（环境工程专业论文）用固定化微生物的反应器处理含重金属离子的废水.pdf

摘要 y - 6 9 4 4 4 5 研究一种高效、低耗的含重金属废水处理技术，探讨利用包埋微生物反应器 吸附去除废水中重金属离子的反应条件。对不同类型微生物吸附重金属的能力、 不同的固定化载体和方法对固定化细胞吸附能力的影响进行了对比。探讨了固定 化细胞中微生物的含量对固定化细胞物理化学性质的影响。考察了影响固定化细 胞吸附重金属的效果的各种因素，并对吸附和解析过程的反应速率方程进行了讨 论。研究了固定化细胞的填充柱对各种重金属离子的吸附特性和选择吸附现象。 主要研究结论如下： 1 小球藻、啤酒酵母、活性污泥等多种生物体都具有吸附去除废水中重金属离 子的能力。但因生物体的不同，其吸附能力会有较大的差别。在对c u “离子的对 比吸附实验中，湿活性污泥的吸附效果可达5 m g g ，远远高于小球藻的0 8 5 m g g 和啤酒酵母的0 2 2 m g g 。 2 海藻酸钠c a c l z 固定化技术具有原料价格低廉、固定化过程简单、成型后小 球网络孔道结构良好、传质阻力小、能在p h 较低的环境中使用等优点，是制作 用于处理重金属废水的固定化细胞的优选材料。 3 固定化海藻酸钙小球( 以下简称c a 球冲活性污泥的含量对吸附效果有一定 的影响，活性污泥含量越高，其平衡吸附容量越大，对重金属废水的处理效果越 好。固定化c a 球对c u “离子的吸附机理在低浓度范围内更趋于单层吸附。 4 吸附饱和后的固定化细胞可以在p h = l 一2 的范围内进行解析，解析酸的浓度对 解吸效果的影响甚微，但对c a 球的机械强度有很大影响。在经过盐酸解析以后， 各种包埋比的c a 球的吸附性能都有不同程度的下降，包埋比例越高的c a 球的 吸附量下降的幅度越大。 5 固定化c a 球吸附重金属离子为非均相的固液反应，其反应速度应符合一级 反应动力学方程的微分式，其解吸过程与吸附过程是一个可逆反应的两个方面， 其反应速度电荷合一缴反应动力学方程的微分式。 6 同定化c a 球吸附重金属的反应受温度、p h 值、废水中重金属离了浓度、浓 度、接触时间l t 等众多因素的影响。反应的最佳p h = 4 5 ，温度和原水中重金属离 子浓度的升高有利于反应的进行，完成9 0 的反应的时间为2 h ，c a “m 9 2 + 等干 扰离子仅在大量存在的时候对反应产生影响。 7 固定化c a 球的吸附填充柱对c u “和c d 2 + 有较强的吸附能力，而对z n 2 + 的吸 附能力比较弱，对不同的重金属离子有较好的选择吸附性能，吸附选择序为：c u 2 + c d 2 + z n “。 关键词：重金属，固定化，吸附，解析 a b s t r a c t u s i n g i m m o b i l i z e db i o m a s st ot r e a tt h eh e a v ym e t a l si nw a s t e w a t e ri sa ne f f e c t i v e a n dp o w e r r e s e r v e dm e t h o d i nt h i sp a p e r , v a r i o u sk i n d so fb i o m a s sw e r et e s tt of i n d t h em o s tp o w e r f u lo n et oa d s o r bt h eh e a v ym e t a l s a tt h es a m et i m et h ec h a r a c t e r i s t i c s o fm a n yd i f f e r e n tp o l y m e r sw e r ee x a m i n e d ，a n dt h em o s ts u i t a b l eo n ew a ss e l e c t e dt o p r o d u c et h ei m m o b i l i z e dg e l s t h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s ，s u c ha sp h ，t h e c o n t e n t o fb i o m a s sa n d t e m p e r a t u r e w e r es t u d i e d t h e e q u a t i o n o ft h e a d s o r p t i o n a n d d e s o r p t i o np r o c e s sw e r ed i s c u s s e d a n dac h r o m a t o g r a p h i ce f f e c t i nt h e a d s o r p t i o n c o l u m np e r f o r m a n c ec a u s e db yd i f f e r e n t s o r p t i o n a f f i n i t i e so ft h em e t a li o n sw a s i n v e s t i g