重金属的生物处理技术ppt课件

1、Founded in 1895第第11讲讲 重金属的生物处置技术重金属的生物处置技术Founded in 1895概述概述 重金属通常指相对密度大于重金属通常指相对密度大于4-4.5的元素的元素 有毒重金属，有毒重金属，Pb、Cd、Hg、Zn、Cu、Ni等等 贵金属，如贵金属，如Pd、Pt、Ag、Au等等 放射性核素，如放射性核素，如Co、Sr、Cs、U、Th、Ra、Am等等 重金属污染环境，危害安康，如重金属污染环境，危害安康，如“水俣病，水俣病，“骨痛骨痛病病 毒性可长期存在毒性可长期存在 金属有机化合物毒性更强金属有机化合物毒性更强 生物富集，危及人类生物富集，危及人类 任何方法都不能使

2、之降解任何方法都不能使之降解 低浓度也具有较强毒性低浓度也具有较强毒性 Founded in 1895消费和运用重金属的主要工业部门消费和运用重金属的主要工业部门Founded in 1895传统的去除重金属技术的优缺陷传统的去除重金属技术的优缺陷Founded in 1895生物技术去除重金属污染生物技术去除重金属污染 利用生物技术、即利用微生物、动植物体进展污染利用生物技术、即利用微生物、动植物体进展污染修复或治理是当前重金属污染治理研讨的主流方向修复或治理是当前重金属污染治理研讨的主流方向 生物吸附法以其高效、廉价的优点遭到关注生物吸附法以其高效、廉价的优点遭到关注 利用某些生物体本身的

3、化学构造及成分特性来吸附利用某些生物体本身的化学构造及成分特性来吸附溶于水中的金属离子，再经过固液两相分别来去除溶于水中的金属离子，再经过固液两相分别来去除水溶液中金属离子的方法水溶液中金属离子的方法 Founded in 18951 生物吸附原理生物吸附原理 微生物去除重金属的机理包括生物吸附、生物转化、微生物去除重金属的机理包括生物吸附、生物转化、沉淀等沉淀等 Founded in 1895 大流量低浓度有毒金属离子的去除、金属混合物中大流量低浓度有毒金属离子的去除、金属混合物中微量有毒成分的分别、贵金属的富集以及金属生物微量有毒成分的分别、贵金属的富集以及金属生物催化剂中污染抑制剂的消除

4、等，需求使器具有高亲催化剂中污染抑制剂的消除等，需求使器具有高亲和力和专注性的金属吸附剂。生物吸附技术可以满和力和专注性的金属吸附剂。生物吸附技术可以满足此要求足此要求 经过生物分子在微生物外表的展现，不仅可增进微经过生物分子在微生物外表的展现，不仅可增进微生物对金属的富集，而且菌体周围金属浓度的提高生物对金属的富集，而且菌体周围金属浓度的提高有利于金属离子与其他细菌构呵斥分脂多糖、细有利于金属离子与其他细菌构呵斥分脂多糖、细胞质及外周胞质等的作用，添加不同系统中金属胞质及外周胞质等的作用，添加不同系统中金属与微生物的结合与微生物的结合 Founded in 1895 大量研讨结果阐明，一些微

5、生物如细菌、真菌、酵大量研讨结果阐明，一些微生物如细菌、真菌、酵母和藻类等对金属有很强的吸附才干母和藻类等对金属有很强的吸附才干 通常所说的生物吸附仅指时或微生物的吸附作用，通常所说的生物吸附仅指时或微生物的吸附作用，而微生物活细胞去除金属离子的作用普通成为生物而微生物活细胞去除金属离子的作用普通成为生物累积。因此生物吸附过程不包括生物的新陈代谢作累积。因此生物吸附过程不包括生物的新陈代谢作用和物质的自动运输过程。生物活细胞作吸附剂时，用和物质的自动运输过程。生物活细胞作吸附剂时，这些作用能够会同时发生这些作用能够会同时发生 普通以为生物具有的吸附才干与其细胞壁的构造、普通以为生物具有的吸附才

