第10章生物吸附劑的開發(fā)與重金屬的去除

1、第10章 生物吸附劑的開發(fā)與重金屬的去除,第一節(jié) 概 述,生物吸附表示微生物菌體對(duì)重金屬的吸附作用。細(xì)胞的不同部位對(duì)重金屬離子的吸附機(jī)理包括絡(luò)合、螯合、離子交換、轉(zhuǎn)化、吸收和無機(jī)微沉淀等。上述吸附機(jī)理中的任何一種或者幾種的組合都具有將一種或幾種重金屬固定到生物吸附劑上的能力。,生物吸附這一概念由Ruchhoft等人于1949年首先提出，他用活性污泥法從廢水中回收了239Pu，單級(jí)處理獲得了60％的回收率。他描述了在清除污染的

2、過程中增殖的微生物“有巨大表面積的膠狀基質(zhì)能吸附放射性材料”。Polikarpovz在水生生物的放射生態(tài)學(xué)研究中指出：海洋環(huán)境中存在的核材料可通過“直接從水中吸附”而由海洋微生物積累。他指出上述性質(zhì)與細(xì)胞的生命功能無關(guān)。不管是活的還是死的；許多微生物都具有同樣好的吸附性質(zhì)。,根霉和枯草芽孢桿菌可能是研究得最廣泛的生物吸附劑，有證據(jù)表明這些微生物菌體的離子交換在金屬離子的吸附方面起著重要的作用。兩種革蘭陽性菌(巨大芽孢桿菌和鏈球菌突變株

3、)也顯示具有類似于商用羧基離子交換樹脂的結(jié)合陽離子的性質(zhì)。,酵母細(xì)胞的表面能與陽離子迅速可逆的結(jié)合而起著離子交換樹脂的作用，啤酒酵母能迅速吸附鈾，因而推測在其表面可能具有磷酸基和羧基，磷酸二酯鍵的離解可能在啤酒酵母的細(xì)胞表面產(chǎn)生負(fù)離子。Rothsteinh和Meir的發(fā)現(xiàn)支持這一觀點(diǎn)，這也可以解釋在合成培養(yǎng)基上生長的細(xì)胞具有較強(qiáng)的金屬結(jié)合能力，因?yàn)樵诩?xì)胞壁上具有較高的磷酸鹽含量。磷酸基與鈾形成穩(wěn)定的復(fù)合物，羧基只有當(dāng)磷酸基飽和時(shí)才起作用

4、。大腸桿菌有羧基，而巨大芽孢桿菌同時(shí)具有羧基和磷酸基。分離的枯草芽孢桿菌細(xì)胞壁具有結(jié)合大量金屬離子的能力。,制備生物吸附劑的一個(gè)方法是從發(fā)酵工業(yè)獲得廢菌體，并用它從溶液中吸附重金屬。已經(jīng)實(shí)驗(yàn)過用大量的工業(yè)廢棄菌體如活性污泥、產(chǎn)黃青霉(Penicillium cArysogenum)和少根根霉(Rhizopus arrhizus)來吸附鈾和釷。使用發(fā)酵工業(yè)的廢棄菌體可以生產(chǎn)顆?；纳镂絼?。用堿溶液處理菌體可以增強(qiáng)菌體吸附金屬離子的能

5、力。這類生物吸附劑具有優(yōu)良的回收金屬離子的能力并可用標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)和設(shè)備來生產(chǎn)?？屏_拉多的高級(jí)礦產(chǎn)技術(shù)公司已經(jīng)在銷售生物吸附劑商品，這種生物吸附劑就是以高效的生物吸附劑枯草芽孢桿菌為基礎(chǔ)制備的。,另一個(gè)生物吸附劑的豐富來源是海洋。Volesky和Kuyucak的近期專利表明海藻Sargassum natans是一個(gè)極有潛力的生物吸附劑，它對(duì)金具有非常好的選擇性。而專門培養(yǎng)的淡水藻小球藻(Chlorella vulgaris)可作為另一種商用

