1.引言
工業(yè)廢水處理一直是熱門的研究課題，尤其是在生產(chǎn)過(guò)程中，電鍍行業(yè)不斷往江河排入的廢水含有大量的污染物，如鉻、銅、鎳等重金屬離子、氰化物等劇毒物質(zhì)以及大量的有機(jī)污染物，嚴(yán)重破壞環(huán)境。隨著化學(xué)法和物理法處理電鍍廢水研究的不斷開展，不足之處也是日益明顯，對(duì)機(jī)械化程度的依賴性越來(lái)越高，工藝流程相對(duì)復(fù)雜，并且需要消耗大量原料，造成廢渣量大。然而，采用生物法來(lái)處理電鍍廢水的研究相對(duì)較少。此外，生物法也是一種21世紀(jì)高新技術(shù)，相對(duì)化學(xué)法所具有相當(dāng)多的優(yōu)勢(shì)，如污泥含量少等，因此，生物法的發(fā)展空間非常大，在不久的將來(lái)將會(huì)取代化學(xué)法和物理法。
從生物法處理電鍍廢水的機(jī)理進(jìn)行分類，可分為四類：（1）生物吸附法；（2）植物處理法；（3）生物絮凝法。由此可知，本文將按上述方法進(jìn)行分類，同時(shí)，結(jié)合綠色化學(xué)的基本原則和要求，介紹了生物法處理電鍍廢水的研究進(jìn)展。
2. 生物法處理電鍍廢水
2.1 生物吸附法
生物吸附法是通過(guò)生物體本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)，以及自身成分的特性來(lái)吸附與水中相溶的金屬離子，如銅離子，再采用固液兩相法分離和去除水溶液中的金屬離子。通過(guò)胞外聚合物分離金屬離子，在生長(zhǎng)過(guò)程中部分細(xì)菌釋放出蛋白質(zhì)，能使溶于水中的重金屬離子變?yōu)槌恋砦铮瑥亩_(dá)到去除的目的。生物吸附劑具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如取材方便、物美價(jià)廉、吸附能力強(qiáng)、容易回收貴重金屬等，已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。曾經(jīng)有報(bào)道，腐植酸鈉是價(jià)格比較低的吸附劑，可以把腐植酸做成腐植酸樹脂，進(jìn)一步處理含Cr、含Ni的電鍍廢水。據(jù)相關(guān)研究的表明，對(duì)于重金屬離子，殼聚糖類物質(zhì)是一種良好吸附劑。當(dāng)殼聚糖樹脂交聯(lián)后，它可多次使用，次數(shù)達(dá)到10次以上，而它的吸附容量也沒有明顯降低。2001年，北京化工大學(xué)的一個(gè)課題組曾經(jīng)采用殼聚糖制備生物吸附劑，來(lái)處理電鍍廢水，取得非常好的效果，并可以實(shí)際應(yīng)用在多個(gè)地方。該研究成果已經(jīng)獲得北京市科學(xué)技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。
不僅如此，一方面根據(jù)細(xì)胞依賴新陳代謝的程度，生物吸附機(jī)理也可以分成兩類，第一類是不依賴新陳代謝，第二類是依賴新陳代謝。
不依賴新陳代謝就是死細(xì)胞吸附金屬，而死的生物細(xì)胞以絡(luò)合、鰲合、協(xié)同、離子交換、物理吸附、沉淀等方法去除廢水中的金屬。生物吸附金屬是屬于物理化學(xué)現(xiàn)象，吸附速度相當(dāng)快，而且能可逆進(jìn)行，其與活性炭或離子交換樹脂的化學(xué)吸附性質(zhì)相類似，能應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域。另一方面，生物吸附在廢水中脫除金屬的方式也不同，由此可以分成：細(xì)胞內(nèi)富集、細(xì)胞外富集/沉淀以及細(xì)胞表面吸附/沉淀等三類。經(jīng)研究表明，對(duì)于真菌和海藻吸附等生物吸附，離子交換占主導(dǎo)地位，因?yàn)樗芴峁┝撕芏嗷钚曰鶊F(tuán)，例如硫酸鹽、梭基、胺鹽、磷酸鹽，從而產(chǎn)生離子交換。在此過(guò)程中，它可能存在以上一種作用方式或者幾種機(jī)理同時(shí)作用。
依賴新陳代謝只能發(fā)生在生物的活細(xì)胞，當(dāng)生物吸附金屬時(shí)，通過(guò)穿透細(xì)胞膜發(fā)生新陳代謝，從而進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)富集，它對(duì)金屬同時(shí)具有絮凝作用，由此以沉淀的方式使金屬?gòu)膹U水中去除。
生物吸附法處理電鍍廢水，包含兩個(gè)重要環(huán)節(jié)，第一，對(duì)重金屬的吸附；第二，生物吸附劑吸附重金屬離子后，能與水相發(fā)生分離。因而，用于處理電鍍廢水的微生物不僅具有吸附性能，而且能高效地進(jìn)行固液分離。
由于廢啤酒酵母有非常好的沉淀性能，其表面也有一定的疏水性。2008年，東北大學(xué)魏德州課題組以廢啤酒酵母及水洗預(yù)處理的廢啤酒酵母為吸附劑，利用它們把電鍍廢水中少量的重金屬離子富集在顆粒狀基質(zhì)上，并在不添加化學(xué)藥品的條件下進(jìn)行浮選分離，通過(guò)生物吸附法去除廢水中的重金屬離子，同時(shí)回收銅、鋅、鎘等多種金屬。
圖1 生物吸附法處理電渡廢水回收重金屬的工藝流程圖
2.2 植物處理法