6、干与其细胞壁的构造、成分亲密相关成分亲密相关 Founded in 1895 生物吸附主要是生物体细胞壁外表的一些具有金属生物吸附主要是生物体细胞壁外表的一些具有金属络合、配位才干的基团起作用，如巯基、羧基、羟络合、配位才干的基团起作用，如巯基、羧基、羟基等，这些基团与吸附的金属离子构成离子键或共基等，这些基团与吸附的金属离子构成离子键或共价键价键 金属能够经过沉淀或晶体化作用堆积于细胞外表，金属能够经过沉淀或晶体化作用堆积于细胞外表，某些难溶性金属也能够被胞外分泌物或细胞壁的腔某些难溶性金属也能够被胞外分泌物或细胞壁的腔洞捕获而堆积洞捕获而堆积 将细胞杀死后，经过一定的处置，使其具有一定的将

7、细胞杀死后，经过一定的处置，使其具有一定的粒度、硬度及稳定性，以便于储存、运输和实践运粒度、硬度及稳定性，以便于储存、运输和实践运用用 Founded in 1895 生物累积主要是利用生物新陈代谢作用产生的能量，生物累积主要是利用生物新陈代谢作用产生的能量，经过单价或二价离子的转移系统把金属离子保送到经过单价或二价离子的转移系统把金属离子保送到细胞内部细胞内部 由于有细胞内的累积，生物累积的去除效果能够比由于有细胞内的累积，生物累积的去除效果能够比单纯的生物吸附好单纯的生物吸附好 由于金属离子的毒性，生物的新陈代谢作用又遭到由于金属离子的毒性，生物的新陈代谢作用又遭到温度、温度、pH、能源等

8、诸多要素的影响，生物累积在实、能源等诸多要素的影响，生物累积在实践运用中遭到很大限制践运用中遭到很大限制 Founded in 1895生物吸附机理生物吸附机理 细胞外富集细胞外富集/沉淀：某些微生物可以产生具有络合或沉淀：某些微生物可以产生具有络合或沉淀金属离子的胞外物质，如蓝细菌分泌的多糖、沉淀金属离子的胞外物质，如蓝细菌分泌的多糖、白腐真菌分泌的柠檬酸或草酸白腐真菌分泌的柠檬酸或草酸 细胞外表吸附沉淀：金属离子经过与细胞外表特别细胞外表吸附沉淀：金属离子经过与细胞外表特别是与细胞壁组分蛋白质、多糖、脂类等中的化是与细胞壁组分蛋白质、多糖、脂类等中的化学基团如羧基、羟基、磷酰基、硫酸酯基、

9、氨基、学基团如羧基、羟基、磷酰基、硫酸酯基、氨基、巯基等的相互作用，吸附到细胞外表，该过程能巯基等的相互作用，吸附到细胞外表，该过程能够涉及的机制包括离子交换、外表络合、物理吸附够涉及的机制包括离子交换、外表络合、物理吸附如范德华力、静电作用、氧化复原或无机微沉如范德华力、静电作用、氧化复原或无机微沉淀等淀等 Founded in 1895 细胞外表组分的作用：蛋白质对金属离子具有剧烈亲合力，细胞外表组分的作用：蛋白质对金属离子具有剧烈亲合力，葡聚糖、甘露聚糖及几丁质有较高的吸附容量葡聚糖、甘露聚糖及几丁质有较高的吸附容量 离子交换机制：一价金属主要因质子交换机理被吸附，二离子交换机制：一价金

10、属主要因质子交换机理被吸附，二价金属的吸附量高于单价金属，吸附机理不限于质子交换；价金属的吸附量高于单价金属，吸附机理不限于质子交换；是许多非活性真菌和藻类吸附金属离子的主要机理，羧基、是许多非活性真菌和藻类吸附金属离子的主要机理，羧基、硫酸酯基和氨基发扬了重要作用硫酸酯基和氨基发扬了重要作用 外表络合机制：细胞外表功能基团中的氮、氧、硫、磷等外表络合机制：细胞外表功能基团中的氮、氧、硫、磷等原子，可以作为配位原子与金属离子配位络合；酵母与金原子，可以作为配位原子与金属离子配位络合；酵母与金属离子构成络合物的证据较少属离子构成络合物的证据较少 氧化复原机制：贵金属离子可以被复原为相应的零价金属