a t e d t h em a i nc o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 m a n yk i n d so fb i o m a s ss u c ha sa l g a e ，y e a s ta n da c t i v es l u d g ec a na d s o r bh e a v y m e t a l si n a q u e o u ss o l u t i o n s a l t h o u g ht h e i ra d s o r p t i o nc a p a b i l i t i e sv a r y al o t ，t h e a c t i v es l u d g e ，w h i c hc a nb i n da p p r o x i m a t e l y5 m g gc u 2 + i o nf r o mt h ew a t e r , i st h e m o s te f f e c t i v eo n e w h i l et h ea l g a ec a nb i do n l y0 8 5 m g gc u “a n dt h ey e a s tc a nb i d 0 2 2 m g g 2 t h ec a l c i u m a l g i n a t eb e a n ，w h i c h h a s s u p e r i o r m e c h a n i c a l s t r e n g t h ，l o w m a s s t r a n s f e rr e s i s t a n c ea n dc h e m i c a ls t a b i l i t y , w a ss e l e c t e da si m m o b i l i z a t i o nm a t r i c e s 3 t h ec o n t e n to ft h ea c t i v es l u d g ei nt h ec a l c i u ma l g i n a t eb e a n ( c ab e a n sf o rs h o a ) h a sc e r t a i ni n f l u e n c eo nt h eu p t a k eo fh e a v ym e t a l s a n di tc a l lb em o d e l e db yt h e l a n g m u i r ea d s o r p t i o ni s o t h e r m b e t t e rt h a nb yt h ef r e u n d l i c ha d s o r p t i o ni s o t h e r m 4 t h es a t u r a t e db e a n sc a nb er e g e n e r a t e db y d r o p p i n gt h ep hd e g r e eo f t h es o l u t i o nt o 1 - 2 t h ec o n t e n to ft h ea c i dh a sl i t t l ee f f e c to nt h er a t eo fd e s o r p t i o n ，b u tm i g h ta f f e c t t h em e c h a n i c a ls t r e n g t ho ft h eg e l s w h e nt h er e c o v e r e db e a n sa r eu s e da g a i n ，t h e i r a d s o r p t i o nc a p a b i l i t yd r o p s al i t t l e 5 t h ek i n e t i cs t u d i e ss h o wt h a tt h ea d s o r p t i o np r o c e s sa n dd e s o r p t i o np r o c e s sc a nb e m o d e l e db yt h ee q u i l i b r i u me q u a t i o n ，a n dt h ev a l u eo ft h ee q u i l i b r i u mc o n s t a n tkc a n b ed e t e r m i n e d 6 t h eo p t i m a lp a r a m e t e r sf o rt h ea d s o r p t i o np r o c e s sa r e ：p h = 4 5 ，r e t e n t i o nt i m e = 2 h ( f o ru p p e r9 0 u p t a k e ) t h ei n c r e a s eo f t h et e m p e r a t u r ea n dt h ec o n t e n to ft h eh e a v y m e t a lc a nc a u s e