6、生物吸附劑的原料。 各種海藻都有從復(fù)雜水溶液中分離和回收金屬離子的獨(dú)特性質(zhì)。將海藻細(xì)胞固定化可以生產(chǎn)具有比離子交換樹脂商品更明顯優(yōu)點(diǎn)的生物吸附劑。,盡管目前重金屬離子生物吸附劑的實(shí)際應(yīng)用還不多，但研制新的微生物固定化技術(shù)來生產(chǎn)新的生物吸附劑、選育新的具有不同的或更好的生物吸附性質(zhì)的微生物新品種、闡明與生物吸附作用有關(guān)的細(xì)胞壁成分、確定生物吸附劑內(nèi)的金屬結(jié)合位點(diǎn)和理解金屬吸附機(jī)理，并闡明有關(guān)的金屬溶液化學(xué)和金屬結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)、研究

7、能增強(qiáng)其吸附性質(zhì)的化學(xué)或生物學(xué)方法等都是尋找具有高選擇性和高吸附能力的高效生物吸附劑的關(guān)鍵，必將會(huì)使生物吸附劑在將來有更廣泛的應(yīng)用。,第二節(jié) 廢水中重金屬的來源及其環(huán)境影響,重金屬廢水是一種對(duì)生態(tài)環(huán)境危害極大的工業(yè)廢水，主要來源于采礦、選礦、冶煉、電鍍、化工、制革和造紙工業(yè)，這些工業(yè)產(chǎn)生的含汞、鉻、鎘、鎳、銅、鉛等重金屬廢水具有較大的毒性，不僅對(duì)水生生物構(gòu)成威脅，而且通過食物鏈能積累到較高的濃度，并最終危害到人類的健康。重金屬被

8、生物體吸收后，除以單個(gè)離子存在外，還可與生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)、氨基酸、脂肪酸、羧酸以及磷酸結(jié)合，形成有機(jī)酸鹽、無機(jī)鹽和螯合物 。,重金屬離子及其化合物的毒性，一般都是通過與生物機(jī)體成分的結(jié)合而發(fā)揮作用的，與生物體結(jié)合作用越強(qiáng)則毒性越強(qiáng)。由于重金屬及其化合物在生物體內(nèi)不易代謝，因而能通過食物鏈富集。此外，放射性重金屬元素的生產(chǎn)和使用部門所排放的放射性廢水中含有鈾、鐳、釷、钚等放射性元素，通過飲用和接觸，能引起人體內(nèi)外各種急慢性輻射損傷的病變

9、。需要從廢水中除去或回收重金屬離子的另一個(gè)原因，是因?yàn)槟承┙饘倬哂泄に囍匾曰蛘呔哂袘?zhàn)略意義，因而具有較高的價(jià)值。這兩類金屬不能完全分開，實(shí)際上，由于人類的活動(dòng)而引起環(huán)境中重金屬濃度的逐步上升，許多工藝上重要的重金屬對(duì)環(huán)境的危害也日趨嚴(yán)重。,汞對(duì)水體的污染最為嚴(yán)重，造成的危害也最大。在汞的毒性中，無機(jī)汞和有機(jī)汞的毒性差異很大。有機(jī)汞的毒性比無機(jī)汞大得多 。世界每年的汞消耗量平均為10000t，其中一半用于漂白紙漿的氯氣的生產(chǎn)，另一個(gè)最大

10、的消費(fèi)汞的行業(yè)是開關(guān)齒輪和電池的生產(chǎn)。近年來，由于采用了不使用汞電極的新技術(shù)，在氯氣的生產(chǎn)過程中大量使用汞的情況有所減少。,鉛被認(rèn)為是造成羅馬帝國亡國的有毒重金屬，現(xiàn)已成為滲透到環(huán)境各個(gè)角落的污染物。無機(jī)鉛(Pb2＋)是一種代謝毒物和酶抑制劑，而有機(jī)鉛(四乙基鉛和四甲基鉛)比無機(jī)鉛毒性更強(qiáng)。鉛中毒的早期癥狀是精神上的(如激動(dòng)、壓抑和易怒)。少年兒童對(duì)鉛的危害最為敏感，主要表現(xiàn)為智力發(fā)育障礙和長期的腦損傷。 全世界每年鉛的消耗量為3 0

