全 文 ：小球藻对重金属 Pb2+生物吸附的试验研究＊
周书葵1, 2＊ , 　杨金辉 1 , 　刘响亮1 , 　蒋海燕 1
(1.南华大学 城市建设学院 , 污染治理与资源化省重点实验室 ,湖南 衡阳 421001;
2.湖南大学 环境科学与工程学院 ,湖南 长沙 410082)
[摘要 ] 　以小球藻为生物吸附剂 ,对废水中 Pb2+进行了吸附试验研究.结果表明:吸附过程是一个渐慢的过程, 吸附开
始 10min内大约完成 75%的吸附量;pH值在 5.50左右时吸附效果最佳;藻粉的最佳投加量约为 1.0g/L;随着金属离子
浓度的升高 ,小球藻吸附效率呈明显降低的趋势;试验还表明各因素对吸附效果影响程度由强到弱的顺序为:藻浓度 、pH
值、反应时间 、Pb2+初始浓度;实验最佳条件下的去除率达 94%.
关　键　词:小球藻;生物吸附;Pb2+;影响因素
中图分类号:O431.2　　　　　　文献标识码:A　　　　　　　文章编号:1000-5900(2011)01-0089-05
ExperimentalStudyonBiosorptionofPb2+ byChlorela
ZHOUShu-kui1 , 2＊ , 　YANGJin-hui1 , 　LIUXiang-liang1 , 　JIANGHai-yan1
(1.SchoolofUrbanConstruction＆KeyLabofPolutionTreatmentandRecycling
ofHunanProvince, UniversityofSouthChina, Hengyang421001;
2.SchoolofEnvironmentScienceandEngineering, HunanUniversity, Changsha410082China)
【Abstract】　TheexperimentstudiesthebiosorptionofPb2+inwastewaterbychlorela, andtheresultshowsthat
theadsorptionisaprocessonthedeclineandcompletesabout75%inthebeginning10minutes, thebestefectap-
pearswhenpHisabout5.5anddosingofchlorellaabout1.0 g/L, andtheadsorptioneficiencyreducesobviously
withthemetalionincreasing.Andthefactorscanbearrangedfromstrongtoweakinorderofinfluence:chlorella
dose, pH, reactiontimeandPb2+concentration.Theremovingratewilreachto94% inoptimumconditions.
Keywords:　 chlorela;biosorption;Pb2+;influencefactor
1　问题的提出
近年来 ,生物吸附剂(如细菌 、真菌 、藻类等)用于含重金属 、放射性物质(如 U等)废水的处理是一
种较新的技术 ,已成为环境工程领域的一大研究热点.生物吸附法的原料来源丰富 ,品种多 ,成本低 ,吸
附设备简单 、易操作 ,而且具有速度快 、吸附量大等特点.这些微生物能在含有较高浓度有毒金属的溶液
中生长 ,并能进行生物浓缩 ,其中藻类比表面积大 ,对许多金属具有较强的富集能力 ,且生态分布广 ,易
于培养 ,生长速度快 ,是生物吸附的很好材料 [ 1] .
本文以小球藻为吸附剂 ,对影响吸附废水中 Pb2+效果的主要因素进行了初步的试验研究 ,探讨了
这些影响因素的主次关系以及最佳吸附条件 ,以期最大限度地利用其生物吸附能力 ,本试验对于含
Pb2+等重金属的污水处理具有一定的指导意义.
2　实验材料和方法
2.1　实验材料
2.1.1　藻种来源及培养　　实验采用小球藻来源为中国科学院水生生物研究所藻种库.藻种培养液体
积为 1 000mL, 将藻种在无菌室中转移至 1 000 mL锥形瓶中 ,通过自然光照 ,自养培养的方式进行培
养.经过一段时间培养后 ,将培养的藻离心 ,然后称取 80g藻于烧杯中 ,加入 400 mL0.2mol/L的 CaCl2
第 33卷 第 1期
2011年 3月 　　　　　
湘　潭　大　学　自　然　科　学　学　报
NaturalScienceJournalofXiangtanUniversity　　　　
Vol.33 No.1
Mar.2011
＊ 收稿日期:2010-08-22
　　　基金项目:湖南省科技厅研究项目(2010FJ4121)
　　　通信作者:周书葵(1965—　),男 ,湖南 浏阳人 ,博士生 ,副教授.E-mail:zhoushukui@usc.edu.cn
溶液 ,用 0.1 mol/L的 HNO3或 NaOH将溶液的 pH值调至 5.0,再置于磁力搅拌器上缓慢搅拌 24 h.若
处理期间 pH值出现改变 ,则用 0.1mol/L的 HNO3或 NaOH将 pH值保持在 5.0左右.处理后离心 ,弃去
上清液 ,加入去离子水搅拌洗涤 ,再离心 ,弃去上清液 ,这样重复 3 ～ 4次 ,直至上清液不再呈色.弃去上
清液 ,将所得藻体在 100 ℃的干燥箱中烘干 24h,再破碎成 150μm的藻粉备用.