h i g h e ra d s o r p t i o n r a t e 7 t h ep a c k e dc o l u m nw i t ht h ei m m o b i l i z e db i o m a s sh a ds t r o n g c a p a b i l i t y f o r a d s o r b i n g c u 2 + a n dc d 2 + ，b u tn o tf o rz n 2 + t h ea f f i n i t i e so fm e t a l st o w a r d st h e b i o s o r b e n td e c r e a s ei nt h ef o l i o w i n go r d e r ：c u 2 + c d 2 + z n 2 + k e yw o r d s ：h e a v ym e t a l ，i m m o b i l i z a t i o n ，a d s o r p t i o n ，d e s o r p t i o n 2 第一章绪论 1 1 重金属废水的来源与危害 1 1 1 重金属废水的来源 含重金属离子的工业废水【1 j 主要柬源于机械加工、电镀、钢铁及有色金属的 矿山开采冶炼和部分化工企业。 1 机械加工重金属废水 这部分废水主要来自重型机器厂、电器制造厂、汽车厂、锅炉厂、农机制造 厂、标准件厂、工具厂等酸洗钢材的酸洗车间，另外也来自电器制造厂、电缆厂 等的铜件、铝件酸洗，以及仪表、电子器材、整流器等制造厂酸洗不锈钢件的工 段。这些废水中除含有硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸等外，还含有大量金属离子如 铁、铜、铝以及部分添加剂等，根据生产工艺、酸洗材质、操作条件等不同，其 成分差异很大。 2 电镀废水 电镀是利用化学的方法对金属和非金属表面进行装饰、防护及获取某些新的 性能的一种工艺过程。为保证电镀产品的质量，使金属镀层具有平整光滑的良好 外观并与基体牢固结合，必须在镀前把镀件表面的污物( 油、锈、氧化皮等) 彻底 清理干净，并在镀后把镀件表面的附着液清洗干净。因此，电镀生产过程中必然 排出大量废水。电镀废水的水量、水质与电镀生产的工艺条件、生产负荷、操作 管理与用水方式等因素有关。电镀废水的水质复杂，成分不易控制，其中含有的 铬、铜、镍、镉、锌、金、银等重金属离子和氰化物对人类危害很大。 3 矿山冶炼重金属废水 钢铁和有色金属采矿和冶炼需耗用大量的水，特别是有色金属采选或冶炼过 程排出的废水含重金属离子的成分比较复杂。原因是大部分有色金属矿石中有伴 生元素存在，所以废水中一般含有汞、镉、铅、铜、锌、砷、氟和氰化物等。 1 1 2 重金属对人体的危害 重金属离子1 2 】进入环境后不象有机污染物那样能被细菌、微生物降解，而往 往参与食物链直接威胁人体健康。重金属离子进入生物体，可与体内成分如蛋白 质、脂肪酸或氨基酸起反应形成有机酸盐和螫合物，此外还可以与无机的碳酸根 和磷酸根起反应，生成无机会属盐。重金属离子及其化合物的毒害是积累性的， 开始不易察觉，一旦出现症状就会带来严重后果。下面列举几种常见的重金属对 人体的危害。 1 铬f c r ) 铬的生理作用具有两重性，它既是生物的必须元素之一，又是有毒的 污染元素之一。三价铬参与糖代谢过程，使胰岛素与细胞膜结合，有激活胰岛素 的作用。铬作为有毒的污染元素主要是以六价铬的形式出现。经常接触铬酸盐颗 粒和不同形态的铬离子会引起慢性中毒，导致呼吸器官损害，皮肤损害以至肺癌。 据报道铬中毒可引起鼻中隔穿孔、鼻炎、咽喉炎、支气管肿瘤等。铬引起的皮肤 损害分为一次刺激性皮炎f 腐蚀性) 和过敏性疹性接触皮炎。铬经消化道侵入，会 造成味觉和嗅觉的减退以至消失。剂量小时也会腐蚀内脏，引起肠胃功能降低， 出现胃痛，甚至胃肠道溃疡。 2 镉( c d ) 镉对人体的危害主要是通过消化道与呼吸道摄入被镉污染的水、食 物、空气而引起的。吸入毒性比经口大6 0 倍。急性中毒，估计当吸入镉的浓度 和时间的乘积为2 5 0 0 2 9 0 0 m g ( m 3 m i n ) 时可导致死亡，死因主要是肺炎和肺水 肿。众所周知的“骨痛病”的原因是镉慢性中毒，导致镉代替了骨骼中的钙而使 骨质变软，患者长期卧床，最后发生肾功能衰竭和感染等合并症而死亡。人体镉 中毒是积累性的，进入人体的镉主要分布于胃、肝、胰腺和甲状腺内，患病的潜 伏期可达1 0 - 3 0 年。 3 铅( p b ) 铅及其化合物对人体的很多系统都有毒性作用。急性铅中毒突出的症 状是腹绞痛、肝炎、高血压、周围神经炎、中毒性脑炎及贫血，慢性中毒常见的 症状是神经衰弱症。铅中毒引起的血液系统的症状主要是贫血和铅溶。除此以外， 铅中毒还可以引起泌尿系统症状，一是铅大量侵入人体后引起高血压，二是引起 肾炎。 4 镍( n i ) 镍进入人体后主要存在于脊髓、脑、五脏和肺中，以肺为主。如误服 用大量的镍盐时，可以产生急性胃肠道刺激现象，发生呕吐、腹泻。其毒性主要 表现在抑制酶系统，如酸性磷酸酶。镍及其盐类对电镀工人的毒害主要是导致镍 皮炎。