生物材料在重金屬廢水處理中的應(yīng)用

生物材料在重金屬廢水處理中的應(yīng)用

目前，鎘（cd）和鎘、鉛、滴鼻涕、二氯聯(lián)苯和其他五種藥物被稱為對污染最危險(xiǎn)的五種藥物。對含Cd廢水進(jìn)行有效處理,對Cd污染水域、土壤進(jìn)行修復(fù)成為環(huán)境治理中越來越突出的問題。含Cd廢水的處理常有化學(xué)沉淀法、漂白粉氧化法和離子交換法等,含Cd土壤的治理措施主要有改土法、電化法和沖洗絡(luò)合法,但是這些傳統(tǒng)的處理方法普遍存在著二次污染、成本高、處理效果不理想等問題,因此尋求新的處理技術(shù)十分必要。近幾年來,生物材料以其成本低廉、處理效果好和清潔無污染等特點(diǎn)在重金屬廢水處理和土壤修復(fù)方面顯示出了較強(qiáng)的優(yōu)勢,得到了廣泛的關(guān)注。1生物材料在c-d污染研究用于生物處理技術(shù)的材料主要分為植物材料和微生物材料。1.1植物用來修復(fù)Cd污染的植物包括單細(xì)胞的藻類和高等植物界的一切植物,如水生的植物、野生的草以及栽培的作物等。1.1.1cd2+的去除海邊常見的大型海藻海黍子、海帶和孔石莼對Cd2+的吸附效果比較好,其中海黍子的吸附容量大于海帶和孔石莼,高達(dá)181mg/g。海黍子適宜吸附的pH為3~6;海帶在pH為1~6時,隨pH的升高,吸附量增加。一些學(xué)者認(rèn)為Cd2+與這些海藻中的Ca2+發(fā)生了離子交換作用,交換率占總吸附量的33%~34%。Kaewsarn等對采自泰國Surin濕地的海藻植物Padinasp.預(yù)處理后,用于對稀溶液中Cd2+的去除。在pH為5時,該植物對Cd2+的最大去除量可達(dá)到0.53mmol/g,在35min內(nèi)吸附作用發(fā)生很快,完成了約90%。除了上述幾種藻類,還有一些藻類可以吸附溶液中的Cd2+。例如節(jié)囊葉藻,對Cd2+的吸附容量為0.8~1.2mmol/g,與交換樹脂的容量相當(dāng);叉鞭金藻的死體藻細(xì)胞比活體藻細(xì)胞能富集更多的Cd2+;小球藻對Cd2+的富集量隨水體Cd2+濃度增加而提高。目前,已提供了藻類對Cd污染治理有效的種類、最佳應(yīng)用條件及吸附效果等方面的理論依據(jù),但如果應(yīng)用到實(shí)際的Cd污染治理問題上,對藻類吸附Cd2+的機(jī)理還需要明確,藻類應(yīng)用的具體條件還有待于進(jìn)一步歸類、整理,應(yīng)用的方法還要進(jìn)一步探討。1.1.2鳳眼蓮的生物聚積作用在Cd污染條件下,蘆葦幼苗植株和根皮層細(xì)胞中可積累大量的Cd2+,Cd2+在蘆葦葉片中可達(dá)215.62mg/kg(干重),蘆葦幼苗除了生長稍下降外,沒有表現(xiàn)出明顯受害癥狀。蘆葦?shù)目笴d機(jī)理與以下幾個方面有關(guān):根部截留,細(xì)胞間隙積累,細(xì)胞壁沉淀,液泡區(qū)域化,形成活性較低的難溶化合物,形成結(jié)合蛋白。鳳眼蓮,別名水葫蘆,在長期供給低濃度Cd2+的條件下具有較高的生物聚積能力,其最高生物富集因子(BCF)可達(dá)2150,對Cd2+的耐受性大致為1.7g/L。鳳眼蓮能夠?qū)Ⅲw內(nèi)有害物質(zhì)定向轉(zhuǎn)移到老葉中,然后通過葉片或其他器官的衰老脫落而去除,同時其體內(nèi)含Zn2+較高,Cd2+可以把Zn2+從有機(jī)體中置換出來。水生植物荇菜可以通過根系的吸收和分泌物的吸附作用固定溶液中的Cd2+,對含Cd污水有較高的凈化能力,最高可清除污水中99.5%的Cd2+。