2.1.2　主要试验仪器　　电子天平(AC-2115型 , Sartorius厂);离心机(80-2型 ,上海手术器械厂);精
密 pH计(PHS-3C型 ,上海雷磁仪器厂);振荡培养箱(HZQ-C型 ,广东医疗器械厂);电热恒温干燥器
(Gzx-DH-30型 ,上海跃进医疗器械厂);原子吸收分光光度计(z8000,日本 Hitachi公司).
原子吸收光谱仪条件选择:(1)光学参数.元素:Pb;灯电流低:10 mA;波长:283.3 nm;狭缝宽:0.7
nm;(2)原子化器 /气体流量设置.燃气流量:2.0L/min;助燃气流量:15.0L/min;火焰类型:Air-C2H2.
湖南省科技厅研究项目资助(2010FJ4121)
2.1.3　主要试剂　　小球藻 、磷酸(比重 1.72)、EDTA-Na2 、氢氧化钠 、盐酸(比重 1.19)、硝酸(比重 1.
42)、NaNO3、硫酸 、ZnSO4· 7H2O、亚硝酸钠(15%)、尿素(20%)、CuSO4· 5H2O、硫酸亚铁(20%)、 Mg-
SO4· 7H2O、K2HPO4· 3H2O、CaCl2· 2H2O、Na2CO3 、H3BO3 、ZnSO4· 7H2O、柠檬酸(均为分析纯),溶液
均用去离子水配制.
2.2　实验方法
小球藻吸附重金属离子的效率受到一些条件的制约 ,包括生物体特殊的表面结构与性质 、溶液的物
理化学特性 ,如 pH、温度 、金属离子浓度等.对于活性生物体还取决于某些生理条件 ,如某些重金属的吸
附可能与某些酶的参与有关.为了确定各种物理化学条件对小球藻生物吸附的影响规律 ,以便确定其对
Pb2+的最佳吸附条件 ,以及最大限度的提高其吸附效率 ,本试验从 pH、吸附时间 、藻粉及铅离子的初始
浓度等方面研究对小球藻吸附 Pb2+效果的影响.
在 250mL的锥型瓶中移入 50 mg/L的铅溶液 100 mL.为消除 pH值对实验的影响 ,事先用 0.1
mol/L的 HNO3或 NaOH将铅溶液的 pH值调至 5.5,再加入 1.0g/L的预处理藻粉(在生物量影响的实
验中 ,藻粉加入量为 0.1 ～ 2.0 g/L),置于振荡箱中 ,室温 , 130 r/min下振荡吸附 3 h后 ,溶液中的铅离
子浓度用原子吸收分光光度法测定.
3　结果与分析
3.1　pH值对吸附效果的影响
为了防止在 pH过大的情况下 ,重金属离子发生沉淀作用 ,在酸性范围内设了 pH从 1.00到 5.50
的 6个梯度.取 1.00 mg/mL的铅标准溶液 5.00 mL于 100 mL的容量瓶中 ,定容后转入到 250 mL锥形
瓶中 ,重复 6次此操作 ,使各锥形瓶中的铅离子浓度均为 50mg/L,然后分别调节 pH值为 1.00、2.00、3.
图 1　pH值对小球藻吸附效果的影响
Fig.1　TheefectofpHonPb+2 absorption
00、4.00、5.00、5.50.都加入 0.10g藻粉 ,使藻粉的浓度
保持在 1.00 g/L, 25 ℃下在震荡器震荡 3h后 ,于 1 200
r/min下离心 15min,留上清液待测.
吸附效果用 Pb2+的去除率表示 ,试验结果如图 1所
示 ,结果表明:在 pH值比较低(小于 3.00)时 ,吸附效率有
较陡势的变化 ,在 4 ～ 5之间有较小幅度的平缓升高的趋
势 ,在 pH=5.50时 ,溶液中铅的去除率达到最大(87.
96%).这是因为:在酸度较高的情况下 ,浓度较大的 H+与
溶液中的目标重金属离子竞争藻细胞壁上的吸附位点 ,使
得重金属离子的吸附效率降低;并且 ,此时络合基团与水
合氢离子表现出更大的亲和性 ,从而阻止了金属离子的靠
近 ,也使得重金属离子的吸附效率降低.随着 pH的升高 ,
络合基团暴露出更多的带负电荷的位点 ,与带正电荷的重
金属离子的亲和性增强 ,直接表现为藻对重金属离子的吸附效率的升高.