某些皮肤过敏的人长期接触镍盐，先是起痒发病，在皮肤接触镍的部位首 先产生皮疹，以后出现散布在浅表皮的溃疡、结痂，或出现湿疹样病损。 5 铜( c u ) 一般认为铜本身毒性很小，在冶炼铜时所发生的铜中毒，主要是由于 与铜同时存在的砷( a s ) 、铅( p b ) 等引起的。皮肤接触铜化合物可引发皮炎和湿疹， 在接触高浓度铜化合物时可发生皮肤坏死。抛光工人吸入氧化铜粉尘可发生急性 中毒，症状为金属烟尘热。长期接触大量铜尘和铜烟的工人常见呼吸系统症状。 眼接触铜盐可发生结膜炎和眼睑水肿，严重者可发生眼浑浊和溃疡。 6 锌( z n ) 锌是人体的必须元素，正常人每天从食物中吸入锌1 0 1 5 m g 。肝是锌 的储存地，锌与肝内蛋白结合成锌硫蛋白，供给机体生理反应时所必须的锌人 体缺锌会出现不少不良症状。但过量的锌会引起急性胃肠炎症状，如恶心、呕吐、 腹痛、腹泻，同时伴有头晕、周身乏力。误食可溶性锌盐对消化道黏膜有腐蚀作 用，误食氯化锌会引起腹膜炎，导致休克而死亡。 1 2 常用的重金属废水的处理技术 重金属废水常用的处理方法有化学沉淀法、电解法、离子浮选法、电渗析和 反渗透法、铁氧化法、吸附法等。简要介绍如下【1 】： 1 2 1 化学沉淀法 这是一种沿用多年的重金属废水处理方法，其特点是向废水中加入化学药 剂，使废水中可溶性的重金属离子生成不溶的或难溶的化合物，沉淀析出。常用 的化学药剂有石灰、硫化物及钡盐等，根据所用的化学沉淀剂的不同可分为氢氧 化物沉淀法( 沉淀剂主要有碳酸钙、氧化钙、氢氧化钙等) 、硫化物沉淀法( 沉淀剂 主要有硫化钠和硫化氢) 、钡盐沉淀法( 沉淀剂有碳酸钡、氧化钡等) 。这三种方法 中以硫化物沉淀法效率高，沉淀物的体积小，而且可以回收重金属；缺点是反应 后残留的s 6 还须进一步处理。 1 2 2 电解法 电解法主要用于处理含氰的重金属废水，阻电解氧化使氰分解和重金属离子 形成氢氧化物沉淀，以除去废水中的c n 。和重金属离子。废水电解处理包括电极 表面的电化学作用、间接氧化、还原作用、电浮选和电絮凝等过程，分别以不同 方式去除废水中的有害物质。其优点是使用低压直流电源，不必消耗化学药剂， 操作方便。缺点是电和金属消耗大。 1 2 3 离子浮选法 向废水中加入阴离子表面活性剂，使其与重金属离子生成络合物或螯合物而 达到净化废水的目的。常用的表面活性剂有黄原酸纳、十二烷基磺酸纳、明胶等。 此法可用于处理矿冶废水。 1 2 4 离子交换法 废水中的重金属以阳离子形态或络阴离子形式存在，选用阳离子交换树脂或 阴离子交换树脂，可以有效地去除重金属离子。 1 2 5 电渗析法和反渗透法 膜分离技术的特点是利用半透膜或离子交换膜，在外力作用下，使废水中的 溶解物和水分离浓缩，经多次浓缩使废水中有害物质浓缩到可利用的程度。反渗 透法常用于处理电镀漂洗废水，对重金属离子的去除率可达9 9 。 1 2 6 铁氧体法 铁氧体沉淀法就是向废水中加入化学药剂使废水中产生氢氧化铁或其他重 金属氢氧化物沉淀，通过氧化反应使各种重金属离子转入强磁性的铁氧体结晶 中，从而去除了废水中的重金属。铁氧体是一类复合的金属氧化物，其化学通式 为m 2 f e 0 4 或m o f e 2 0 3 ( m 代表其他金属) ，呈尖晶石状立方结晶构造。铁氧体约 有百种以上，最简单常见的是磁铁矿f e o f e 2 0 3 。形成铁氧体的条件是提供足量 的f e 2 + 和f e “，其f e 2 * ：f e ”= 1 ：2 ( 摩尔比) ，最理想的生长条件是p h = 8 9 。 1 2 7 吸附法 就是利用多孔性固体吸附剂吸附废水中的有害物质。吸附剂对废水中污染物 质的吸附可分为物理吸附和化学吸附：物理吸附过程是放热过程，降温有利于吸 附，增温有利于解析；化学吸附是在化学键力或氢键力的作用下进行的，其吸附 过程是吸热过程，与物理吸附相反，升温有利于吸附。物理吸附与化学吸附往往 共存于同一吸附过程。 1 3 选题目的和意义 用包埋微生物的反应器吸附去除废水中重金属离子的原理和应用属于水 处理技术研究领域，课题源于江苏省自然科学基金基础研究计划。 江苏省境内有大量中小型电镀厂、制革厂、金属加工厂和冶炼厂。这些工厂 每天都排出含有不同浓度的重金属的废水，如：铬( c 0 、镉( c d ) 、铜f c u ) 、铅( p b ) 、 锌( z n ) 等，对水体、土壤环境和人体都造成严重污染和危害。随着我国环境法规 的完善和具体实施，对含重金属废水处理的要求也日趋严格，因此寻找经济、有 效的重会属废水处理技术也更加迫切。 重金属所引起的危害问题早已被人们所认识【”，己开发出如前所述的多种有 效的物理、化学处理方法。近年来，重金属的生物处理方法得到了较多关注。与 传统的去除工业废水中有毒重金属离子的方法相比，生物吸附法的优点是：运行 费用低，需处理的化学或生物污泥量少；去除含极低浓度毒物的废液效率高：操 作p h 及温度范围宽( p h 3 8 ，温度4 9 0 1 ；高吸附效率，高选择性。这些优点促 进了生物吸附法在实际中用于重金属污染物的处理。 生物吸附是一种利用廉价的失活生物细胞分离有毒重金属的方法。它尤其适 用于工业废水的处理。生物吸附剂可采用自然界中丰富的生物资源，如藻类、地 衣、真菌和细菌等。