镉主要来源于农业和工业生产。特别是合金、油漆、电镀和农药的生产与使用。镉能通过生物链经过生物富集作用转移到人体, 引起人体肝脏损害、肾障碍和高血压等多种疾病。因此, 对环境中镉的治理, 特别是废水中镉的去除迫在眉睫^[7]。

郭平等^[8]进行固定化细菌胞壁吸附镉和铅离子的研究, 结果表明, 固定化细菌胞壁对镉和铅的吸附规律一致, 随着温度升高、重金属初始浓度提高和吸附时间延长而升高, 在环境温度20 ℃、离子强度1 μ mol· L^-1、吸附平衡时间2 h和pH=6.0条件下, 镉离子和铅离子饱和吸附量分别为0.96 μ mol· L^-1和2.34 μ mol· L^-1, 并且固定化菌体对镉离子和铅离子的吸附过程与Elovich和Temkin方程拟合。

赵忠良等^[9]进行了固定化啤酒废酵母吸附模拟废水中镉离子的研究, 结果表明, 通过单因素分析方法, 在pH=6、吸附时间50 min、温度25 ℃、啤酒酵母添加量0.12 g和Cd²⁺初始浓度90 mg· L^-1条件下, 固定化菌体对镉的去除率为79.82%, 吸附量为16.16 mg· g^-1。采用普通化学方法, 吸附剂解析率达89.14%, 在一定浓度范围, 固定化菌体吸附过程符合朗缪尔方程。

Mata Y N等^[10]进行了海藻酸钠-干凝胶固定化墨角藻吸附废水中镉、铅和铜的研究, 结果表明, 经过固定化的藻类增加了对镉、铅和铜金属的动能吸收和扩散速率, 且朗缪尔最大生物吸附容量镉增加2倍, 铅增加10倍, 但铜下降一半。根据这一模型, 由于羧基组的金属吸收, 经过固定化的藻类比未被固定化的藻类对3种金属有更强的金属亲和力。

昝逢宇等^[11]进行了固定化和非固定化啤酒酵母吸附废水中镉离子的对比研究, 结果表明, 啤酒废酵母对镉离子的吸附量有限, 但经碱处理和固定化, 能够提高啤酒废酵母的吸附性能, 经朗缪尔方程拟合, 最大吸附量为75.41 mg· L^-1, 且固定化菌体对镉离子的吸附量大于非固定化菌体。

废水中金属铅如果不加以处理会通过食物链富集到人体内, 造成伤害^[12]。

郭鹏等^[13]利用固定化小球吸附废水中的铅离子, 结果表明, 当吸附时间2 h、pH=6、吸附温度40 ℃和离子浓度为1 μ mol· L^-1时, 吸附量达最大值。共存的镉离子浓度升高会使小球吸附铅离子的量显著下降。通过拟合发现, 固定化小球吸附铅离子的热力学过程与朗缪尔方程一致。

Kumar Saurav等^[14]利用新型的链霉菌属产生的生物质吸附废水中的铅离子, 结果表明, 生物质对铅离子有更好的吸附效果, 水溶液pH=5时, 生物质对铅离子吸附量最大; pH逐渐增大, 由于金属离子可溶性羟基化复合物的形成, 使铅离子吸附能力逐渐变弱, 且生物质吸附铅离子能力会随着生物质剂量的增大而不断增强。

葛凤等^[15]用海藻酸钠-明胶-聚乙烯醇法进行了固定化酿酒废酵母吸附模拟废水中铅的研究, 结果表明, 固定化菌体吸附铅离子约3 h达到平衡, 最大吸附量为18.12 mg· g^-1, 温度30 ℃时, 吸附过程符合朗缪尔方程, 吸附量达18.69 mg· g^-1。

Xu P A等^[16]进行氧化铁磁性纳米颗粒和海藻酸钙固定化黄孢原毛平革菌吸附废水中铅离子的研究, 结果表明, 由于细胞内氧化铁磁性纳米颗粒增强了真菌对金属离子的吸附亲和力, 固定化材料对铅离子吸附量达178.19 mg· g^-1, 且吸附后的固定化材料进行吸附-解析实验5次后, 仍具有90%以上的吸附性能。

铬是人体中必需的微量元素, 缺铬会影响糖类及脂类代谢, 但六价铬过量会引起消化道、呼吸道、肝脏和肾脏病变甚至致人死亡^[17]。废水中的铬可以通过食物链等方式累积到人体, 引起免疫系统损伤^[18], 并有诱导基因突变和致癌作用^[19]。

Shailendra Kumar Singh等^[20]进行固定化小球藻minutissima去除废水中铬离子的研究, 结果表明, 废水pH=1时, 由于Cr(Ⅳ )能转变成Cr(Ⅲ ), 因此, 固定化小球藻能将Cr(Ⅳ )全部除去。且铬离子去除率随着初始离子浓度增加而提高^{[21, 22, 23]}, 废水中初始镉离子浓度为10 mg· L^-1时, 铬去除率达99.4%; 铬离子浓度增至100 mg· L^-1, 生物吸附剂最大吸附量达57.33 mg· L^-1。不断增大吸附剂用量, 金属离子结合位点会增多, 从而提高金属离子的去除率。

张超等^[24]以海藻酸钠作包埋剂, 包埋啤酒废酵母并制成固定化小球对模拟废水中的铬进行吸附研究, 结果表明, 在温度25 ℃、吸附时间2 h、pH=2和铬初始浓度60 mg· L^-1时, 铬离子最大去除率达94.71%。吸附后的固定化菌体, 用1 mol· L^-1的盐酸进行解吸后可以循环使用, 且能提高吸附剂的利用率。

Jastin Samuel等^[25]对海藻酸钠固定化琼氏不动杆菌、大肠杆菌和枯草芽孢杆菌进行批处理吸附废水中铬离子的研究, 结果表明, 用傅里叶变换红外光谱和X射线能量色散谱可证实与未固定的菌体相比, 通过海藻酸钠固定化的菌体, 在反应器中对铬最大吸附量达657 mg· g^-1, 吸附-解析5次实验后, 铬离子最大去除率为56.86%。

李欣等^[26]进行了固定化霉菌菌丝吸附模拟废水中铬的研究, 结果表明, 4种固定化吸附剂对Cr³⁺均有较好的吸附效果。温度30 ℃和40 ℃时, 固定化吸附剂呈现出表面吸附-缓慢吸附-平衡吸附过程, 且4种吸附剂的吸附过程均符合准二级动力学模型。

生物固定化技术在处理重金属方面的显著优势受到广泛认可。随着固定化技术的改进和发展, 处理单一重金属的条件逐渐成熟, 但还需要做大量的实验方能在实际中应用。废水中一般存在多种重金属, 要使大量不同种类的重金属同时除去, 需要性能更佳的菌种通过固定化技术结合, 要求条件更高, 通过更多的研究与实验, 生物固定化技术处理废水中的重金属会日益成熟, 能够在不远的将来发挥重要的作用。