11、00kt，其中40％用于生產(chǎn)蓄電池和電池，20％用作汽油的烷基添加劑，12％用于建筑結(jié)構(gòu)中，6％用于電纜外包物，5％用于彈藥，17％用于其他用途。,鎘及其化合物的應(yīng)用始于20世紀(jì)30年代，主要用于電鍍、顏料、塑料穩(wěn)定劑、銀鎘電池以及合金等方面。鎘是一種非常毒的重金屬，隨著工業(yè)用鎘量的增加，鎘的環(huán)境污染日趨嚴(yán)重。目前，汞、鎘、鉛被認(rèn)為是對(duì)人和環(huán)境危害最大的3種重金屬之一。鎘中毒使骨骼軟化萎縮，導(dǎo)致多處骨折，進(jìn)而損傷肝、腎等臟器并使內(nèi)分泌失

12、調(diào)。日本稱為“骨痛病”的疾病即為鎘中毒所致。,鉻的生理作用具有二重性，它既是生物的必需元素，又是有毒的污染元素。三價(jià)鉻參與糖代謝過程，使胰島素與細(xì)胞膜結(jié)合，促進(jìn)胰島素的作用。鉻缺乏將會(huì)導(dǎo)致糖、脂肪或蛋白代謝紊亂。六價(jià)鉻的毒性遠(yuǎn)高于三價(jià)鉻，其毒性主要表現(xiàn)在對(duì)人和溫血?jiǎng)游锛◇w全身有致毒作用，經(jīng)常吸人鉻化合物會(huì)引起呼吸道疾病、腸胃道疾病及引起肺癌、支氣管癌和消化道痛。,重金屬廢水的治理技術(shù)目前可以歸結(jié)為以下幾種：中和沉淀法；②化學(xué)沉淀法；③

13、氧化還原法； ④氣浮法； ⑤電解法； ⑥生物法；⑦蒸發(fā)和凝固法；⑧離子交換法；⑨吸附法；⑩溶劑萃取法；⑩液膜法；⑩反滲透和電滲析法。,其中，生物法，尤其是利用微生物吸附重金屬具有較大的優(yōu)勢：①在低濃度下，金屬可以被選擇性去除；②對(duì)鈣、鎂離子吸附量少；③處理效率高；④pH和溫度條件范圍寬；⑤投資小，運(yùn)行費(fèi)用低；⑥可有效地回收一些貴重金屬。因此，微生物法處理重金屬廢水，正如許多研究者所指出的，不僅在工程上可行，而且在經(jīng)濟(jì)上很有

14、吸引力，具有良好的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益，是一種很有潛力的重金屬廢水處理方法。,第三節(jié) 生物吸附材料的種類,近年來，對(duì)重金屬微生物吸附的研究取得了很大進(jìn)展。研究結(jié)果表明，一些微生物如細(xì)菌、真菌和藻類對(duì)重金屬有很強(qiáng)的吸附作用，因此微生物菌體是重金屬生物吸附劑的首選材料。例如，海洋微生物可將,細(xì)菌是地球上最豐富的微生物，地球上的總生物量大約為 ，細(xì)菌占了其中的大部分。許多研究表明細(xì)菌及其產(chǎn)物對(duì)溶解態(tài)的金屬離子有很強(qiáng)的絡(luò)合能力

15、。根據(jù)它們的結(jié)構(gòu)和組成，細(xì)菌細(xì)胞壁帶有負(fù)電荷使得細(xì)菌表面具有陰離子的性質(zhì)。金屬離子與細(xì)胞表面結(jié)構(gòu)材料上的羧基陰離子和磷酸陰離子發(fā)生相互作用而被固定。細(xì)菌細(xì)胞外膜上的結(jié)構(gòu)成分很容易與金屬發(fā)生反應(yīng)，因而金屬很容易結(jié)合到細(xì)胞的表面。像重金屬這樣的有毒物質(zhì)會(huì)結(jié)合到細(xì)胞壁上，結(jié)果可以防止這些重金屬滲透到敏感的內(nèi)部位點(diǎn)。有時(shí)也會(huì)使必需的金屬離子運(yùn)過細(xì)胞膜而進(jìn)入到需要金屬離子的反應(yīng)位點(diǎn)。,許多真菌都可用作生物吸附劑。已有研究的真菌如酵母(S．cere