11、氧化复原机制：贵金属离子可以被复原为相应的零价金属颗粒颗粒 无机微沉淀机制：易水解金属的吸附机理，溶液体系的无机微沉淀机制：易水解金属的吸附机理，溶液体系的pH升高导致金属构成沉淀升高导致金属构成沉淀 Founded in 1895 胞内吸附胞内吸附/沉淀沉淀/转化：活细胞新陈代谢能量将金属离转化：活细胞新陈代谢能量将金属离子保送到细胞内部并堆积或转化，涉及金属离子的子保送到细胞内部并堆积或转化，涉及金属离子的运输机制和内部解毒机制，过量金属离子存在时，运输机制和内部解毒机制，过量金属离子存在时，活细胞可经过减少运输、阻渗等作用来降低金属在活细胞可经过减少运输、阻渗等作用来降低金属在胞内的积累

12、；金属离子进入细胞后，经过区域化作胞内的积累；金属离子进入细胞后，经过区域化作用分布在细胞内的不同部位，可将有毒金属离子封用分布在细胞内的不同部位，可将有毒金属离子封锁或与热稳定蛋白结合，转变成为低毒方式；微生锁或与热稳定蛋白结合，转变成为低毒方式；微生物还能经过氧化复原、甲基化和去甲基化等作用转物还能经过氧化复原、甲基化和去甲基化等作用转化重金属，构成了某些金属复原菌对重金属的抗性化重金属，构成了某些金属复原菌对重金属的抗性和解毒机制和解毒机制 Founded in 18952 生物吸附剂生物吸附剂生物吸附剂的种类生物吸附剂的种类 Founded in 1895生物吸附剂及其吸附容量生物吸附

13、剂及其吸附容量Founded in 1895 目前研讨所用的生物吸附剂有实验室的培育和发酵目前研讨所用的生物吸附剂有实验室的培育和发酵工业的废弃物，以及天然水体环境和活性污泥等工业的废弃物，以及天然水体环境和活性污泥等 生物吸附剂的选择要思索操作可行性和经济性生物吸附剂的选择要思索操作可行性和经济性 吸附和解析速率快吸附和解析速率快 消费本钱低、可反复运用消费本钱低、可反复运用 具有理想的粒度、外形、机械强度，便于在延续系具有理想的粒度、外形、机械强度，便于在延续系统中运用统中运用 与水溶液的两相分别应高效、快速、廉价与水溶液的两相分别应高效、快速、廉价 具有选择性具有选择性 再生时吸附剂损失

14、量小，经济上可行再生时吸附剂损失量小，经济上可行 Founded in 1895生物吸附剂的预处置生物吸附剂的预处置 对生物吸附剂进展一些物理、化学预处置，如用酸、碱浸泡对生物吸附剂进展一些物理、化学预处置，如用酸、碱浸泡或加热处置等，可以不同程度地改动其吸附才干或加热处置等，可以不同程度地改动其吸附才干 分析以为预处置使细胞的比外表积增大而导致了吸附量的添分析以为预处置使细胞的比外表积增大而导致了吸附量的添加加 碱处置可以去除细胞壁上的无定形多糖，改动葡聚糖和甲壳碱处置可以去除细胞壁上的无定形多糖，改动葡聚糖和甲壳质的构造，从而允许更多的金属离子吸附在其外表上质的构造，从而允许更多的金属离子

15、吸附在其外表上 碱可以溶解细胞上一些不利于吸附的杂质，暴显露细胞上更碱可以溶解细胞上一些不利于吸附的杂质，暴显露细胞上更多的活性结合位点，使吸附量增大；此外细胞比上的多的活性结合位点，使吸附量增大；此外细胞比上的H+解离解离下来，导致负电性官能团增多，吸附量也会增大下来，导致负电性官能团增多，吸附量也会增大 经过预处置的微生物物理稳定性也优于未经过处置的微生物，经过预处置的微生物物理稳定性也优于未经过处置的微生物，更适宜实践操作的需求更适宜实践操作的需求 Founded in 18953 生物吸附的影响要素生物吸附的影响要素 pH值：由于值：由于H+与被吸附阳离子之间的竞争吸附作用，与被吸附阳