近年来，国内外学者重点研究了用实验室培养的纯生物体， 束吸附废水中的低浓度的重金属离子，有些生物体在间歇条件下和极短的时间内 f 可短至5 分钟) 就可将金属离子浓度降低9 5 以上【4 】，一些从土壤中分离出来的 纯种细菌，如e s c h e r i c h i a c o l ia t c c3 3 4 5 6 ，b a c i l l u s s p 和p s e u d o m o n a s f l u o r e s c e n c e 等对六价铬有很好的吸附能力 引。现已初步判断对重金属的吸附过程 是一个两步过程：第一步是细胞壁上的负电性基团对金属离子的接触和快速束 缚，这与生物体的代谢活动无关；第二步则是金属离子穿过细胞壁和细胞膜进入 细胞体内，这一过程主要取决于生物体的代谢活动。 但是，仅仅研究用纯种微生物吸附单一重金属离子，且只是利用自然状态下 的生物体是远远不能满足实际运用的要求的。实际的工业废水往往是几种和多种 金属离子共存，且废水处理反应器是开放系统，难以利用纯种微生物，更重要的 是处于分散状态的生物体由于颗粒细小、机械强度低和固液分离困难，而无法进 行生产规模的运行。因此，寻求高效、经济和实用的生物体吸附重金属技术就显 得尤为重要。目前，国内外利用包埋生物体的反应器处理重金属废水的研究都尚 在起步阶段，相关报道较少。 1 。4 研究目标、内容和技术路线 1 4 1 研究目标 本课题以研究高效、经济的重金属废水处理技术为主要目标，探讨用包埋微 生物的反应器吸附去除废水中重金属的基础原理和技术可行性。课题拟解决的关 键问题： 1 研究不同类型的微生物对金属离子的吸附机理和作用； 2 选择适当的固定化载体和方法，保证既有很强的吸附能力，又有较快的吸附速 率，还必须易得和价格低廉； 3 确定影响微生物吸附重金属离子能力和速率的主要因素； 4 分析多种重金属离子共存时的生物吸附特性。 1 4 2 研究内容 本课题主要探讨用包埋微生物的反应器吸附去除废水中重金属离子的基础 原理和技术可行性。具体研究工作如下： 1 用不同的生物体( 藻类、酵母菌、活性污泥) 进行生物吸附重金属的实验，考察 它们各自的最佳吸附p h 值和它们各自对重金属的吸附能力，阐明造成吸附能力 差别的原应，并选择一种吸附性能最好的微生物作为生物材料进行包埋。 2 用多种不同的介质( 如p v a 、海藻酸钠、聚丙烯酰胺等) 对选出的生物材料进行 包埋，对比各种固定化小球成型后的机械强度、吸附性能和在酸性条件下的化学 稳定性，最后优选一种载体。 3 改变固定化细胞中微生物与载体的比例关系，探讨微生物的含量对固定化小球 吸附性能和解析过程的影响。 4 研究影响固定化微生物细胞吸附金属离子的主要因素( 如当p h 值、温度、底物 浓度、小球用量和c a “、m 9 2 + 离子的干扰等) ，对实验现象的原理进行探讨，给 出生物吸附的最佳反应条件。 5 结合前面的试验结果进行吸附柱的小试，研究用固定化微生物的反应器处理重 金属废水技术对重金属离子的选择吸附特性以及动力学基础。 1 4 3 实验仪器及分析检测方法 1 实验仪器 a g i l e n t 3 5 1 0 原子吸收分光光度计( 安捷伦上海分析) ，s i g m a1 - 6 型台式离心 机，l r h 一2 5 0 2 恒温振荡培养箱( 广东省医疗器械厂) ，2 5 0 a 型酸度计( o r i o n r e s e a r c hi n c ) ，y x q s g 4 1 2 8 0 手提灭菌锅，m u l 9 0 0 0 超纯水装置，z r 4 6 六联 搅拌机。 2 实验试剂 ( 1 ) 硝酸：优级纯。 ( 2 ) 盐酸：分析纯。 ( 3 ) 光谱纯金属( 铜片、锌片、镉粒) 。 “) 去离子水：用电渗析水依次通过阴、阳、阴阳混合离子交换柱制得。电导 率为0 5 1 微欧姆厘米。全部溶液都用此水配置。 ( 5 ) 铜、锌、铬标准储备液：分别称取光谱纯各金属o 5 0 0 0 克，用适量( 1 + 1 ) 硝酸溶解，必要时可加热，用去离子水稀释到5 0 0 咖l 。此溶液1 0 0 毫升含重金属 1 0 0 毫克。 ( 6 ) 混合标准液：用2 的硝酸稀释金属储备液配制而成。使配成的混合标准 溶液每毫升含镉、铜和锌分别为1 0 0 、5 0 0 和1 0 o u g 。 3 检测项目方法及方法 6 】 表1 - 1 实验检测项目及方法 序号分析项目分析方法 1 c u 2 + 离子浓度原子吸收分光光度法( 火焰法) 2 z n 2 + 离子浓度原子吸收分光光度法( 火焰法) 3 c d 2 + 离子浓度原子吸收分光光度法( 火焰法) 4 p h 值p h 计直接读数法 活性污泥m i s s 含量1 0 5 c 烘焙干燥称量法 l o 第二章生物吸附重金属的原理及材料的选择 2 。1 生物吸附重金属离子的原理和特性 2 1 1 生物吸附重金属的原理 生物吸附重金属取决于许多物理和化学因素 7 _ 1 ”，如p h 、光、温度、金属离 子浓度和共存离子等，也取决于某些生理条件，如微生物细胞是活性或非活性。 活性或非活性的生物都能吸附重金属。