16、visiae)，霉菌(Rhizopus spp.)等。由于Rhizopus spp．有很高的吸附能力，因此對(duì)其吸附也研究得較為透徹。霉菌和酵母能夠吸附和積累重金屬，這一特征既有為代謝目的的主動(dòng)金屬離子吸附，也有細(xì)胞及其組成成分的化學(xué)補(bǔ)償而引起的被動(dòng)吸附和結(jié)合。,,海藻菌體是可用于制備生物吸附材料的一類天然的、大多數(shù)情況下都很豐富的原料。無生命的死海藻菌體被認(rèn)為更適合這種應(yīng)用。早期的研究表明在吸附和積累重金屬離子方面，死海藻菌體比活細(xì)胞和

17、組織更有效。Rice比較了死的和活的海藻細(xì)胞對(duì)金屬離子的吸附，但他發(fā)現(xiàn)在某些情況下，在細(xì)胞死亡之后細(xì)胞物質(zhì)吸附金屬離子的能力更大。,在海藻中金屬結(jié)合能力變化的原因取決于不同科和不同屬的海藻有不同的細(xì)胞壁成分，不同的細(xì)胞壁成分將使細(xì)胞壁上產(chǎn)生不同的金屬吸附位點(diǎn)。這意味著不同海藻從水溶液中回收金屬離子的潛力是巨大的，因?yàn)楹Ｔ蹇煞诸悶?1000～25000個(gè)不同的種和100000個(gè)不同的菌株。海藻種類和菌株的大多數(shù)都具有生物吸附性質(zhì)。,,第四

18、節(jié) 生物吸附機(jī)理,一、微生物細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)特征,細(xì)菌、真菌和藻類微生物細(xì)胞與動(dòng)物細(xì)胞的最大區(qū)別在于細(xì)胞原生質(zhì)膜外有明顯的細(xì)胞壁，其在微生物吸附重金屬離子的過程中起著重要作用。,微生物細(xì)胞壁的特殊結(jié)構(gòu)，在很大程度上決定著其對(duì)金屬的吸附，如細(xì)胞壁的多孔結(jié)構(gòu)使活性化學(xué)配位體在細(xì)胞表面合理排列，使細(xì)胞易于和金屬離子結(jié)合。細(xì)胞外多糖(EPS)在某些微生物吸附重金屬離子的過程中也有一定的作用。EPS主要由蛋白質(zhì)和多糖構(gòu)成，其比率大約為3：1。,所有

19、細(xì)菌的細(xì)胞壁都具有共同的特征，Shockman和Barret認(rèn)為細(xì)菌細(xì)胞壁是由共價(jià)結(jié)合了某些分子的肽聚糖構(gòu)成的。根據(jù)肽聚糖及相鄰層的結(jié)構(gòu)可將細(xì)菌的細(xì)胞壁分為革蘭陽性細(xì)菌(G＋細(xì)菌)、革蘭陰性細(xì)菌(G－細(xì)菌)。G＋菌的細(xì)胞壁大多為二糖四肽的肽聚糖網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)層，還含有膜磷壁酸以及壁磷壁酸等。G－菌細(xì)胞壁為外膜層(由類脂多糖LPS和磷酸酯及蛋白質(zhì)構(gòu)成)和肽聚糖層結(jié)構(gòu)。,細(xì)胞壁結(jié)合金屬離子有3個(gè)主要的機(jī)理：吸附、微沉淀和晶核作用。微生物細(xì)胞壁結(jié)合