1.1.3根系對cd2+的吸附動力學(xué)特性雜草對土壤中的重金屬離子有一定的吸附能力,整體吸附能力主要受草種吸附力和群體生物量決定。濕地土壤的草根層通常具有較強(qiáng)的吸附重金屬的能力,在濕地生態(tài)系統(tǒng)中有著不容忽視的凈化和過濾作用。草根層吸附Cd2+的過程符合Langmuir和Freundlich等溫吸附曲線,動態(tài)實(shí)驗(yàn)對Cd2+的飽和吸附量為8.59mg/g。草根層對Cd2+的吸附動力學(xué)特性較好,但解吸動力學(xué)特性很差,說明濕地土壤草根層對Cd2+有較強(qiáng)的吸持能力,可阻擋重金屬離子向深層土壤的遷移。土壤草根層對Cd2+的最大吸附量與土壤中的有機(jī)質(zhì)和鐵、錳氧化物含量存在著正相關(guān)性。雜草是非常廉價易得的植物材料,所以如果能把它們有效地應(yīng)用到Cd污染治理中,有很大實(shí)際意義,應(yīng)該通過實(shí)驗(yàn)多找出各地的有效新品種,并把它們同人工濕地的研究結(jié)合起來。1.1.4cd2+植物基因型材料作物是另一類來源廣泛、成本低廉的植物吸附材料。在常見的作物中,印度芥菜、油菜、小白菜和結(jié)球甘藍(lán)可以吸附、累積土壤中的Cd2+,其中的一些品種屬于Cd2+超累積植物。印度芥菜生物量較大,和普通植物相比,印度芥菜更能將Cd2+從根運(yùn)輸?shù)降厣喜俊Ｔ诩尤隒d2+200mg/kg的土壤中生長的印度芥菜,葉片中積累Cd2+可達(dá)161mg/kg。印度芥菜所在的十字花科蕓苔屬植物中的很多品種具有較強(qiáng)的吸附Cd2+的特性。例如溪口花籽油菜的地上部生物量、地上部吸Cd2+量和對土壤的凈化率均高于印度芥菜,其體內(nèi)Cd2+濃度也和印度芥菜相當(dāng)。王松良等通過溫室水培實(shí)驗(yàn)篩選出了福綠1號、94-N1等13個小白菜品種和Ducati等11個結(jié)球甘藍(lán)品種作為修復(fù)土壤Cd污染的潛在植物材料。為了更好地把作物應(yīng)用于Cd污染土壤的修復(fù),除了找出對Cd2+吸附較好的品種外,通過適當(dāng)?shù)姆N植方法也有利于吸附效果的提高。例如將印度芥菜和油菜互作種植,可提高修復(fù)難溶態(tài)Cd污染土壤的能力,且植株的吸Cd2+量和對土壤的凈化率均高于單作。1.1.5cd2+的降解除了上述提到的幾類植物,還有一些植物可以作為Cd2+的潛在吸附材料。東南景天就是一種在我國東南部古老礦山上發(fā)現(xiàn)的生長速度較快、生物量較大的Cd2+超積累植物,尤其適于對復(fù)合型Cd污染的修復(fù)。天竺葵具有多種形式的解毒機(jī)制,使其新陳代謝敏感部位受Cd毒害的程度降低,栽培在含0~1000mg/LCd(NO3)2·4H2O的溶液中超過14d后,其莖部積累Cd2+超過750mg/kg,根部積累Cd2+超過27000mg/kg。國外的一些學(xué)者不僅用生長中的植物來吸附Cd2+,還嘗試用某些植物的廢棄部分吸附Cd2+,效果也很好。例如Espinola等用椰殼清除混合溶液中的Cd2+,發(fā)現(xiàn)椰殼的表面纖維存在著一些豐富的化學(xué)混合物,這些物質(zhì)可以很好地去除Cd2+,去除率達(dá)到99%。一些研究者還嘗試用干燥的植物葉子去除稀溶液中的Cd2+,結(jié)果表明在適宜的條件下,其去除率與活性炭相似。1.2微生物利用微生物吸附重金屬具有許多優(yōu)點(diǎn),例如運(yùn)行過程中微生物能不斷地增殖、吸附快速、可以對金屬進(jìn)行選擇性去除和處理效率高等。