16、离子之间的竞争吸附作用，水溶液中的水溶液中的pH值是影响饱和吸附量的主要要素。当值是影响饱和吸附量的主要要素。当pH值较低时，值较低时，H3O+会占据大量的吸附活性位点，会占据大量的吸附活性位点，从而阻止阳离子与吸附活性点的接触，从而导致吸从而阻止阳离子与吸附活性点的接触，从而导致吸附量的下降。附量的下降。pH值过高也不利于生物吸附，很多金值过高也不利于生物吸附，很多金属离子会生成氢氧化物沉淀，从而使生物吸附无法属离子会生成氢氧化物沉淀，从而使生物吸附无法顺利进展。普通以为，最正确顺利进展。普通以为，最正确pH范围是范围是5-9 温度：温度过高或过低都会使饱和吸附量略有降低，温度：温度过高或过

17、低都会使饱和吸附量略有降低，但影响不如但影响不如pH值明显，思索到经济性，普通不采用值明显，思索到经济性，普通不采用高温操作高温操作 Founded in 1895 离子强度：其他金属阳离子对生物吸附的影响主要离子强度：其他金属阳离子对生物吸附的影响主要表达在竞争吸附效应上，阴离子因其与金属离子生表达在竞争吸附效应上，阴离子因其与金属离子生成络合物，从而阻止生物吸附剂对金属离子的吸附成络合物，从而阻止生物吸附剂对金属离子的吸附 竞争吸附：实践运用中多种离子共存，假设不同种竞争吸附：实践运用中多种离子共存，假设不同种金属能被同一基团吸附，那么竞争不可防止，导致金属能被同一基团吸附，那么竞争不可防

18、止，导致某一种金属的吸附量比单独存在时减少某一种金属的吸附量比单独存在时减少 根据金属离子配位才干分为三类：硬离子易于与根据金属离子配位才干分为三类：硬离子易于与含有氧原子的配位基配合，如含有氧原子的配位基配合，如OH-、HPO42-、RCOO-等，软离子易于等，软离子易于CN-、RS-、SH-、NH2-等配位基以共价键配额和，边缘离子配位才干等配位基以共价键配额和，边缘离子配位才干介于上述二者之间介于上述二者之间 同类金属离子间发生显著的竞争吸附，不同类的金同类金属离子间发生显著的竞争吸附，不同类的金属离子间的竞争吸附效果不明显，其他类离子对边属离子间的竞争吸附效果不明显，其他类离子对边缘离

19、子的吸附有一定影响缘离子的吸附有一定影响 Founded in 18954 生物吸附动力学生物吸附动力学 生物吸附动力学可以分为两个阶段生物吸附动力学可以分为两个阶段 第一阶段发生在细胞壁外表，主要以物理吸附和离第一阶段发生在细胞壁外表，主要以物理吸附和离子交换过程为主，进展得很快子交换过程为主，进展得很快 第二阶段也称为自动吸附，主要以化学吸附为主，第二阶段也称为自动吸附，主要以化学吸附为主，金属离子在这一阶段可以经过自动运输进入细胞内金属离子在这一阶段可以经过自动运输进入细胞内部，需求耗费细胞新陈代谢所产生的能量，进展得部，需求耗费细胞新陈代谢所产生的能量，进展得很慢很慢 生物吸附金属离子

20、的过程，常用生物吸附金属离子的过程，常用Lagergren准一级速准一级速率方程、准二级速率方程来描画，二者都是基于固率方程、准二级速率方程来描画，二者都是基于固相吸附容量相吸附容量 Founded in 1895 Lagergren准一级速率方程：准一级速率方程： 积分式：积分式： 初始吸附速率：初始吸附速率： 准二级速率方程：准二级速率方程： 积分式：积分式： 初始吸附速率：初始吸附速率： 准二级速率方程比准一级速率方程能更好的拟合细胞对离子准二级速率方程比准一级速率方程能更好的拟合细胞对离子的吸附过程，阐明质量分散步骤对吸附速率的影响可以忽略，的吸附过程，阐明质量分散步骤对吸附速率的影响