20、金屬離子的能力不僅與功能基團(tuán)的數(shù)量、類型和接近方式有關(guān)，而且與細(xì)胞壁網(wǎng)絡(luò)的孔徑、細(xì)胞壁骨架的空隙率有關(guān)，其中細(xì)胞壁骨架的空隙率決定沉淀和晶核的形狀和數(shù)量。使用X—射線衍射、紅外光譜和測定結(jié)合能等方法已經(jīng)闡明了肽聚糖的結(jié)構(gòu)。,真菌細(xì)胞壁主要由各種多糖構(gòu)成，它們經(jīng)常和蛋白質(zhì)、脂和其他物質(zhì)(如色素)鍵合在一起。真菌細(xì)胞壁是多層、微纖維結(jié)構(gòu)。藻類細(xì)胞壁和真菌細(xì)胞壁相似。關(guān)于真菌細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)已有人進(jìn)行了一些仔細(xì)的、詳細(xì)的綜述。,海藻細(xì)胞壁在結(jié)構(gòu)上

21、類似于真菌細(xì)胞壁，它是由多層的微纖維素骨架所構(gòu)成的，其主要成分是纖維素，并夾雜有一些無定性的物質(zhì)。在細(xì)胞壁的外面有時(shí)含有硅和鈣。某些海藻的細(xì)胞壁有十層之多，說明它們是非常復(fù)雜的。海藻細(xì)胞壁上的微纖維素或者平行排列，或者隨機(jī)排列。無定性的結(jié)合材料是糖蛋白。,二、金屬對(duì)生物分子的親和性,有研究者根據(jù)金屬離子與F－和I－離子結(jié)合強(qiáng)弱來確定金屬“硬度’’并且對(duì)金屬進(jìn)行分類。能與F－形成很強(qiáng)化學(xué)鍵的金屬離子就稱為“硬金屬”，如Na＋、Mg2＋和C

22、a2＋等。相反與F－形成弱化學(xué)鍵的金屬離子被稱為“軟金屬”，比如Hg2＋、Cd2＋和pb2＋等，一般都是有毒的重金屬。而那些具有中間硬度的金屬離子一般毒性較小，可以在生物體內(nèi)存在并且可以調(diào)節(jié)一些化學(xué)反應(yīng)。,在生物體內(nèi)，硬金屬離子一般與OH－、HPO2－、CO32－、R—COO－和＝C＝O等含氧官能團(tuán)形成穩(wěn)定化學(xué)鍵，而軟金屬離子一般與CN－、R-—S－、—SH－、—NH2和瞇唑等含氮和含硫基團(tuán)成鍵。硬金屬一般形成離子鍵，軟金屬一般形成共價(jià)

23、鍵 。,三、微生物對(duì)金屬的吸附,生物吸附的研究國外多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，采用人工模擬廢水，探索各種微生物對(duì)不同重金屬的吸附特性和規(guī)律，研究的主要注意力集中在細(xì)胞壁對(duì)金屬離子的吸附過程上，并揭示了細(xì)胞內(nèi)部對(duì)金屬離子也有吸附作用。,綜合各種資料，生物吸附(biosorption)的機(jī)理主要有絡(luò)合、螯合、離子交換、轉(zhuǎn)化、吸收和無機(jī)微沉淀等。一般來說，金屬的生物吸附是以許多金屬結(jié)合機(jī)理為基礎(chǔ)的。這些機(jī)理可以單獨(dú)起作用，也可以與其他機(jī)理結(jié)合在一起

24、起作用，這取決于吸附過程的條件和環(huán)境。,細(xì)胞轉(zhuǎn)化是指微生物代謝產(chǎn)生的及細(xì)胞自身的一些還原性物質(zhì)將氧化態(tài)的毒性重金屬離子還原為無毒性的沉淀。微生物通過氧化—還原，甲基化和去甲基化等作用將毒性重金屬離子轉(zhuǎn)化為無毒物質(zhì)或沉淀，微生物轉(zhuǎn)化作用與代謝和酶有關(guān)。例如 ；硫酸鹽還原菌(SRB)在厭氧條件下產(chǎn)生的H2S和廢水中的Zn2＋反應(yīng)生成金屬硫化物沉淀而得以去除廢水中的Zn2＋離子,細(xì)胞吸收主要有兩種形式——主動(dòng)吸收和被動(dòng)吸附，主動(dòng)吸收是指活體細(xì)

