浅谈生物吸附法去除废水中重金属混合离子

浅谈生物吸附法去除废水中重金属混合离子作者：高达
来源：《中国新技术新产品》2012年第19期
摘要：重金属作为环境激素之一，对人类的危害，随着电镀、防腐、燃料等工业的发展变得更加严重，目前，重金属已经成为地表水和地下水的主要污染物之一。

所有超标的重金属离子进入到人体内部后，造成的伤害将是终身的，不可逆转的。

本文研究了PVA-SA固定化啤酒酵母菌对四种重金属离子Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+吸附的条件，并得出了相应结论。

关键词：重金属离子；啤酒酵母菌；生物吸附法；固定化
中图分类号：X70 文献标识码：A
一、生物吸附法
生物吸附法可以有效的吸附溶于水中的重金属离子，这样就降低了水中重金属离子的浓度，从而有效的治理含有重金属离子的废水。

生物体之所以能吸附重金属离子，原因在于它自身的化学结构和成分特性等，吸附之后再固液两相分离，使废水达到排放的标准。

Ruchhoft是最早提出活性污泥法的，他为以后的学者对微生物吸附法的深入研究和探讨做了一定的贡献。

这种吸附方法作为一个新工艺不仅可以用于重金属离子的去除，还可以用于含重金属离子工业废水的解毒等方面，它是一种新颖的废水处理方法，可高效廉价地处理大体积低浓度的重金属离子废水，是一项正吸引着越来越多的学者关注的处理含有重金属离子废水的新技术，它有着传统方法不可逾越的优势。

传统的重金属离子废水处理技术主要包括化学沉淀、离子交换、氧化还原、膜分离等，这些方法投资成本比较高，一般只适用于重金属离子含量较高的情况，并且存在二次污染。

因此，寻找有效的治理含重金属离子废水的方法，已成为环保领域十分迫切的任务。

生物吸附法与传统方法相比具有以下优点：成本低、效率高、选择性好、无二次污染、可以回收贵重金属等。

二、啤酒酵母菌对废水中单一离子的吸附
2.1固定化啤酒酵母菌对锌离子的吸附
2.1.1 酸碱预处理对Zn2+吸附效果的影响
取酸、碱预处理后和未做处理的酵母粉各1g，溶于40ml海藻酸钠-聚乙烯醇配制成的载体溶液中，滴入浓度为4%的CaCl2饱和硼酸溶液中，用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）测定溶液中剩余的Zn2+浓度，结果表明：采用酸、碱预处理的啤酒酵母菌可以对吸附效果产生不同的影响。

在相同实验条件下，经过0.1mol/L 的NaOH 预处理的啤酒酵母菌的吸附量有很大下降；经过0.1mol/L HCl 预处理的啤酒酵母菌的吸附量有所增高。

分别取初始浓度为50mg/L的Zn2+溶液100mL置于8个300mL锥型瓶中，用0.1mol/L的盐酸和0.1mol/L的NaOH来调节pH值，计算其吸附率，结果表明：吸附液的pH值是影响吸附的一个非常重要的因素。

溶液的pH值会影响生物体表面重金属离子吸附位点的数量，同时决定了重金属离子的化学状态。

随着pH值升高，溶液中H+的浓度减小，大量的吸附位点暴露出来，有利于重金属离子的接近并吸附在生物表面。

但是pH值过高时，大量的重金属离子以氢氧化物或羟基络合物的形式存在，也不利于吸附进行。

因此，只有在适宜的pH值范围内，才会达到需要的吸附效果。

由实验结果可知：Zn2+的吸附率在pH值5.5～6.5之间较高，当pH值为6.0时，吸附率最大。

2.1.3吸附时间对Zn2+吸附效果的影响
分别取初始浓度为50mg/l的Zn2+溶液100ml，调pH值为6.0，设计以吸附时间为变化参数，进行六组吸附实验，计算其吸附率，结果表明：当时间达到40min时，吸附已经达到平衡，吸附率最大为61.28%，因此，以下实验中吸附的时间为40min。

如果要达到吸附的最佳效果，通常情况下要吸附150min～270min。

酵母菌的吸附时间通常控制在1h之内，因为大多数菌株在30min时吸附量己达吸附总量的90%以上。

2.1.4 CaCl2浓度对吸附效果的影响
为了确定CaCl2的浓度对海藻酸钙凝胶小球中微生物细胞活性的影响，进行了以下的试验：配制五组质量浓度为：2%、3%、4%、6%、8%的CaCl2溶液，结果实验结果表明：随着CaCl2浓度的增加，生物对重金属离子的吸附率下降，微生物细胞的活性出现降低。