活性生物细胞对金属的吸收可能与细胞上 某种酶的活性有关，吸附由两个阶段组成：首先是重金属在细胞表面的吸附，即 细胞外多聚物、细胞壁上的官能团与金属离子的结合，其特点是快速、可逆、不 依赖于能量代谢，因此又称为被动吸附；第二阶段是细胞表面吸附的金属离子与 细胞表面的某些酶f 如透膜酶、水解酶等1 相结合而转移至细胞内，其特点是速度 慢、不可逆、与能量代谢有关，因此又称为主动吸收。而非活性细胞对金属的吸 附仅仅停留在第一阶段，在这个被动吸附的过程中包括络合、配位、离子交换、 一般吸附及无机微元沉淀过程。生物对重金属的吸附作用取决于两个方面：一是 生物吸附剂本生的特性；另一方面取决于金属对生物体的亲和性。 1 生物细胞壁结构特征 细菌、真菌和藻类微生物细胞与动物细胞的最大区别在于细胞原生质膜外有 明显的细胞壁，它既可以避免微生物体受到外界环境的伤害，又可以控制原生质 和周围环境之间的物质交换。细胞壁直接与外界环境接触，并且可以与液态介质 中的可溶物质发生作用；由于细胞壁的阴离子特性，这种作用在与金属离子的接 触中就更为重要。大量研究结果证明大多数金属都是螯合在细胞壁上。 ( 1 1 细菌细胞壁 革兰氏阳性细菌的细胞壁一般有5 0 1 5 0 n m 厚，主要由肽聚糖构成，约占整 个细胞壁物质的4 0 9 0 。肽聚糖层是一种坚硬、多孔、不定型的物质，肽聚糖 分子一般由两种糖衍生物即n 一乙酰葡萄糖胺和n 一乙酰胞壁酸以及一小组氨基 酸组成，这些成分联结形成重复结构即四肽聚糖。由于其网状结构，肽聚糖层对 分子量在1 2 0 0 7 0 0 0 0 道尔顿的分子有很高通透性。 革兰氏阴性细菌的细胞壁与革兰氏阳性细菌的细胞壁相比要薄，一般只有 3 0 8 0 n m 厚，肽聚糖层夹在原生质膜和外膜之间，肽聚糖层只有1 5 2 0 n m 厚，约 占细胞壁物质的1 0 ，并且不象革兰氏阳性细菌的肽聚糖层那样发生严重交联， 外膜主要由类脂多糖( l p s ) * n 磷酸脂及蛋白质构成。溶液不能自由通过外膜，传输 主要发生在由特殊蛋白构成的通上，这种通道允许分子量在6 0 0 6 0 0 0 道尔顿的 分了通过。 ( 2 ) 真菌细胞壁 真菌细胞壁主要由各种多糖构成，约占整个细胞壁物质的9 0 ，它们经常和 蛋白质、脂和其它物质( 如色素) 键合在一起。真菌细胞壁呈多层、微纤维结构， 主要包括由甘露聚糖、葡聚糖和半乳糖构成的外层和由几丁质链和纤维素平行排 列通过蛋白质、脂和多糖连接起来的内纤维层，并且两层之间也存在连续的连接。 ( 3 ) 藻类细胞壁 藻类细胞壁和真菌细胞壁相似，也是多层、微纤维结构，其组成一般部含有 纤维素和果胶质以及藻酸铵、岩藻多糖和聚半乳糖硫酸脂等。藻类细胞壁一般为 多孔结构，允许分子或离子自由通过，而细胞膜则一般只允许中性分子通过，而 离子不能通过。 从上面可看出，微生物细胞壁的特殊结构在很大程度上决定着对金属的吸 收，如细胞壁的多孔结构使活性化学配位体在细胞表面合理排列，使易于和会属 离子结合。 2 会属对生物分子的亲和性 p e a r s o n 在1 9 6 3 年根据金属离子配位能力的不同将金属离子分为三类：硬离 子、软离子和边缘离子n 一般来说，硬离子，如n a + 、m g “、c a 2 + 等易与含有 氧离子的配位基( 如o h 一、h p 0 4 2 。、r c o o 一等) 结合。而软离子，如h 9 2 + 、c d “、 p b “等，易与诸如c n 、r s 一、s h 一、n h 2 一等配位基结合。边缘离子的配位能力介 于两者之间。 因此，对一个含有两种或两种以上金属离子的溶液，若不同种金属主要被同 一基团吸附，则其间的竞争就会不可避免地发生，这会导致某一种金属的吸附量 比其单独存在时减少。若不同金属被不同的化学基团吸附，则某一种金属的吸附 量比其单独存在时没有显著的变化。 3 吸附机理 微生物能通过各种途径将重金属吸附在其细胞表面。吸附机理往往因菌种、 金属离子的不同而不同，总结以往学者的研究，吸附机理主要有以下几种： ( 1 ) 表面络合机理 细胞壁是重金属的主要累积场所。如前所述，各种微生物的细胞壁虽然结构 不同，但主要都是由多糖、蛋白质和甲壳质组成，这些多糖中的氮、氧、硫等原 予都可以提供孤对电子与金属离子配位。细胞壁上可与金属离子相配位的官能凼 包括：一c o o h 、一n h 2 、s h 、一o h 和p 0 4 3 等。 这一机理已得到实验的证实【1 2 】，t e s z o s 和v o l e s k y 研究了非活性少根根霉菌 对钍和铀的吸附。他们通过电镜和x 一射线能谱仪的分析，发现吸附了铀的细胞 表面确实有某种物质存在，而在细胞内部和吸附前的细胞壁上未发现这些物质。 他们还通过红外光谱分析比较了吸附前后的细胞壁，发现了表征钍一氮键震动的新 吸收带，他们认为是甲壳质上的氮与钍发生了络合作用，这就证明了少根根霉菌 吸附钍时确实发生了细胞壁与钍之间的作用。 ( 2 ) 离子交换机理 金属离子除了能与细胞壁上的负电性官能团络合而被吸附外，有学者还提出 了离子交换机理。有文献报道【1 1 】真菌吸附c u “离子的过程中，溶液的p h 随时间 的延长而下降，直至吸附终止。说明在吸附过程中有h + 从细胞上释放出来，即 c u 2 + 离子和h + 离子发生了离子交换。然而这些交换下来的离子总量与金属离子的 总吸附量相比只是很小的一部分，说明离子交换并非主要机理。 ( 3 ) 氧化还原机理 某些菌类本身具有氧化还原能力，能改变吸附在其上的金属离子的价态，使 之变成挥发性和毒性都已经改变的物质。 h o s e a ”】等普通小球藻对a u 3 + 有很高的亲和力，且可用硫脲来解析被吸附的 金属离子，氮硫脲只能解析1 2 的a u 3 + 。说明吸附在普通小球藻上a u 3 + 先被还 原成a u + ，然后又被还原成a u 。中科院微生物研究所的王保军等发现烟草头孢霉 f 2 能将h 9 2 + 还原成元素汞。 ( 4 ) 酶促机理 非活性和活性的生物量都能吸附重金属，活性生物细胞对金属的吸收可能 与细胞上的某种酶的活性有关。v o l e s k y l l 4 】等用活性啤酒酵母吸附镉，通过能谱 仪的分析得知镉是以磷酸盐的形式沉积下来，且酵母细胞的细胞壁上没有镉的磷 酸盐沉积物，而在细胞内的液泡中有大量的镉沉积物。他认为是细胞中磷酸酶将 镉运进了细胞。这种磷酸酶是通过在细胞培养过程中引入一种“磷酸供体”而产 生的。对于其它的吸附体系，是否还有其它的酶在金属离子的运输中起作用，以 及这种起载体作用的酶如何产生还有待于进一步研究。 ( 5 ) 无机微沉淀 无机微沉淀是金属离子在细胞壁上或细胞内形成无机沉淀物的过程。 s t r a n n d b e r g 5 】等在研究s a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a e 细胞对铀的吸附时指出： 铀是沉积在细胞表面，外形呈针状纤维层，大约o 2 微米。这种累积的程度和速 度收到环境因素的影响，如p h 、温度、其他离子干扰等。金属还能以磷酸盐、硫 酸盐、碳酸盐或者氢氧化物等形式通过晶核作用在细胞壁上或是细胞内部沉积下 来。 这些机理可以是单独起作用的，也可以与其它机理结合在一起起作用，这取 决于过程的条件和环境。由于金属本身的特性以及金属离子与细胞之间的相互作 用的复杂性，许多现象还无法从机理上得到合适的解释，还有待于进一步探索。 2 1 2 生物吸附重金属的特性 如前所述，细胞是活性的还是非活性的，对重金属的生物吸附有较大影响。 非活性生物的表面吸附决定了它吸附速度快、可逆的特点，而活性生物吸附的特 点则是速度较慢且不可逆，因为它包含了表面吸附和主动运输两个阶段。 生物吸附法的优势之一就是用一般的化学方法就可以解析生物上吸附的重 金属离子。由前述机理可知，p h 对吸附有重大影响，当溶液p h 较低时，h + 与金 属离子竞争细胞表面的结合位置，导致吸附量减少。由于表面吸附是可逆的，所 以从理论上讲，通过降低溶液p h 就可以解析细胞上的金属离子。 2 2 各种生物材料吸附性能的比较及生物材料的选择 尽管许多生物材料都能与重金属结合，但只有与金属结合能力强和选择性高 的生物材料才能用于实际的生物吸附处理。生物吸附领域的第一个挑战就是从极 多的可用的廉价生物材料中选择最具有发展前景的生物种类。 目前，国内外普遍应用的生物吸附材料有真菌、藻类、细菌三种 1 4 - 1 9 】。 1 真菌许多真菌都可以用作生物吸附剂。多种类的真菌和酵母在自然界普遍存 在，其菌体可以从某些发酵过程中大量得到，因而使这些微生物成为选择生物吸 附剂的良好材料。目前国内外普遍应用的生物吸附材料都是工业发酵过程中的废 弃菌丝体【排川，过去这些废弃菌丝体被当作无用之物掩埋或者焚烧，而现在却可 以为这些废物的合理利用开辟一条“以废治废”的新途径。 2 藻类生物吸附材料的另一个丰富的来源是藻类【强2 9 1 ，常用它们作为水体污染 的指示剂。海藻菌体是可用于制备生物吸附材料的一类天然的、大多数情况下都 是很丰富的原料，无生命的死海藻菌体被认为更适合这种应用。早期的研究表明， 在吸附和累积金属离子方面，死海藻菌体比活细胞和组织更有效。 3 细菌细菌是地球上最丰富的微生物，地球上的总生物量大约1 0 “g ，细菌占 了其中的大部分。许多研究表明，细菌及其产物对溶解态的金属离子有很强的络 合能力p m 3 2 1 。根据它们的结构和组成，细菌细胞壁带有负电荷，使得细菌表面具 有阴离子的性质。金属离子与细胞表面结构材料上的羧基阴离子和磷酸阴离子发 生相互作用而被固定。污水处理厂的活性污泥是多种细菌的混合体。实验证明， 无论是厌氧活性污泥还是好氧活性污泥对重金属都有较好的吸附效果。 2 2 1 生物材料的预处理 活性污泥：采自南京锁金村城市污水处理厂曝气池，p h = 6 7 0 。向污泥中加入 2 倍体积的生理盐水洗涤过筛，经离心分离( 3 0 0 0 r p m ) ( 3 r a i n ) ，弃去上清液，如此 循环洗涤三次，后经高压灭菌锅在1 2 1 。c 、0 i m p a 条件下处理，杀死活体细胞， 1 4 冰箱保存备用，保藏时问小于3 天。测得m l s s = 1 4 3 2 9 r l ，实验时按m l s s 取一 定体积即可。 啤酒酵母：由南京金陵干啤酒厂提供。向酿酒酵母中加入2 倍体积的去离子 水，搅匀，用8 0 目筛网过滤，将滤液静置l o m i n ，倾去上清液。再向酿酒酵母中 加入1 0 倍体积的去离子水，再重复洗涤2 次，得到稀的纯酿酒酵母。