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工业废水中常含有一定量有毒的重金属离子，对人体健康存在潜在危害。从水溶液去除重金属的常用物理处理方法有化学沉淀法、电解法、离子浮选法、电渗析和反渗透法、铁氧体法、吸附法等，但是这些传统方法存在一个共同缺点：就是处理低于100mg/L的低浓度重金属废水时，往往操作费用和原料成本相对过高，经济上不合算。近年来，一种崭新的重金属废水处理方法一生物吸附法，在处理大体积低浓度的复杂重金属废水方面，有着极为广阔的发展前景。由于生物吸附法能高效率、高选择性、高速度地吸附分离复杂稀溶液中的金属离子，目前各种生物吸附材料的研究已经蔚然成风。但是自然的生物体在吸附金属后，必须经过沉降、过滤或是离心才能将其与溶液分开，而且运行过程极易堵塞管道，而采用固定化技术则可解决这一困难。鉴于包埋是应用最为广泛与成熟的固定化技术，各种天然和合成高分子包埋材料的研究成为生物吸附研究的热点之一。
本研究受江苏省自然科学基金项目《用包埋微生物的反应器吸附去除废水中重金属离子的原理和应用》资助，以高效、经济的重金属废水处理技术为主要目标，研究不同类型的生物材料(藻类、酵母菌和好氧活性污泥)对多种重金属离子(Pb、Cd、Cu、Zn)的吸附作用和机理，确定影响生物吸附重金属离子能力和速率的主要因素；寻找包埋用于重金属吸附生物的合适方法；分析多种重金属离子共存时的生物吸附特性；选择适合于生物吸附重金属的反应器类型和工艺参数，探讨包埋生物反应器吸附去除废水中重金属离子的基础原理和技术可行性，属于应用基础研究。具体内容包括：
1.选择合适的生物吸附材料本项目采用酵母、小球藻和活性污泥作为生物吸附材料，分别对其重金属吸附性能进行了较为深入的研究。三种生物材料都具有吸附去除废水中重金属离子的能力，在pH=4～5的范围内对重金属均可以取得最佳去除效果。然而，其吸附能力仍有较大的差别。在对Cu2+离子的对比吸附实验中，湿活性污泥的吸附效果可达5mg/g，远远高于小球藻和啤酒酵母的吸附能力。活性污泥被选择为主要生物吸附材料进行后续的包埋实验。
(1)TEM分析显示活性酵母对于溶液中的重金属离子主要是表面吸附去除机理，FT-IR分析指明细胞壁的吸附位关键在O-H和N-H，而研究采用的活性面包酵母比南京金陵啤洒厂活性酿酒酵母表现出更好的Cu2+吸附性能。另外，研究了pH、吸附时间、加菌量等影响非活性啤酒酵母吸附重金属离子Cu2+的主要因素，并基于不同处理方法比较改性酵母吸附性能，分析了酵母菌对Cu2+的吸附机理。结果表明：pH4.5，1～1.5h吸附时间，0.01g/mL加菌量为最佳吸附条件；非活性酿酒酵母对Cu2+的吸附符合Langmuir模型，表现为单分子层吸附；多种金属离子共存时，其对金属的吸附具有一定的选择性，顺序为pb2+＞Cu2+＞Zn2+，不同金属离子间有一定的抑制作用。酵母菌细胞壁表面的-COOH、-NH3以及脂肪在其吸附铜离子时起着重要作用，3％NaOH处理的酵母吸附能力大大增加。
(2)分析了影响小球藻吸附Znu2+、Cu2+和Cd2+三种重金属离子的主要因素，并对不同金属离子之间可能存在抑制或促进作用开展了初步的试验研究。结果显示小球藻吸附金属离子速度快，吸附容量大，适宜的pH在3.0～5.0之间，其吸附等温线与Freundlich方程拟合良好。另外，小球藻对Cu2+离子的吸附性能明显高于其他离子。由于电子云分布和轨道杂化等结构因素，三种金属离子在小球藻上的吸附选择顺序为Cd2+＞Zn2+＞Cu2+。