所以，综合考虑，在以下的实验当中我们采用质量浓度为4%的CaCl2溶液做固定剂。

2.1.5 Zn2+初始浓度对吸附效果的影响
设计Zn2+初始浓度为变化参数，配制不同的Zn2+初始浓度分别为：20、50、80、100、150、200mg/L，调pH值为6.0，分别计算其吸附率，结果表明：酵母菌对Zn2+的吸附率并不是很高，这说明酵母菌不是Zn2+的最好吸附剂，可见，吸附效果与重金属离子本身的性质有关。

随着Zn2+初始浓度的提高，生物吸附剂的吸附量也随之增加，同时吸附位点的饱和度也增加，所以Zn2+吸附率不会继续增加，反而会降低。

本实验在固定化啤酒酵母菌吸附Zn2+的过程中选Zn2+初始浓度为50mg/L。

2.2固定化啤酒酵母菌对镉离子的吸附
2.2.1 pH值对Cd2+吸附效果的影响
由实验结果可知，当pH值的范围为5.5～6.5时，Cd2+有较大的吸附率，所以吸附Cd2+的最佳pH值是6.30。

当Cd2+的初始浓度为50mg/L左右时，Cd2+的吸附率最大，所以吸附Cd2+的最佳初始浓度为50mg/L。

2.2.3 菌体浓度对Cd2+吸附率的影响
菌体浓度对Cd2+的吸附影响较大，所以取吸附的最佳菌体浓度值为6.3g/L。

2.2.4 吸附时间对Cd2+吸附率的影响
由实验结果可知当时间为120min时吸附率最高，所以选择120min为最佳的吸附时间。

2.2.5 温度对Cd2+吸附率的影响
由实验结果可知温度范围大约在24℃～32℃时，用固定化啤酒酵母菌吸附Cd2+的过程中吸附率受温度的影响很小，大约从33℃开始，温度升高的同时吸附率也随之小幅度的降低，因此，吸附反应可以在常温下进行。

本实验选择24.5℃为最佳的吸附温度，吸附率为
79.44%。

三、酵母菌对铅、铜、锌和镉离子的吸附
在实际的工业废水中，往往是多种重金属混合离子共存，很少只含有一种重金属离子的废水。

本实验采用生物吸附法去除废水中的四种重金属混合离子Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+。

溶液的酸碱性和吸附时间、吸附温度等理化因素在吸附重金属混合离子的过程中会对吸附率产生一些影响，但影响的程度有所不同。

在吸附重金属混合离子时，除了要考虑所提到的理化因素外，还要同时兼顾重金属混合离子的浓度和混合离子组成等因素。

在生物吸附过程中，Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+这四种重金属离子对吸附率是是相互促进、拮抗还是相互之间没有影响，本实验会重点对吸附重金属混合离子Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+的影响因素进行研究。

3.1 固定化啤酒酵母吸附重金属混合离子的影响因素研究
固定化啤酒酵母吸附四种重金属混合离子Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+的过程中，受到pH 值、重金属离子的初始浓度、菌体浓度、吸附时间以及接触反应温度等因素的影响。

3.1.1pH值对吸附率的影响
溶液的pH值决定了重金属离子的存在状态，同时也影响吸附剂上活性基因的性质和重金属离子的生物吸附。

取Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+浓度均是100mg/L的溶液，用HCl和NaOH 调节溶液pH值分别为2.50，2.99，3.50，4.15，4.57，5.05
5.57，
6.14和6.65。

图1 pH值对生物吸附率的影响
由图1表明，pH值在3.5～6.0之间，Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+的吸附率都较高，而且变化幅度不大。

在pH值为5.0时，Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+的吸附率达到最大值。

实际应用中，由于废水中的pH值波动较大，而且不可能控制在较小的范围内。

固定化啤酒酵母吸附Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+的适宜pH值范围可选择在3.5～6.0之间，其较宽的pH范围增大了实际应用的可行性。

本实验选择pH为5.0。

3.1.2.重金属离子的初始浓度对吸附率的影响
实验设计了一系列不同的初始浓度来找出吸附Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+的最佳初始浓度。

取四种重金属离子Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+的初始浓度分别为20mg/L，50mg/L，
100mg/L，150mg/L和200mg/L的溶液，调pH为5.0。

图2 重金属离子初始浓度对吸附率的影响
由图2可知，随着重金属离子的初始浓度增大，生物吸附率降低，在本实验的研究中，由于时间和实验条件的限制，存在着以下一些有待解决和探讨的问题：
（1）建议接下来的研究中，最好试探利用现代分析手段如扫描电镜（SEM）和X-射线衍射分析等，这样能够在吸附机理上有可能突破和创新。

并要进一步探讨生物吸附剂对重金属离子吸附反应动力学和热力学的特性。

（2）今后的实验工作要更多的与实际应用相结合，重点放在工业应用上。

在生物吸附技术应用方面加大研究，重点开发生物吸附工艺和生物吸附反应器。

参考文献
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