将以上所 得酵母以3 5 0 0 r p m 离心5 m i n ，于8 0 。c 下烘干后用食品粉碎机粉碎过筛，收集8 0 目以上的酵母。实验时所取生物量按干酵母的重量计算。 小球藻：由南京农科院提供。取自然生长的小球藻进行人工富集培养，并进 行菌种纯化。将收获的小球藻置于生理盐水中浸泡洗涤，以去除残留的培养基， 获得干净的生物体。对小球藻进行喷雾干燥处理，然后用8 0 目筛网过滤，收集 8 0 目以上的颗粒用于实验。实验时所取生物量按干小球藻颗粒的重量计算。 2 2 2 确定生物体吸附重金属的最佳p i t 值 v k g u p t a r 2 6 】等作的一些生物吸附特性的相关实验证明生物吸附能力很大程 度上由p h 决定。 为确定活性污泥吸附重金属的最佳p h 值，分别取浓度为4 0 m g l 的c u z + 、 z n 2 + 、c d 2 + 三种重金属离子的溶液5 0 m l ，用0 1 m 的h c l 和0 1 m 的n a o h 将溶 液p h 值调整至1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，8 ，在污泥投加量为1 ：5 ( 废水体积：菌悬液体 积) ，温度2 0 。c 的条件下，对于所研究的三种金属分别进行活性污泥吸附重金属 离子的试验，吸附时间1 h 。同时在相同实验条件下进行未加污泥的对照试验，以 抵消金属氢氧化物沉淀影响。实验结果如表2 - 1 和所示。 表2 - 1 不同p i - i 值下吸附和沉淀效果数据表 p h12 345678 c d 2 + 吸附后残留浓度c r a g l ) 3 7 8 6l i0 07 9 379 09 6 48 6 873 65 8 2 表观吸附量( m g ) o 1 1l4 51 6 01 6 l1 5 21 5 71 6 31 7 l 沉淀后残留浓度( m e l ) 4 0 0 04 0 0 04 0 0 04 0 0 03 9 7 33 8 4 23 5 6 03 0 6 l 况淀量( m g ) 0 0 00 0 000 00 0 00 0 10 0 8o2 204 7 考虑沉淀后的吸附量( r a g ) 01 11 4 51 6 01 6 l1 5 01 4 91 4 ll2 4 c u 2 + 吸附后残留浓度( r a g l ) 3 5 2 02 8 4 609 80 0 70 0 00 0 00 0 00 0 0 表舰吸附量( g )0 2 40 5 8l ，9 5 2 ，0 02 ，0 02 0 02 0 02 ，0 0 沉淀后残留浓度( m g m ) 4 0 0 04 00 04 00 04 0 0 03 88 73 42 52 8 0 43 8 4 沉淀量( m g ) o0 00 0 00 0 00 0 01 1 357 51 1 9 63 61 6 考虑沉淀的吸附量( m g ) 02 40 5 819 520 0 l9 41 7 l l4 00 1 9 z n 2 + 吸附后残留浓度( m g l ) 3 51 02 80 01 6 6 47 7 0 6 5 865 25 3 82 5 3 表观吸附量( m g ) 0 2 50 6 0i1 71 _ 6 l l _ 6 7l _ 6 71 _ 7 31 8 7 沉淀后残留浓度( m e l ) 4 0 0 04 0 0 04 0 0 04 0 0 03 88 7 3 4 2 52 8 0 438 4 沉淀量( m 亩 0 0 000 00 0 00 0 0 1 1 35 7 51 1 9 63 6 1 6 考虑沉淀的吸附量( 口g ) 0 2 506 0l1 71 6 ll6 i1 3 91 1 30 0 7 对表2 - 1 的数据进行分析，我们可以得出结论：p h 值对活性污泥吸附重金属 离子有很大影响，真实的吸附量与p h 均呈现抛物线关系( 如图2 - 1 所示) ，即存在 吸附金属最适宜的p h 范围。 024681 0 p h - - - 一c u _ 一z n 一c d 图2 - 1 活性污泥吸附c u 2 + 的最佳p i - i 值 从图上可以看出，活性污泥吸附重金属的反应存在一个最适p h 范围，当p h 低于最适p h 范围时，三种金属的吸附量都随p h 下降而减少。这说明酸性升高时， 蛋白质中的氨基质子化程度增加，其与金属配合能力减弱，而且体系中大量游离 的h + 和h 3 0 + 会与金属阳离子竞争吸附位，使得污泥对金属离子的吸附量随酸性 升高而降低。当p h 大于最适p h 范围时，金属离子水解生成相应的氢氧化物，此 过程反应非常迅速，消耗掉大量的重金属离子，并且产生聚合物沉积在菌体表面， 阻碍了吸附反应的进行。图2 1 中三种金属最佳p h 范围与其各自氢氧化物溶度 积大小相关，但其吸附曲线的走势相近，且p h = 4 - 5 是它们共同的最佳p h 值范 围。在应用于实际废水样品重金属吸附时，还应该根据废水中阴离子的成分将其 他金属难溶盐考虑在内。 同样，酵母和小球藻吸附重金属的最佳p h 值也可以通过实验得出。实验以 吸附c u “离子为例，分别向5 个各装有5 0 m l 5 0 m g l 的c u 2 + 溶液的三角瓶中加入 0 5 9