25、胞的主動(dòng)吸收，含有傳輸和沉積兩個(gè)過程，這種方式吸收金屬離子需要代謝活動(dòng)提供能量支撐，一般只對(duì)特定元素起作用，且速度較慢。被動(dòng)吸附是指細(xì)胞表面覆蓋的胞外多糖(EPS)、細(xì)胞壁上的磷酸根、羧基、巰基、胺基等基團(tuán)以及胞內(nèi)的一些化學(xué)基團(tuán)與金屬間的結(jié)合。由于是電荷間的相互作用，這是一個(gè)物化現(xiàn)象，與生物活性無關(guān)，這一過程速度較快。有研究結(jié)果表明，在微生物處理重金屬廢水過程中，這種被動(dòng)吸附是細(xì)胞吸收的主要形式。,可以觀察到微生物對(duì)金屬離子的吸附是可逆

26、的。大多數(shù)研究指出，微生物對(duì)重金屬的吸附符合Freundlioh模型和Langmuir模型。,絡(luò)合作用是金屬離子與幾個(gè)配基以配位鍵相結(jié)合形成的復(fù)雜離子或分子的過程。螯合作用是一個(gè)配基上同時(shí)有兩個(gè)以上的配位原子與金屬結(jié)合而形成具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的配合物的過程。螯合作用和絡(luò)合作用都是金屬離子與生物吸附劑之間的主要作用方式。在原核生物和真核生物的外表面，含有能和金屬離子發(fā)生反應(yīng)的各種活性基團(tuán)，這些活性基團(tuán)一般來自磷酸鹽、胺、蛋白質(zhì)和各種碳水化合物，

27、其分子內(nèi)含有的N、P、S和O等電負(fù)性較大的原子或基團(tuán)，能與金屬離子發(fā)生螯合或絡(luò)合作用。如幾丁質(zhì)和脫乙酰幾丁質(zhì)復(fù)合物上的大量磷酸鹽和葡萄糖醛酸，它們可以通過各種機(jī)制與金屬結(jié)合，其中磷酸、羰基以及蛋白質(zhì)和幾丁質(zhì)上的含N配位體對(duì)金屬都有很強(qiáng)的絡(luò)合能力。,第五節(jié) 生物吸附劑的制備,一、細(xì)菌生物吸附劑的制備,,細(xì)菌菌體(如在酶和其他化學(xué)品的發(fā)酵中使用的芽孢桿菌)已經(jīng)被固定化制成無生命的顆粒狀產(chǎn)品，用于廢水中金屬離子的回收。,對(duì)使用固定化芽孢桿菌

28、菌體的廢水處理系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了研究并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。這一系統(tǒng)在填充床(固定床)反應(yīng)器、膨脹床(流化床)反應(yīng)器或者分散床反應(yīng)器中使用固定化顆粒作為吸附劑。在以芽孢桿菌為基礎(chǔ)的顆粒吸附了金屬之后，用能溶解金屬的各種電解質(zhì)(如硫酸、氫氧化鈉、絡(luò)合劑或螯合劑)將金屬洗脫下來。金屬可用電解冶金法或其他的金屬回收方法回收。然后，顆?；难挎邨U菌菌體用苛性堿處理再生，生物吸附劑可重復(fù)使用。,1．生物吸附作用的增強(qiáng),微生物菌體可以直接用于生物吸附劑的生產(chǎn)

29、，或者使用物理化學(xué)過程來增強(qiáng)其吸附金屬的活性。高級(jí)礦產(chǎn)技術(shù)有限公司(現(xiàn)在叫遠(yuǎn)景技術(shù)合作有限公司，美國猶他州，鹽湖城)開發(fā)了微生物細(xì)胞(如枯草芽孢桿菌)的堿處理過程來增強(qiáng)其生物吸附性質(zhì)。該過程產(chǎn)生了一種固態(tài)的菌體產(chǎn)品。例如，未處理的枯草芽孢桿菌菌體的金屬吸附能力是每克菌體吸附11．4mg銀和9．2mg銅，用苛性堿處理和顆?；?，相應(yīng)的金屬吸附能力增加到每克菌體吸附86．7mg銀和79．2mg銅，處理過程是用0．25～1．25mol／LN

