难以投入实际应用。国外在利用生物吸附方法 去除废水中的重金属方面早有研究【2 5 1 。该法以其原材料来源丰富、成本低廉、 吸附速度快、吸附量大、选择性好等优势而倍受关注。 然而，由于自然生物体某些物理性质所导致的缺陷，例如颗粒小、密度低、 机械强度低，难于固液分离，从吸附后的生物体上解吸重金属困难等，使悬浮生 物体难以直接应用于废水中重金属的去除。因此，工业或实际技术运用中，人们 采用固定化微生物技术吸附去除废水中的重金属，与传统的悬浮生物处理法相 比，它具有处理效率高、稳定性强、反应易于控制、菌种高纯高效、生物浓度高、 产污泥量少、固液分离效果好、丧失活性可恢复等优点 6 7 1 。此外，固定化微生 物技术在处理重金属废水实际应用中可以使工艺自动化、连续化，提高细胞的稳 定性和反应速率，降低生产成本。因此，该技术有着广阔的发展前景。 1 2 重金属废水的来源及危害 1 2 1 重金属废水的来源 含重金属离子的工业废水主要来自矿山坑道排水，废石场淋滤水，选矿尾矿 排水，有色金属冶炼厂除尘排水，有色金属加工厂酸洗废水，电镀厂镀件洗涤水， 钢铁酸洗排水及电解、农药、医药、油漆、染料等工业所排放的废水，其中电镀 工业废水是重金属的主要排放源【8 一。此外，生活污水，垃圾渗滤液，农田废水 和酸雨也是重金属的排放源【l o 】。 由于本文以重金属铅和镉作为研究对象，下面具体介绍含铅废水和含镉废水 的来源。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 含铅废水的主要来源是矿山开采、金属冶炼、油漆涂料、铅蓄电池、建筑材 料、电缆外套等工业生产的废水。有色金属生产所产生的选矿废水量较大，排放 的废水中含铅量约0 3 m g l 。 含镉废水主要来源有含镉矿山的开采和冶炼、镉化合物工业、镍镉电池生产 及电镀等生产废水。矿山和冶炼废水的成分比较复杂，除了含镉以外，还含有铜、 铅、锌、镍等金属离子，污染比较大。镉对人体的毒害引起了世界各国的重视， 我国国家环保法规定，镉是一类污染物，不得用稀释法代替必要的处理，而一般 工厂的含镉废水在处理前镉的浓度都远高于国家制定的标准( 工业废水中镉的最 高容许排放浓度为0 1 m g l ) ，所以含镉废水在排放前必须进行处理，实行达标排 放。 1 2 2 重金属废水对人体的危害 重金属废水是对环境污染最严重和对人类危害最大的工业废水，震惊世界的 日本“水俣病”和“骨痛病”就是分别由含汞废水和含镉废水污染环境所造成的。 重金属不能被生物降解为无害物。重金属废水进入水体后，除部分被水生物 和鱼类吸收外，其它大部分易被水中各种有机和无机胶体及微粒物质所吸附，再 经聚集沉降沉积于水体底部。因此水体经重金属废水污染后，危害的持续时间很 长。 我国规定的优先控制的重金属污染物包括砷、铍、镉、铬、铜、铅、汞、镍 和铊。本文仅以铅和镉作为重点介绍。环境中的铅及其化合物主要是从消化道及 呼吸道进入人体，随血液循环流至全身，主要分布于肝、肾、脾、胆、脑中，尤 以肝、肾中的浓度最高。健康者血铅的正常范围为0 4 8 3 1 4 5 1 a n o l l 。当血铅 含量达2 7 2 - 3 8 4m o l l 时，即可发生铅中毒。铅中毒可直接损伤人和动物的甲 状腺功能，降低甲状腺摄取碘及血浆蛋白结合碘的能力，降低垂体激素的分泌及 肾上腺皮质的机能，还可损伤生殖细胞及降低性功能。主要症状表现为贫血、末 梢神经炎、运动和感觉异常、头痛、头晕、疲乏、食欲不振、便泌、腹痛、失眠、 易被恶梦惊醒等。铅还容易通过母体胎盘侵入胎儿脑组织危害后代。 镉是所有微量元素中对人类健康威胁最大的一种。它进入人体的途径除消化 道和呼吸道之外，还有皮肤的直接接触吸收。镉对人体的危害主要是造成肾、骨 和肝的病变，导致贫血和神经痛。另外，还可通过影响钙的代谢，危及骨骼系统， 典型症状表现为能力减退，骨盆、脊柱、四肢关节刺痛、步履艰难、贫血。植物 对镉有很强的富集作用，易形成含镉粮食，如“镉米”、“含镉水稻”。