啤酒酵母吸附重金屬離子的研究

啤酒酵母吸附重金屬離子的研究

母親是真菌病。通常呈球形或橢圓形，大小為4～6μm。啤酒酵母外側(cè)有0.1μm的兩層細(xì)胞壁，內(nèi)側(cè)還有細(xì)胞莢膜。細(xì)胞壁與細(xì)胞莢膜是金屬離子主要積累的場所。其主要官能團(tuán)包括-OH，-SH，-NH2，-OP,C=O,P=O,S=O等基團(tuán)，這些多糖中的氮、羧基、硫醇、醇、磷酸及其衍生物等與金屬離子通過靜電吸附、離子交換、絡(luò)合和氧化還原等生物吸附機理，使溶液中的金屬離子被吸附。利用微生物吸附重金屬具有許多優(yōu)點：吸附快速；pH和溫度條件范圍寬；在低濃度下，金屬可以被選擇地去除，處理效率高；投資少，運行費用低；可有效地回收一些貴重金屬等。1相關(guān)報道和研究方法1.1含鎘溶液的配制酵母：試驗中一般采用啤酒廠酵母進(jìn)行純菌種培養(yǎng)，經(jīng)去離子水處理后烘干備用。鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液：按國內(nèi)（GB7471-87）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配制，在實驗中所用的含鎘溶液是根據(jù)實驗需要利用鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液和蒸餾水來進(jìn)行配制的。主要儀器設(shè)備：光電分析天平、電熱恒溫水浴鍋、酸度計、多頭磁力攪拌器、電熱干燥箱、離心沉淀機、原子吸收分光光度計、X-射線光電子光能譜儀、紅外光譜儀等。1.2本實驗決定了葡萄糖母的吸附條件1.2.1金屬離子吸附量與子濃度的關(guān)系在Cd2+離子的初始濃度為10mg/L，反應(yīng)溫度為25℃，pH為5左右，溶液體積100mL，干酵母投加量為1g的條件下，考察了吸附時間對啤酒酵母吸附Cd2+的影響。溶液中剩余離子濃度及生物吸附量與吸附時間的關(guān)系曲線圖見圖1。圖1表明，可將其曲線的吸附過程分成兩個階段：第一階段吸附很快，在10min內(nèi)，生物吸附量約為60min時吸附量的95%，是吸附率較高階段。這一過程的特點是吸附速度快、可逆、不依賴于細(xì)菌表面官能團(tuán)的種類、不依賴細(xì)菌的能量代謝，是菌體被動吸附的過程。對相同的重金屬離子聚集量與菌體的帶電量（-Q）有關(guān)，Q數(shù)值越大，聚集量越大，是菌體表面所帶的負(fù)電荷與溶液中金屬陽離子之間靜電作用結(jié)果。第二階段，其吸附很慢，10min以后，為內(nèi)部滲透階段。停留在菌體表面的金屬離子與菌體表面的有機官能團(tuán)進(jìn)行絡(luò)合和離子交換的過程。1.2.2多金屬溶液對物官能團(tuán)活性和離子間競爭的影響pH對生物吸附的影響非常大，是最重要的影響因素，它影響了金屬溶液的化學(xué)特性、生物官能團(tuán)的活性以及多金屬溶液中的離子間的競爭?？疾炝瞬煌琾H對Cd2+吸附的影響。試驗結(jié)果為pH=4～8時吸附效果最好。同樣，也進(jìn)行了啤酒酵母的吸附能力實驗，試驗結(jié)果為46.5mg/g。以及吸附溫度、初始濃度、啤酒酵母添加量等的確定。2以啤酒為吸附劑的加工方法2.1啤酒廢酵母處理啤酒廢酵母是啤酒生產(chǎn)的重要副產(chǎn)物，現(xiàn)代錐罐發(fā)酵其酵母產(chǎn)量為啤酒產(chǎn)量的0.2%～0.3%（干基質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。若按2001年我國啤酒總產(chǎn)量2274萬千升計算，每年我國將產(chǎn)生45.5～68.3萬噸的啤酒廢酵母。