30、aOH溶液在50～100℃至少處理菌體15min。也可以用同樣濃度的KOH處理菌體。,2．生物吸附劑的顆?；?生物吸附劑用于處理廢水和回收金屬，因此它必須容易在廢水與生物吸附劑接觸的裝置中使用。進(jìn)一步說，生物吸附劑必須容易從接觸裝置中運(yùn)輸或分離，為了擴(kuò)大廢水處理的用途和為了再生和回收金屬，它必須具有良好的物理、化學(xué)穩(wěn)定性。為了這些原因，必須將菌體顆?；蚬潭ɑ?。,天然的菌體機(jī)械強(qiáng)度低、密度低、顆粒小。因此，天然菌體用于金屬離子回收必須使

31、用連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器。在吸附金屬之后，必須使用過濾、沉淀或離心的方法從溶液中分離菌體。這一過程成本高、效率低。因此，有必要把菌體轉(zhuǎn)化成離子交換樹脂和活性炭那樣的形式。改進(jìn)后的菌體必須具有類似于其他商用吸附劑的顆粒大小(0．5～1．5mm)、顆粒、強(qiáng)度、孔徑、親水性和對(duì)腐蝕性化學(xué)品的抵抗力。這些特性可通過固定化工藝達(dá)到。,來自發(fā)酵過程的菌體必須通過篩選去除顆粒狀的物質(zhì)或者不需要的碎屑。這些物質(zhì)可能以發(fā)酵培養(yǎng)基的不溶性成分存在，它們沒有生物吸

32、附作用。菌體需要用離心或過濾的方法濃縮以減少對(duì)交聯(lián)作用有不良影響的水分。濃縮過的菌體然后與顆?；噭┗旌?。為了保證交聯(lián)適當(dāng)，并得到所需要的穩(wěn)定性和活性的均勻產(chǎn)品，混合是這一過程的關(guān)鍵步驟。加入太少的交聯(lián)劑將產(chǎn)生在反應(yīng)設(shè)備中極易磨損和碎裂的顆粒；加入太多的交聯(lián)劑將產(chǎn)生活性較低的顆粒，因?yàn)榻档土私饘匐x子擴(kuò)散到生物吸附位點(diǎn)的能力。,交聯(lián)過的菌體然后加工成顆粒狀產(chǎn)品，這可以用擠出設(shè)備將菌體芽孢桿菌擠出來完成。顆?；^程是用旋轉(zhuǎn)筒內(nèi)迅速旋轉(zhuǎn)的刀片

33、將給定長度的擠出菌體轉(zhuǎn)化成球形。擠出之后還需要將交聯(lián)過的菌體進(jìn)一步脫水。脫水可以用帶式壓濾機(jī)來完成。顆粒的大小可以由擠出步驟中擠出模上擠出孔的直徑來控制。經(jīng)過最后的干燥步驟就得到了所需的生物吸附劑顆粒。干燥將提供較長貨架壽命的產(chǎn)品。,三、海藻生物吸附劑的制備,游離的海藻細(xì)胞不適合用于“柱式”操作，因?yàn)榧?xì)胞會(huì)結(jié)塊，為了產(chǎn)生適當(dāng)?shù)牧魉俣枰^高的水壓。進(jìn)一步說，因?yàn)楹Ｔ寮?xì)胞固有的易碎性，過高的壓力會(huì)引起游離菌體的潰散。使用固定在適當(dāng)?shù)亩嗫纵d

34、體中的海藻可以減輕碎裂的問題。聚丙烯酰胺、海藻酸鈣、硅膠都是用于固定無生命海藻的多孔載體，可以在回收金屬離子的填充柱中使用。,近年來商業(yè)上用于回收金屬離子的一種固定化海藻產(chǎn)品是A1gaSORB(生物回收系統(tǒng)有限公司，Las Cruce，NM 88003，美國)。這種專利材料含有固定在硅膠載體中的海藻細(xì)胞。硅膠固定的海藻適合在工業(yè)用途的分批或柱式反應(yīng)器中使用。,第六節(jié) 生物吸附工藝過程,1．間歇攪拌式反應(yīng)器,在間歇攪拌式反應(yīng)器中，顆粒狀