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图 2　吸附时间对小球藻吸附效果的影响
Fig.2　TheefectoftimeonPb2+absorption
3.2　吸附时间对吸附效果的影响
取 1.00mg/mL的铅标准溶液 5.00 mL于
100mL的容量瓶中 ,定容后转入 8个不同的
250mL锥形瓶中 ,使各锥形瓶中的铅离子浓度
为 50.0mg/mL,调节 pH值为 5.50,加入 0.10
g藻粉 ,使藻粉的浓度保持在 1.00 g/L, 25 ℃
下分别在震荡器中震荡 10 min、 20 min、 30
min、60 min、 120 min、 180 min、 240 min、 300
min后 ,在 1 200 r/min下离心 15 min,留上清
液待测.
试验结果如图 2所示 ,表明将近 75%的
吸附是在前 10 min内完成 ,此时每克藻大约
吸附 371.14mg铅 ,此阶段的反应极快 ,原因是在此阶段主要是金属离子和藻细胞表面官能团之间的吸
附;随后到 3h内有一个中速反应阶段 ,继之是一个更慢的反应阶段吸附量 ,仅占吸附总量的 1% ～ 2%,
由此可以推出 ,在整个吸附过程中 ,反应速率仅仅和离子浓度成正比 ,是一级反应;可以设想反应中存在
的多个吸附官能团 ,大致可以概括为快速吸附位点 、中速吸附位点 、慢速吸附位点三大类 ,吸附过程中快
速吸附位点是反应有一个极快的起始阶段 ,当这些位点基本达到饱和后 ,反应就表现出中速吸附位点的
图 3　小球藻投加量对吸附效果的影响
Fig.3　TheefectofdoseonPb2+absorption
吸附特性 ,直至反应以慢速位点的吸附为主.
3.3　小球藻投加量对吸附效果的影响
取 1.00mg/mL的铅标准溶液 5.00mL于 100 mL的
容量瓶中 ,定容后转入 6个不同的 250 mL锥形瓶中 ,使
各锥形瓶中的铅离子浓度为 50.00 mg/L,调节 pH值为
5.50,分别加入藻粉 10mg、20mg、50mg、100mg、150mg、
200mg, 25℃下在震荡器震荡 3h后 ,在 1 200r/min下离
心 15min,留上清液待测.
试验结果如图 3所示 ,试验表明:随着藻粉投加量的
增加 ,吸附效率也随之提高 ,当藻投加量为 1.00 g/L时 ,
对 Pb2+的吸附效率达到 80%以上;而投加量由 1.00 g/L
增加到 2.00 g/L时 ,吸附效率基本没有什么变化;此外 ,
藻的投加量对单位重量的藻粉对重金属离子的吸附量的
影响确是完全相反的 ,尤其是当藻粉浓度从
1.00g/L增加到 2.00g/L时 ,吸附量几乎降低了原来的一半.这是因为:在藻类浓度较低时可以吸附更
多的金属离子 ,细胞之间的电极作用在决定藻类浓度对吸附效率的影响中起着重要作用 ,细胞之间的距
离拉大时 ,会有更多的金属离子聚积在藻细胞的周围;而高浓度的藻则在细胞外围形成屏蔽效应 ,阻止
了金属离子跟吸附位点的结合 [ 2] .
3.4　初始铅离子浓度对吸附效果的影响
分别取 1.00mg/mL的 Pb2 +离子标准溶液 0.50 mL、1.00 mL、2.00mL、5.00 mL、10.00mL、20.00
mL于 100mL的容量瓶中 ,定容后转入 6个不同的 250mL锥形瓶中 ,调节 pH值为 5.50,加入 0.10g藻
粉 ,使藻粉的浓度保持在 1.00 g/L, 25 ℃下在震荡器震荡 3h后 ,在 1 200 r/min下离心 15 min,留上清
液待测.
试验结果如图 4所示 ,可以看出 ,随着金属离子浓度的升高 ,小球藻对重金属离子的吸附效率呈明
显降低的总趋势 ,但对金属离子的吸附量随着初始浓度的升高而呈线性增长.研究表明 ,与传统方法相
比 ,生物吸附技术在处理低浓度含重金属离子废水方面有着绝对的优势 [ 3, 4] .
91第 1期　　　　　　　　　　　　周书葵 ,等　小球藻对重金属 Pb2+生物吸附的试验研究　　　
图 4　初始铅离子浓度对吸附效果的影响
Fig.4　TheeffectofionconcentrationonPb+2 absorption
3.5　正交试验
由于各种条件的变化都对藻粉的吸附效率产
生了不同程度的影响 ,为了确定最佳反应条件 ,并
寻找各影响因素的主次关系 ,在上述实验的基础
上 ,设计了一组 4因素 3水平的 L9 (34)正交实
验 ,温度设定为 25 ℃,数据如表 1、2所示.