植物處理法的定義是采用高等植物通過(guò)吸收、沉淀、富集等作用，進(jìn)一步降低電鍍廢水中重金屬含量，從而達(dá)到治理電鍍廢水、修復(fù)江河的目的。植物處理法是一種有效的生態(tài)工程治理環(huán)境方法，也是一種生物技術(shù)處理電鍍廢水的延伸方法。植物處理電鍍廢水主要由三部分組成：第一，電鍍廢水中能被金屬積累植物或超積累植物吸取、沉淀或富集；第二，電鍍廢水被金屬積累植物或超積累植物降低有毒金屬活性；第三，通過(guò)金屬積累植物或超積累植物可以將土壤中或水中的重金屬重新分離和萃取出來(lái)，富集并輸送到植物根部和植物地上枝條部分，在收割時(shí)可以得到這些重金屬。通過(guò)這種方法，可以收獲或移去已積累和富集重金屬植物的枝條，并降低電鍍廢水中的重金屬濃度。這種技術(shù)中能利用的植物包括藻類、草本植物、木本植物等。
盡管生物膜法或活性污泥法是最常用和最有效的處理污水方法, 但其費(fèi)用高昂, 僅僅可以適用于人口密集的城市和工業(yè)區(qū)，在人口稀疏的地區(qū)是無(wú)法行得通的，更加亟需尋找廉價(jià)而又高效的方法來(lái)代替。這些方法有以下三種，如根區(qū)法、沼澤塘法、天然生長(zhǎng)的植物系統(tǒng)處理污水等。
首先是根區(qū)法，其中蘆葦床系統(tǒng)的研究是最多, 也是效果最明顯。該系統(tǒng)只需要一個(gè)主過(guò)濾池,并在過(guò)濾池的兩端各建一個(gè)布水槽, 從而輔助進(jìn)水溝均勻分布和收集出水, 它采用礫石、土壤、砂或者三者的混合物作填料,蘆葦作為種植的植物。
1987年，Cooper和Boon提出了RZM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和操作技術(shù)體系，基本要點(diǎn)主要包括以下四點(diǎn)：
（1）在蘆葦床的修建時(shí)應(yīng)采用封底, 從而防止污水向地下滲漏；
（2）蘆葦床的底面需要保持一定的坡度,提供一種自然力，增強(qiáng)污水的流動(dòng)性；
（3）在蘆葦生長(zhǎng)的第一季節(jié)時(shí), 即從8-1 0月份,使蘆葦床內(nèi)的水位保持較低水平, 有利于根系最大程度地向縱方向延伸；
（4）在系統(tǒng)運(yùn)行的初期，應(yīng)保持較低的流速, 隨著蘆葦?shù)纳L(zhǎng)和根際系統(tǒng)的成熟，流速逐漸增大和增加負(fù)荷, 2-3年后，床內(nèi)根區(qū)系統(tǒng)發(fā)育完全后, 才能滿足設(shè)計(jì)要求。
蘆葦床面積的計(jì)算方法按下列公式:
Ah= 5 * Q d ( ln C0 - lnC1)
Q d ：污水的日處理量( m3 )
c 0：進(jìn)水的平均B O D 值( mg /1 )
c 1：出水需達(dá)到的平均B O D值( mg /1 )
蘆葦床的截面面積按下列公式確定：
Qs ：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的水流量(m3 / s )
K f：充分發(fā)育的蘆葦床的水力傳導(dǎo)度(m/s )
d H / d s ：蘆葦床底面的坡度(m/m)
曾在1984年，Greiner 和de Jong認(rèn)為植物處理法是基于如下一些原理:
（1）電鍍廢水中的有機(jī)污染物在植物根、莖上的微生物和游離微生物下分解；（2）電鍍廢水中的硝化和反硝化作用；
（3）電鍍廢水中的磷酸根隨著廢水流過(guò)床體而栽培在填料所固結(jié)；
（4）植物根系對(duì)電鍍廢水的營(yíng)養(yǎng)進(jìn)行吸收。
圖2 植物處理法處理電鍍廢水的機(jī)理
2.3生物絮凝法
生物絮凝法的含義是在微生物或微生物產(chǎn)生的代謝物下，對(duì)電鍍廢水進(jìn)行絮凝沉淀的一種除污方法。與此同時(shí)，微生物絮凝劑是一類由微生物產(chǎn)生，并可以分泌到細(xì)胞外，含有絮凝活性的代謝物。其中包括多糖、蛋白質(zhì)、DNA、纖維素、糖蛋白、聚氨基酸等高分子物質(zhì)，而且含有多種官能團(tuán)。另外，它能使電鍍廢水中膠體懸浮物，發(fā)生凝聚和沉淀。迄今為止，它對(duì)重金屬有絮凝作用，約有十幾種， Cu2+、Fe3+、Cd2+、Cr3十等重金屬離子可與它的氨基和羥基等親水性基團(tuán)，進(jìn)一步形成穩(wěn)定的鰲合物，從而沉淀下來(lái)。采用微生物絮凝法處理電鍍廢水，有相當(dāng)多特點(diǎn)，無(wú)毒、方便、安全，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，絮凝效果特別好，而且生長(zhǎng)快、容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。
圖3 生物絮凝法處理電鍍廢水工藝
3.結(jié)語(yǔ)
生物法處理電鍍廢水技術(shù)作為一種新穎的廢水處理技術(shù),以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)獨(dú)占鰲頭，正在不斷吸引人們的關(guān)注。隨著生物工程取得舉世矚目的進(jìn)步，生物法應(yīng)用于處理電鍍廢水也有著相當(dāng)大的空間和廣闊的發(fā)展前景。
參考文獻(xiàn)：
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