早年日本流 行的“骨痛病”就是长期食用“镉米”和饮用含镉水引起的。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 重金属废水污染特性 重金属随废水排出时，即使浓度很小，也能造成危害。其废水污染有如下特 点： ( 1 ) 毒性具有长期持续性。某些重金属虽只有微量浓度，但可在微生物作用 下，转化为毒性更强的有机化合物。如无机汞在天然水体中可被微生物转化为毒 性更强的甲基汞。 ( 2 ) 经生物可大量富集，这种特性是重金属废水污染的突出特点。有的重金 属富集倍数可达成千上万倍，然后通过食物链在人体器官中积累造成慢性中毒， 严重危害人体健康。 ( 3 ) 重金属无论采用何种处理方法都不能降解，只不过改变其化合价和化合 物种类。如与阴离子配体形成配合物或螯合物，使重金属在水中的浓度增大，也 可以使沉入水底中的重金属又释放出来。 ( 4 ) 在天然水体中有少量重金属可产生毒性反应。一般重金属产生毒性的范 围大约在1 0 1 0 m g l 之间，毒性较强的重金属如镉和汞等毒性浓度范围在 0 0 0 1 - - 0 1 m g l 。 1 4 重金属废水处理技术概述 国内外学者对重金属污染的治理问题做了大量的研究。目前已开发应用的废 水处理方法主要有化学法、物理化学法和生物化学法，包括化学沉淀、电解、离 子交换、膜分离、活性碳和硅胶吸附、生物絮凝、生物吸附、植物整治等方法。 采用化学法、物理化学法都将残生污染转移，易造成二次污染，且对于大流域、 低浓度的有害重金属污染难以处理。而生物化学法具有效果好、投资少及运作费 用低、易于管理和操作、不产生二次污染等优点，日益受到人们的关注。 生物化学法( 简称生化法) 利用自然界存生的各种细菌微生物，将废水中有 机物分解转化成无害物质，使废水得以净化。生物化学法可以分生物絮凝法和微 生物吸附法等。其中微生物吸附方法处理重金属废水是一种崭新的技术，与其它 同类技术相比( 如蒸发，沉淀，活性碳吸附，离子交换树脂，电渗析等) 具有金属 可以在低浓度下被选择性地去除；吸附效率高；对钙，镁离子吸附量较小；p h 值和温度( 4 - 、一9 0 c ) 条件范围宽；投资小，运行费用低；可有效地回收一些贵重 金属；可循环利用等优点。而非活性生物除了具有以上优点之外，还排除了生物 的供养和重金属对其毒性的问题【l h1 2 1 。 因此，微生物吸附技术在处理重金属污染和回收贵金属方面有广阔的前景。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 4 1 微生物吸附剂及吸附菌种 微生物吸附剂是指具有从重金属废水中吸附分离重金属能力的生物质及其 衍生物。相关研究表明【l 弘1 s l ，许多微生物包括细菌、真菌和藻类都能吸附外部环 境中的多种阳离子和核素，从而实现对重金属的吸附。 细菌是环境中一类重要的微生物资源，具有种类繁多、分布广、表面积巨大、 带点、繁殖快和代谢旺盛等特点。细菌可以通过直接或间接作用影响环境中重金 属的活性。细菌可以通过对重金属的吸附富集、氧化还原、成矿沉淀、淋滤、协 同植物吸收等作用修复环境重金属污染【1 9 1 。 1 4 2 微生物吸附的影响因素 研究表明微生物吸附重金属时会受到许多因素的影响，这其中包括微生物 种类和一些物理化学因素，如p n 值、温度、重金属离子的初始浓度和生物量大 小【1 8 o - 2 3 1 。 ( 1 ) 重金属离子初始浓度的影响 在吸附剂浓度一定的情况下，金属离子的浓度越高，则吸附剂的表面吸附位 点更容易被占满，吸附剂的利用效率也较高，单位数量的吸附剂所吸附的金属离 子的量也比较大刚。 在多离子吸附过程中多组分金属的组成，各个离子浓度大小都影响着生物吸 附重金属结果瞵】。在使用活的微生物体吸附金属离子时，需要考虑到金属离子对 其代谢的影响。环境中的重金属浓度过高时就会影响甚至抑制生物体的生长及代 谢活动。 ( 2 ) 吸附时间的影响 吸附时间是影响重金属吸附效率的重要因