21、可以忽略，限速步骤是化学吸附过程限速步骤是化学吸附过程 1()tetdqk qqdt1lg()lg2.303etekqqqt11evk q22()tetdqk qqdt211etek tqqq222evk qFounded in 18955 生物吸附运用中需留意的问题生物吸附运用中需留意的问题 生物吸附剂的生物吸附剂的方式对金属去方式对金属去除率的影响：除率的影响： 生物吸附柱的生物吸附柱的整体任务效果整体任务效果与吸附和再生与吸附和再生时构成的离子时构成的离子交换带的长度交换带的长度和外形有很大和外形有很大关系关系 Founded in 1895 不同的吸附剂对吸附质不同的吸附剂对吸附质的亲

22、合力不同，只需在的亲合力不同，只需在吸附质的亲合力高于已吸附质的亲合力高于已在柱内饱和吸附质的亲在柱内饱和吸附质的亲合力时，才干实现高效合力时，才干实现高效率的吸附柱吸附容量利率的吸附柱吸附容量利用和再生用和再生 氢、重金属和轻金属在氢、重金属和轻金属在亲合力序列中的相对位亲合力序列中的相对位置决议了离子方式和再置决议了离子方式和再生剂的适宜方式生剂的适宜方式 实测的生物吸附柱穿透曲线实测的生物吸附柱穿透曲线不利的穿透曲线是平缓和有较长拖尾的，阐不利的穿透曲线是平缓和有较长拖尾的，阐明柱内交换带长，交换容量浪费大，理想的明柱内交换带长，交换容量浪费大，理想的穿透曲线外形是较峻峭的，阐明柱内交换

23、容穿透曲线外形是较峻峭的，阐明柱内交换容量利用充分量利用充分 Founded in 1895 选择羟基离子的方式选择羟基离子的方式 羟基对氢离子有很高的选择性，少量的稀无机酸就羟基对氢离子有很高的选择性，少量的稀无机酸就能彻底的将重金属从生物吸附剂上解吸下来；然而能彻底的将重金属从生物吸附剂上解吸下来；然而酸洗的生物吸附剂与羟基亲合力低，重金属不能置酸洗的生物吸附剂与羟基亲合力低，重金属不能置换被氢离子饱和的生物吸附剂中吸附的氢离子换被氢离子饱和的生物吸附剂中吸附的氢离子 任务前要求部分或完全中和这些官能团，如荣任务前要求部分或完全中和这些官能团，如荣NaHCO3溶液和水洗，将生物吸附剂有溶液

24、和水洗，将生物吸附剂有H型转化为型转化为Ca/Mg型，生物吸附剂的吸附力添加型，生物吸附剂的吸附力添加3倍多倍多 废水组分的影响废水组分的影响 废水组分的复杂性常给生物吸附处置带来风险废水组分的复杂性常给生物吸附处置带来风险 生物吸附柱的任务期由进水中亲合力最低的重金属生物吸附柱的任务期由进水中亲合力最低的重金属决议，其出水浓度超限时，生物吸附柱任务停顿决议，其出水浓度超限时，生物吸附柱任务停顿 Founded in 1895 工业废水中含影响有毒金属吸附的无毒物质时，生物吸附工业废水中含影响有毒金属吸附的无毒物质时，生物吸附柱的任务期变短，同时应监测进水中悬浮固体量对吸附柱柱的任务期变短，同时应监测进水中悬浮固体量对吸附柱效果的影响效果的影响 吸附模型吸附模型 传统的基于颗粒状活性炭吸附模型，有效性遭到实验条件传统的基于颗粒状活性炭吸附模型，有效性遭到实验条件的限制，假定只需一种污染物存在，不能预测的限制，假定只需一种污染物存在，不能预测pH、吸附剂、吸附剂