利用生物吸附剂和纳米吸附剂在处理后污水中的金属吸附方法

《ACS Sustainable Resource Management》：Metal Adsorption Methods in Treated Sewage Using Bioadsorbents and Nanoadsorbents

　　

金属是水生生态系统中的持久性污染物，对环境和公共健康构成显著风险。本研究评估了一个污水处理厂（WWTP）实际处理后生活污水（TSS）中金属浓度的季节性变化，并评估了两种吸附剂去除金属的效率。研究人员对处理后污水样品进行了一年的监测，结果显示铝（Al³⁺）和铁（Fe²⁺）经常超过为Ⅱ类受纳水体设定的监管限值。在优化条件（pH 6、25 mg吸附剂、25 mL溶液、10 min接触时间）下，使用香蕉皮粉（BPF）作为生物吸附剂和Fe₃O₄@壳聚糖纳米颗粒（MEC）作为纳米吸附剂进行了吸附实验。结果表明，MEC对Fe²⁺的去除效率更高（76.8%），而BPF对Al³⁺的去除效率略高（53.5%）。然而，在TSS中的吸附效率低于先前在模拟废水系统中观察到的效率，突显了复杂废水基质对吸附过程的影响。这些发现表明，使用BPF和MEC进行吸附可作为降低废水处理系统中残余金属浓度的补充抛光步骤。

### 论文解读：真实污水中金属吸附的挑战与潜力——基于生物吸附剂和纳米吸附剂的实证研究

#### 研究背景与问题
金属（特别是重金属）是水生生态系统中的持久性污染物，因其不可降解性且能在环境介质中累积，通过岩石风化、大气沉降及生活与工业废水排放等途径进入水体，与心血管疾病、高血压、炎症过程及神经退行性疾病等健康风险相关。污水处理厂（WWTP）的常规处理工艺（物理、化学和生物过程）主要针对有机污染物和悬浮固体，并非专门设计用于去除溶解性金属离子。尽管处理过程中部分金属浓度有所下降，但处理后污水中的铝（Al³⁺）和铁（Fe²⁺）等金属仍可能超过巴西环境法规对Ⅱ类受纳水体的限值。吸附技术因操作简便、高效且可利用低成本材料而被视为有效的金属去除方法。然而，绝大多数吸附研究在模拟或合成水溶液中进行，忽略了真实污水基质的复杂性——其中含有溶解性有机质、悬浮固体、微生物及Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、Cl^-等竞争离子，这些成分可能通过阻塞活性位点、形成金属络合物或竞争吸附位点而干扰吸附过程。因此，将环境监测与真实废水中的吸附实验相结合，对于评估吸附剂在实际条件下的适用性至关重要。本研究旨在评估真实处理后生活污水（TSS）中金属浓度的季节性变化，并测试香蕉皮粉（BPF）生物吸附剂和Fe₃O₄@壳聚糖纳米颗粒（MEC）纳米吸附剂的去除效率，为后续的抛光处理提供现实依据。该论文发表在《ACS Sustainable Resource Management》。

#### 关键技术与方法
研究人员采用分期监测与吸附实验相结合的方法。样本来源于巴西包鲁市Candeias污水处理厂，每周采集一次处理后生活污水（TSS），共41个样品，并按照《水和废水检验标准方法》进行样品酸化（硝酸至pH<2）和冷藏（4°C）。金属浓度测定采用微波消解（ETHOS EASY系统）结合电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES），并使用环境基质标准参考物质（TMDA-62.2）进行方法验证。吸附实验针对8个Al³⁺和Fe²⁺超标的代表性样品，在优化条件下（pH 6、25 mg吸附剂、25 mL溶液、10 min接触时间、300 rpm）进行，分别使用香蕉皮粉（BPF）和Fe₃O₄@壳聚糖纳米颗粒（MEC）作为吸附剂。

#### 研究结果

**3.1 处理后生活污水（TSS）中的金属定量**
通过41周的监测，研究人员发现铝（Al³⁺）和铁（Fe²⁺）的浓度全年频繁超过巴西国家环境委员会（CONAMA）对Ⅱ类水体设定的限值（Al: 0.100 mg·L^-1，Fe: 0.300 mg·L^-1）。相反，钡（Ba²⁺）、铬（Cr³⁺）、铜（Cu²⁺）、锰（Mn²⁺）和锌（Zn²⁺）的浓度均低于监管参考值，铅（Pb²⁺）的浓度低于定量限。这表明常规处理工艺虽能部分去除某些金属，但对Al和Fe的去除效果不足。

**3.2 处理后生活污水（TSS）中的吸附研究**
针对第6、10、18、25、26、28、36和38周的超标样品，吸附实验结果显示：纳米吸附剂MEC对Fe²⁺的去除效率更高（76.8%），而生物吸附剂BPF对Al³⁺的去除效率略高（53.5%）。总体而言，BPF对Fe²⁺的去除率为61.1%，MEC对Al³⁺的去除率为50.7%。与先前在模拟多元素水溶液中获得的吸附效率（MEC近乎完全去除，BPF对Al和Fe的去除率分别为46.4%和66.5%）相比，真实污水中的效率显著降低，这突出了复杂基质对吸附过程的抑制效应。

#### 讨论与结论
讨论部分指出，Al³⁺和Fe²⁺的超标证实了常规WWTP并非设计用于金属去除，其浓度波动受到家庭来源、水处理工艺及当地地质特征等季节性因素的影响。其他金属（Ba、Cr、Cu、Mn、Zn）低于限值，表明生物吸附、沉淀反应及污泥相分配等机制起到了部分去除作用；Pb的低浓度则与其对污泥相的强亲和力相关。吸附效率降低的原因在于：真实污水中的溶解性有机质会与金属离子络合，减少其与吸附剂活性位点的接触；悬浮固体可能成为物理屏障；竞争离子（如Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺）会争夺静电作用和官能团。此外，Fe与MEC中Fe-O表面基团及壳聚糖的氨基、羟基的配位作用较强，而Al在近中性pH下易水解形成Al(OH)²⁺、Al(OH)₂⁺和Al(OH)₃等物种，这些物种与吸附表面的亲和力不同，导致Fe的去除效率高于Al。

**研究结论翻译**：本研究表明，来自所调查污水处理厂的TSS中，Al³⁺和Fe²⁺的浓度经常超过巴西环境法规对Ⅱ类受纳水体的限值。这些发现强调了常规污水处理过程并非专门设计用于去除溶解性金属离子。吸附实验显示，两种评估材料均能降低TSS样品中的金属浓度。纳米吸附剂MEC对Fe²⁺的去除效率更高（76.8%），而生物吸附剂BPF对Al³⁺的去除效率略高（53.5%）。然而，在真实废水基质中获得的吸附效率低于先前在模拟废水中观察到的结果。这些差异与真实废水基质的复杂性有关，其中含有溶解性有机质、悬浮固体和竞争离子，这些成分可能干扰吸附过程并降低有效吸附位点的可用性。尽管存在这些限制，结果仍表明，使用BPF和MEC进行吸附可能是一种有前景的补充处理策略，用于降低常规污水处理后残余金属浓度。使用低成本生物吸附剂（如香蕉皮粉）也突显了在环境修复应用中农工残留物的增值潜力。未来研究应调查这些材料在连续流条件下的性能，并评估吸附剂再生、长期稳定性及在真实废水处理系统中的可放大性。