(3)城市生活污水处理厂的活性污泥对于低浓度(10～60mg/L)的Cu2+与Zn2+具有很强的吸附能力，去除率分别可达95％和70％以上，但对于Cd2+去除率较低，仅为50％左右。在实验条件下，温度对污泥吸附金属的影响并不显著，而体系pH值和吸附时间等的影响较为重要。活性污泥对Cu2+的吸附符合Langmuir模型，Zn2+则与Freundlich模型的符合程度优于Langmuir模型，Cd2+的吸附与两个模型的符合程度一致。另外，该污泥对Cu2+离子的吸附性能明显高于其他离子，但在混和体系实验中发现活性污泥选择吸附的顺序为Cd2+＞Zn2+＞Cu2+，与理论顺序完全一致。
2.选择适当的生物体包埋载体与方法本研究结合自己实验室的条件与特点，主要就海藻酸、明胶和聚乙烯醇包埋固定化活性污泥的方法与效果来进行研究。
(1)由实验结果可以看出，在实验的浓度范围内，固定化CA球的吸附性能明显优于PVB球和混合载体PVA球，其对Cu2+离子的吸附去除率达到97％以上。另外，本研究分别比较了明胶与明胶包埋固定PAS小球、PVA和PVA包埋固定的PAS小球对于低浓度金属离子的吸附性能。明胶机械强度比较差，且无论纯PVA还是PAS-PVA球吸附去除Cu2+的能力均分别高于明胶或PAS－明胶。但从聚合所导致的传质阻力增大这一角度，海藻酸和其他包埋剂相比更有优势，因为海藻酸结构上的羧基基团可以促进重金属离子的吸附。本论文重点开展海藻酸包埋固定生物材料的研究。
(2)与自由酵母10min达到吸附平衡不同，海藻酸包埋固定化后的酵母对金属的吸附是一个缓慢的过程，需要20h达到平衡。固定化后的酵母对Cu2+的吸附符合Langmuir模型，吸附也主要是物化过程，且对重金属离子的吸附能力提高。
(3)综合考虑不同包埋比的固定化CA球的理化性能对重金属的吸附和解吸过程的影响，1：2固定化CA球成为本研究首选生物吸附材料。影响1：2固定化CA球吸附去除低浓度重金属离子的因素主要包括：废水的pH、温度、浓度、Ca2+、Mg2+等干扰离子、固定化小球用量与接触时间等。溶液的pH值直接影响固定化CA球对重金属离子的吸附效果，pH＜3时吸附量随pH值的降低而明显下降，pH=3～6范围内，吸附量最高并趋向恒定；温度升高、小球用量加大都会导致吸附量增加；当小球用量一定时，吸附量和残留量均随原水重金属离子浓度的增加而增加；吸附反应速度较慢，反应趋近平衡的时间为2h左右；此外，固定化CA球有较强的抗Ca2+、Mg2+等离子干扰的能力。
3.选择恰当的生物吸附材料再生方法固定化CA球的吸附与解吸是一个可逆反应的两个方面。当溶液pH值≥3时，反应向吸附的方向进行；当溶液的pH值降到2左右时，反应即向解吸的方向进行。吸附和解吸反应速度均符合一级反应动力学方程，但吸附的动力学常数K吸=0.074min-1，略大于解吸的动力学常数K解=0.006min-1，说明吸附的速度略大于解吸的速度。综合考虑解吸效果和对CA球的机械强度造成的影响，选择0.01mol/L的HCl进行解吸，解吸时间对解吸率的影响很大，120min时除1：1CA球以外，其余3种包埋比的小球的解吸率都达到了95％。从再次吸附的性能考虑，在经过盐酸解吸以后，各种包埋比的CA球的吸附性能都有不同程度的下降，包埋比例越高的CA球的吸附量下降的幅度越大。
4.研制反应器并确定其最佳运行条件根据吸附动力学的研究结果，采用两柱串联固定床反应器，使含重金属废水与固体吸附剂以连续的方式相接触，可以达到理想的净化效果。本研究所构建的包埋污泥固定床反应器对Cu2+和Cd2+有较强的吸附能力，其工作吸附容量分别为0.87mg/g和0.56mg/g。而对Zn2+的吸附能力比较弱，其工作吸附容量仅为0.34mg/g。，当用含有Cu2+、Zn2+和Cd2+三种金属的混合废水进行实验时，反应器对不同的重金属离子有较好的选择吸附性能，选择顺序为：Cu2+＞Cd2+＞Zn2+。将0.1M的盐酸以3倍废水流速顺流通过饱和的吸附柱进行解吸时，对吸附单一废水和混和金属废水的吸附柱子，都能够达到比较好的解吸效果，解吸率将近90％。