1.2.1利用溫升和菌體上的cd2+和cd3+來吸附廢水用黃孢展齒革菌處理含Cd污水,在最佳條件下,Cd2+從10.00mg/L下降至0.04mg/L,達(dá)到了國家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn),采用甲醛交聯(lián)-堿對黃孢展齒革菌預(yù)處理能顯著提高吸附效果。Kefala等分別應(yīng)用兩種特殊的放射菌AK61和JL322的活細(xì)胞和死細(xì)胞對廢水中的Cd2+進(jìn)行吸附,得出影響吸附的主要因素有吸附時間、溶液的pH、Cd2+和放射菌的濃度,吸附的熱力學(xué)過程可以用Langmuir等溫方程描述。在適宜的條件下,這兩種菌對Cd2+的去除率可超過95%。應(yīng)用各種菌類處理重金屬廢水是現(xiàn)代工業(yè)廢水處理中常用的生物處理方法,和其他的處理方法相比,具有很多優(yōu)勢,但這種方法適于處理含重金屬離子濃度較低的廢水,并且在篩選和培養(yǎng)合適的菌種方面比較耗時。1.2.2不同菌種對cd2+的吸附發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)生的大量啤酒酵母廢菌體是種極具潛力的生物吸附劑。啤酒酵母吸附Cd2+的速度非?？?吸附較佳的pH為4~8,溫度、酵母用量和Cd2+的初始濃度對吸附均有一定的影響。啤酒酵母對Cd2+的最高吸附率達(dá)93%,此時每克干酵母吸附Cd2+為46.5mg。實(shí)際也表明啤酒酵母處理含Cd廢水是有效的。應(yīng)用中常用海藻酸鈣凝膠包埋固定化啤酒酵母細(xì)胞,固定化酵母的優(yōu)勢在于可重復(fù)使用及連續(xù)操作。為了避免重金屬流入水體對環(huán)境造成污染,常用焚燒法對富集了金屬的啤酒酵母進(jìn)行處理。用啤酒酵母吸附Cd2+是種經(jīng)濟(jì)、有效的生物處理方法,應(yīng)該大范圍推廣,但在實(shí)際應(yīng)用中要注意一些具體問題,例如對吸附飽和后的啤酒酵母的處理。1.2.3鐵、錳氧化物含量與廢水中cd2+積累量的關(guān)系自然界淡水生物膜由不同種類的微生物組成,具有較強(qiáng)的吸附Cd2+的能力,對Cd2+在水中的遷移轉(zhuǎn)化起重要作用。生物膜上Cd2+的積累過程服從一級動力學(xué)反應(yīng),并符合雙常數(shù)方程和Elovich方程。生物膜上鐵、錳氧化物的含量與膜上Cd2+的積累量呈顯著的正相關(guān)。Freundlich和Langmuir方程均可描述生物膜吸附Cd2+的熱力學(xué)過程。隨著生物膜濃度的增加,生物膜吸附Cd2+的最大吸附量呈下降趨勢。目前,生物膜對Cd2+的吸附機(jī)理和影響吸附的因素已有一定的研究成果,但要應(yīng)用于實(shí)際,還要開展一些關(guān)于人工培養(yǎng)生物膜方面的研究。2cd污染土壤治理中的重金屬污染問題在植物治理Cd污染方面:(1)植物需要很高的生物量才能達(dá)到去除重金屬污染物的目的,因此要利用生物工程手段將重金屬聚積生物與高生物量的生物有機(jī)地結(jié)合起來,培養(yǎng)出新的超積累植物品種;(2)將土壤或淤泥中的重金屬固定化,以減少其生物有效性,是治理重金屬污染的技術(shù)措施之一,但固定化的重金屬還是滯留在土壤中。如果應(yīng)用超積累植物把土壤中的重金屬抽提出來,再對這些植物進(jìn)行處理,就可以徹底解決土壤重金屬污染問題。而超積累植物抽提重金屬的數(shù)量與土壤固相結(jié)合態(tài)金屬的濃度密切相關(guān),為了提高植物修復(fù)效率,也應(yīng)加強(qiáng)活化固相態(tài)金屬方面的研究;(3)在實(shí)際的Cd污染土壤治理中,要根據(jù)實(shí)