35、的生物吸附劑與重金屬廢水只有充分接觸，實(shí)現(xiàn)固液兩相的均相混合，才能有效地去除廢水中的重金屬離子。因此反應(yīng)器的幾何尺寸、攪拌器的形式對(duì)提高固液兩相傳質(zhì)起著非常重要的作用。,,2．連續(xù)攪拌式反應(yīng)器 、 該工藝過程是在間歇攪拌式反應(yīng)器的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成。含重金屬的廢水和吸附劑均連續(xù)進(jìn)人反應(yīng)器中，經(jīng)混合后形成懸浮液，在適宜的運(yùn)行條件下，吸附反應(yīng)結(jié)束，懸浮液經(jīng)過濾器將吸附劑和廢水進(jìn)行分離。具體工藝流程示意如圖6-3所示。,3．固定床式

36、反應(yīng)器 4．脈沖接觸式反應(yīng)器 5．流化床式反應(yīng)器,,,第七節(jié) 生物吸附技術(shù)的可行性分析,生物吸附劑應(yīng)用于重金屬廢水的凈化，在技術(shù)上表現(xiàn)出了極大的優(yōu)越性和競爭力，表6-5為生物吸附技術(shù)與其他技術(shù)用于含重金屬廢水處理的特征比較。從表6-5可以看出，生物吸附劑用于重金屬廢水處理，從吸附性能、pH適應(yīng)范圍、運(yùn)行費(fèi)用等方面都優(yōu)于其他方法，從技術(shù)角度分析，生物吸附劑應(yīng)用于實(shí)際過程是可行的，在去除和回收金屬離子方面具有非常好的應(yīng)用前景。,表6-

37、5為生物吸附技術(shù)與其他技術(shù)用于含重金屬廢水處理的特征比較,第八節(jié) 生物吸附劑的應(yīng)用,目前，在北美至少有三家企業(yè)開發(fā)了商品化的生物吸附劑產(chǎn)品，其中有：①B．V．SORBEX有限公司(加拿大，蒙特利爾市)，該公司使用各種不同類型的微生物菌體作為加工生物吸附劑的原料，開發(fā)了一系列用于金屬離子去除和／或回收的生物吸附劑，既有能吸附各種金屬離子的廣譜生物吸附劑，也有只吸附單一金屬離子的特殊生物吸附劑。②生物回收系統(tǒng)有限公司(北美，拉斯維加斯)，

38、該公司用硅膠或聚丙烯酰胺凝膠固定的淡水藻小球藻(Chlorella)菌體開發(fā)了吸附或回收金屬離子的生物吸附劑。③高級(jí)礦產(chǎn)技術(shù)有限公司，該公司開發(fā)了以芽孢桿菌為基礎(chǔ)的廣譜生物吸附劑。,生物吸附劑通常加工成能直接從水溶液中吸附金屬離子的顆粒狀材料(0.2～0.5mm)。使用的原料可以是細(xì)菌、真菌或者海藻。,目前已廣泛使用各種細(xì)菌、真菌和海藻來開發(fā)新的生物吸附劑，新開發(fā)的生物吸附劑的主要特征應(yīng)包括以下幾點(diǎn)： ①操作適應(yīng)性廣——能在各種pH、溫

39、度及其他溶液條件和加工過程下操作； ②金屬選擇性高——能從溶液中吸附各種重金屬離子而不受堿土金屬離子的干擾；③金屬離子濃度的影響小——在低濃度下(≤10mg／L)和在較高濃度下(≥100mg／L)都具有良好的金屬吸附能力； ④對(duì)有機(jī)物具有較高的耐受力——低濃度的有機(jī)物污染(≤5g／L)不影響金屬離子的吸附；⑤具有較好的再生能力——再生步驟應(yīng)簡單，再生的生物吸附劑的吸附能力與新鮮的生物吸附劑相比不應(yīng)有明顯的降低。,一、細(xì)菌和真菌生物吸附劑