根据极差 R值的大小可知 ,影响的主要顺序
为:藻浓度 >pH值 >反应时间 >铅溶液初始
浓度.其最佳水平组合为:藻浓度为 2.00 g/L,铅
溶液初始浓度为 20.00 mg/L, pH值为 5.50,反应
时间 180 min,此时去除率达到了 94.3%.
表 1　试验因素水平安排表
Tab.1　Theinfluencefactorsoftest
水　平 1 2 3
A:藻浓度 /(g· L-1) 1.00 1.50 2.00
B:铅离子浓度 /(mg· L-1) 10.00 20.00 50.00
C:pH 3.00 4.00 5.50
D:时间 /min 60 120 180
表 2　L9(34)正交表及分析结果
Tab.2　TheL9(34)orthogonaldesignandresultsanalysis
试验号 因素 A 因素 B 因素 C 因素 D 试验指标 y
1# 1 1 3 2 90.8
2# 2 1 1 1 85.7
3# 3 1 2 3 87.4
4# 1 2 2 1 84.2
5# 2 2 3 3 89.8
6# 3 2 1 2 94.3
7# 1 3 1 3 82.4
8# 2 3 3 2 85.1
9# 3 3 2 1 91.4
Ti1 257.4 263.9 262.4 261.3
Ti2 260.6 268.3 256.7 270.2
Ti3 273.1 258.9 272.0 259.6
Ki1— 85.8 88.0 87.5 87.1
Ki2— 86.9 89.4 85.6 90.1
Ki2— 91.0 86.3 90.7 86.5
R 5.2 3.1 5.1 3.6
T=΢nz=1y” z=791.1
92 　　湘　潭　大　学　自　然　科　学　学　报　　　　　　　　　　　　　2011年
4　结论与建议
4.1　结论
(1)小球藻对铅离子的吸附效率受溶液的物理化学状态影响 ,其中 pH是最关键的因素.pH值高
于一定值 ,金属离子将与 OH-离子生成沉淀 ,且金属离子将处于被负离子包围之中 ,不利于吸附剂进行
反应 ,因而存在一最佳 pH值为 5.50左右 ,使得吸附量达最大值.
(2)小球藻生物吸附在开始是一个快速吸附的过程 , 前 10min分钟大约完成 75%的吸附量 ,这一
特征是由小球藻生物吸附的作用机理决定的.
(3)小球藻对铅离子的吸附效率随藻投入量的增加而增加 ,但是单位重量的小球藻对铅离子的吸
附量却是相反的变化趋势;为了在尽可能获得高的吸附效率情况下 ,又节约经济投入 ,实验确定的最佳
藻粉投入量为 1.00 g/L.
(4)试验充分显示出小球藻作为一种生物吸附剂在处理含低浓度金属离子的废水时的优势.但在
藻粉浓度一定的情况下 ,随金属离子浓度的增加 ,吸附效率有降低的趋势 ,所以藻类生物吸附剂适合于
处理低浓度含金属离子废水.
4.2　建议
(1)本实验用藻粉可以解决用活体细胞作生物吸附剂进行工业废水处理的许多困难(如藻的营养
问题 、藻细胞对金属的耐受力等问题),但没有比较死藻和活藻的吸附效果 ,可以进一步做活藻的吸附
实验 ,与上述藻粉的吸附效果进行比较.
(2)在对小球藻进行预处理时 ,假定以离子交换机理占主导 ,所以只对藻粉用 CaCl2进行处理 ,还可
以尝试用酸碱来处理.
参　考　文　献
[ 1] 　KESKINKANO, GOKSUMZL, BASIBUYUKM, etal.Heavymetaladsorptionpropertiesofasubermergedaquaticplant.Bioresource
Technology, 2004, 92(2):197— 200.
[ 2] 　WANGTC, WEISSMANJC, RAMESHG, eta1.Parametersforremovaloftoxicheavymetalsbywater(Myriophylurespicatum)[ J].
BulEnvironContamToxico1, 1996, 57:779— 786.
[ 3] 　李英敏 ,杨海波 ,吕福荣 ,等.小球藻对 Pb2+的吸附及生物吸附机理初探 [ J] .农业环境科学学报 , 2004, 23(4):696— 699.
[ 4] 　周书葵 ,曾光明 ,王许兵.催化氧化-ABS-MBR处理印染废水的工程实践 [ J] .给水排水, 2009, 35(5):67— 68.
责任编辑:龙顺潮
93第 1期　　　　　　　　　　　　周书葵 ,等　小球藻对重金属 Pb2+生物吸附的试验研究