生物吸附现象是自然界以及人工构筑物中普遍存在的一种行为，在环境地球化学、废水生物处理工艺中具有重要意义。

生物吸附法处理废水典型工艺流程图 生物吸附最初作为一种廉价的、环境友好的生物治理技术加以研究，希望用于废水处理、环境污染修复。但在重金属废水治理的实际应用中碰到了问题。

生物吸附发展中存在的问题及分析

生物吸附现象自上世纪40年代即被发现，之后经历了上世纪八九十年代研究的繁荣发展时期，进入21世纪，虽然仍有大量科技文献发表，生物吸附技术却仍然没有实现商业规模应用，应用发展不尽如人意。生物吸附作为一种曾经公认的经济高效的生物治理技术，为什么碰到应用上的瓶颈？生物吸附是否还可以成为一种独立的环境治理技术？未来如何研究？它将向何处去？

分析生物吸附的研究与实践，发现生物吸附法已丧失了部分甚至重要优势。至少存在如下问题，阻碍了生物吸附成功商业化运作、达到工业规模应用。

1.成本较高

为适应废水处理要求（耐水力冲击、有一定去除效果等），通常利用各种物理、化学、生物学方法，将生物原材料进行固定化/改性/基因工程改造等，制备出满足工业运行要求的生物吸附剂。因此，生物吸附法中用到的生物吸附剂，尽管生物原材料较为便宜，但是其制备环节造成生物吸附剂生产成本昂贵。

为商业化运行制备的生物吸附剂，目的是为了如商业离子交换树脂一样使用。但是，生物吸附剂在废水实践过程中，发现反应器易于被堵塞，再生循环效果不佳。再生过程进而带来更高成本问题。生物吸附剂的最终处置技术不成熟，也存在如活性污泥或化学沉淀污泥一样的问题，及最终处置问题。浓缩的金属离子缺乏回收价值，难以真正弥补生物吸附剂制造成本。

目前，许多研究者利用各种低成本农业废弃物，例如秸秆、树叶，开展生物吸附研究。降低原材料成本原本可以期望减轻生物吸附剂的制备成本，但是这些材料，生物吸附量偏低，一般低于微生物的吸附量；选择性差；这些便宜的农业废弃物，难以直接拿来利用，通常还需要用各种物理化学方法进行改性修饰，但成本迅速增加；产生的大量材料不具有再生回收价值，一次性应用后即废弃，处理废水后仍然产生大量如化学沉淀污泥/活性污泥类之类的废弃物。因此，廉价农业废弃物在成本以及处理效果上无显著优势。我们实验室利用甜高粱发酵乙醇后的秸秆进行各种方法修饰改性，目前还未估算制造成本，但从生物吸附量来看，不如酿酒酵母对重金属的吸附量 。

上述因素，使得生物吸附法几乎失去了相对于物理化学技术处理污染的生物技术最显著的优势之一，即成本低廉的优势。

2. 工艺操作复杂

生物吸附剂的再生、清洗等过程使得生物吸附法操作繁琐。生物吸附剂由易于腐烂生物体组成，不及时处理，会带来味道。

3. 生物吸附剂的最终去向及处置问题

尽管人们常常提到生物吸附法无二次污染问题，但是这种提法实际是有问题的。因为生物吸附法不可避免地产生吸附一定数量的重金属/放射性核素等污染物的吸附剂，即使洗脱再生，在实际应用中也必然要碰到废弃生物吸附剂的去向以及处置问题。

目前，人们研究的生物吸附剂的再生问题，包括用酸或碱再生。但是绝大部分生物吸附研究，忽视了或者避而不谈废弃生物吸附剂的最终处置问题。如果随意丢弃，也存在严重二次污染问题。正如化学沉淀法中产生的大量难处理污泥或活性污泥一样，出现生物吸附剂二次污染、去向及最终处置问题。

现有最终处置技术不成熟。当前生物吸附对此研究相当少，或者在研究中根本不考虑这个现实问题，只是一味强调生物吸附作为一种生物技术的好处、成本低、无二次污染，这些并不符合目前生物吸附发展的实际情况。

4. 生物吸附法本身的缺陷

生物吸附法的本质仍然是物理化学过程，与生命过程无关。

与物理化学方法比较，生物吸附法似乎不占优势。生物吸附是不依赖于新陈代谢活动、主要依靠细胞本身成分捕获污染物。因此，现有生物吸附法，从本质上来说，更应归类为物理化学技术，难以作为真正的环境生物技术应用于环境污染治理以及废水处理。这样，如果用物理化学技术的特点来评价生物吸附法，生物吸附法优势几乎不存在：反应过程慢、效果不是最好、不能大规模应用、生物体容易腐败等后续处理问题、基因工程菌带来潜在风险不可知等。

在反应速度上，虽然比活体细胞要快，但与物理化学的快速仍不可比拟，物理化学吸附也许几秒、几分钟内就完成，例如，离子交换树脂、膜技术、无机物的吸附等。而生物吸附相比，需要几分钟到几个小时不等，时间上不占据优势。

在处理效果上，与物理化学方法比较，也很难称为高效处理技术。与无机吸附剂比较，例如Ti、Zr-磷酸盐的表面积是生物体的几百倍，对重金属的吸附量也高的多。机械强度低的生物质，在悬浮体系中难以维持长期废水冲击 （Fomina and Gadd 2014）。在大量矿山废水处理中，化学沉淀法是主流应用技术，虽然产生了大量难处理污泥，但是成本低、反应迅速、基本达标，获得了广泛应用。生物吸附法，利用生物吸附剂例如固定化细胞代价高昂，大规模废水处理，代价难以承受，技术本身不够成熟，更难以应用。

生物吸附剂来源、种类、修饰产品多样化，不标准，没有统一标准的产品，因此无法预测生物吸附剂对废水治理等净化效果。

生物吸附法在市场化过程中，难以受到使用者的青睐，从而放弃选择没有确定处理效果的生物吸附法，转而更喜欢采用成熟的、具有可预测处理效果、稳定的离子交换树脂。离子交换法市场巨大，每吨离子交换树脂大约800-1500美元全世界消费额大约到165亿美元/年。离子交换法的优点是运行稳定、效果可预测。而花样繁多的生物吸附剂，其稳定性、处理效果还有待考验。而且，任何改善生物吸附剂性能的操作，都将大幅度增加生物吸附剂生产成本 （Fomina and Gadd 2014）。

5. 技术的成熟性和市场接受度

生物吸附技术在有毒有害重金属废水/放射性废水处理方面，成功应用实例较少。

6. 生物吸附研究有待突破与创新

许多研究者似乎没有注意到生物吸附面临的困境，在缺乏数据支持的情况下，仍旧习惯性地将生物吸附称为一种“低成本、高效”的废水处理技术 (Gaur et al. 2014)。

从广度上来看，目前人们的研究是拓展各类生物吸附剂种类，并对其进行各种物理、化学、生物方法修饰。考察生物吸附效果（吸附量、吸附等温线、动力学、热力学等）和影响因素。但是，目前仍然缺乏生物吸附性能特别突出的生物（新）材料（高生物量、高选择性、耐冲击负荷等）。

污染物种类，已经包括各类放射性核素、重金属、类金属、有机物。重金属研究相对较多，放射性核素研究相对较少，主要集中于对铀的去除研究，Cs、Sr也相对较多，但主要采用非放射性同位素方法开展实验室水平研究。

从深度上来看，细胞-污染物相互作用复杂。尽管已经利用了各类先进分析手段（物理、化学、生物、纳米、材料）开展研究，但仍缺乏系统性的总结和深入的理论构建。

大量微观层次的机理研究，虽然应用了多学科方法进行了多年的积累，但是相关成果对于成功应用生物吸附技术处理废水，似乎没有明确的指导意义与贡献。由于活细胞参与下生物吸附机制复杂、受多种因素影响，生物吸附定义不明确，也导致国际同行交流困难。

生物吸附法的发展方向

尽管生物吸附的研究与开发进入了发展瓶颈期，但目前缺乏真正、深入的讨论，缺乏相应的国际同行间的交流。当前情况下，应该认真总结现有研究成果，深入分析生物吸附研究以及应用中存在的问题，开展针对性研究以及实践探索，充分发挥生物吸附在环境污染治理方面的作用。

1. 重新认识生物吸附的研究意义

2. 进行生物吸附法成本核算与比较

3. 深入探讨生物吸附法的本质及特性

以下问题值得进一步深入探讨：

▷ 生物吸附法去除污染物的能力（深度、广度）到底有多大？当污染物浓度在什么范围内，利用生物吸附法占有优势？例如，对于微污染水，当废水中重金属/放射性核素浓度很低时，生物吸附法的浓缩效果、程度如何？与其他物理化学方法比较如何？对实际废水治理效果如何？存在什么问题？通过这些问题，从而使生物吸附法有一个明确的定位。

▷ 现有各类生物吸附剂有什么特点？怎样更好地评价生物吸附剂？是否某类生物吸附剂吸附性能更为突出？原因是什么？上述问题可指导生物吸附剂的筛选。

▷ 生物吸附剂对目标污染物选择性有多大？应该怎样研究？如果需要，特别是对于低浓度放射性Cs、Sr的吸附，是否可以增强生物吸附剂选择性？潜力到底有多大？

▷ 模型模拟生物吸附行为，目前主要局限于Langmuir等经验模型。而且对现有数据缺乏仔细、深入的分析比较。应认真总结归纳生物吸附的特点，将其应用到合适的场合。

4. 探索生物吸附法与其他技术的综合利用

5. 开发出类似于离子交换树脂的商业化生物吸附剂

6. 加强生物吸附机理研究

7. 扩大生物吸附法的应用领域

本文由刘四旦摘编自王建龙、陈灿著《重金属生物吸附》一书。标题为编者所加，有删减。

《重金属生物吸附》是一本关于重金属生物吸附基础及应用方面的研究成果专著，是作者十多年研究工作的系统总结与提升，引用了作者指导的硕士研究生、博士研究生的学位论文及博士后的出站报告。本书全面、深入地论述了重金属与生物材料之间的相互作用特性及机理，以及生物吸附在重金属废水处理中的应用。全书共8章，主要内容包括重金属及其污染、生物吸附基础、生物吸附剂及其改性与再生、生物吸附影响因素、生物吸附机理、生物吸附过程模拟以及重金属废水的生物处理等。本书理论与应用并重，内容丰富、新颖，实用性强。

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