但令人遺憾的是，我國大部分的啤酒生產(chǎn)企業(yè)未采取回收啤酒廢酵母，將其直接排掉，成為水體的一大污染源，只有少部分啤酒企業(yè)將其進(jìn)行簡單干燥，生產(chǎn)酵母飼料而出售。如果利用啤酒廢酵母處理含鎘工業(yè)廢水，將在啤酒廢酵母的綜合利用上開發(fā)出一條新途徑。2.2從啤酒中提取多余壓力根據(jù)對啤酒廢酵母綜合利用的相關(guān)報道，以及對《啤酒廢酵母生產(chǎn)蛋白飼料》的工業(yè)設(shè)計及其生產(chǎn)實踐。確定啤酒廢酵母提取方法。2.2.1工藝2.2.2酵母泥的制備對果皮、碎片等除雜：啤酒發(fā)酵的麥汁中尚有分離不凈的大麥果皮、種皮及酒花碎片，加工時必須將大麥果皮及酒花碎片除去。加水稀釋沖洗：為了使酵母泥篩分順利進(jìn)行，必須將酵母泥加水稀釋，以減少篩分的阻力。由于酵母自身的凝聚性受水溫的影響很大，溫度低易凝聚。采用5℃的冷水稀釋，加水量不低于3倍。過篩除雜：將稀釋的酵母泥充分?jǐn)嚢杈鶆颍?0目的篩子篩分一次，即除去80%的雜質(zhì)，再用100目的篩子篩分一次，即可除去酵母泥中的全部可見雜質(zhì)。沉降分離：經(jīng)過篩分后的酵母乳液，靜止30～40min，使其自動沉淀，傾出上清液，即得到不含雜質(zhì)的酵母乳液。再將篩分后的酵母乳液，進(jìn)行離心分離。離心機轉(zhuǎn)數(shù)為2000/min，離心5min，即得酵母泥。預(yù)處理：將其酵母泥調(diào)配成乳液，加添加劑，攪拌均勻，使其成為均勻的乳狀液準(zhǔn)備進(jìn)行干燥處理。干燥：將酵母乳液進(jìn)行噴霧干燥，小型啤酒廠也可采用滾筒干燥機干燥。干燥后再經(jīng)冷卻、包裝，既得到廉價的處理后含鎘工業(yè)廢水的生物吸附劑———啤酒酵母粉。2.3啤酒酵母粉的壓濾系統(tǒng)啤酒酵母泥處理后經(jīng)噴霧干燥，可得干酵母粉，即生物吸附劑。該技術(shù)具有投資少、見效快、簡單易行的特點。以年產(chǎn)5萬千升小型啤酒廠計算，年產(chǎn)啤酒酵母粉可達(dá)70t。也可將啤酒廠錐型發(fā)酵罐的酵母泥，直接通過板框壓濾機壓濾后得含有一定水分的啤酒廢酵母濾餅，用于含鎘工業(yè)廢水的處理，可降低啤酒酵母的加工成本?？傮w看，啤酒廢酵母是一種來源廣、加工容易、造價低的重金屬離子吸附劑。3采用啤酒廢水處理法研究3.1多組分金屬離子共存隨著工業(yè)的發(fā)展，鎘單質(zhì)及其化合物被廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)，如電鍍、化工、染料、紡織、核技術(shù)、煉油等工業(yè)。其中電鍍工業(yè)、冶金工業(yè)、化學(xué)工業(yè)和礦山工業(yè)的排放物中含有鎘、鉛濃度很高；鍍鎘工業(yè)廢水含鎘量在40～250mg/L，化工生產(chǎn)以硫酸鎘為原料的生產(chǎn)塑料穩(wěn)定劑，其廢水含鎘量達(dá)500～700mg/L，一些礦山的酸性廢水含鎘量達(dá)1000mg/L。鎘是具有很強毒性的金屬，它們通過累積作用可引起人體組織器官發(fā)生病變，其化合物也大都屬毒性物質(zhì)，可對人類的健康造成極大的危害。傳統(tǒng)的處理方法包括：化學(xué)沉淀發(fā)、離子交換法、電解法、凝聚法和氧化還原法。這些方法耗資大，而且都易造成二次污染。在工業(yè)廢水中，往往是多組分金屬離子共存。多組分金屬離子共存對吸附影響分為3種情況：(1)促進(jìn)作用：混合后的吸附量大于混合前的吸附量；(2)抑制作用：混合后的吸附量小于混合前的吸附量；(3)無作用：混合后的吸附量與混合前的吸附量相同。由于生物吸附金屬離子的機理復(fù)雜，如表面絡(luò)合、離子交換、靜電吸附、氧化還原、酶促作用、微沉積等。隨著越來越多的研究結(jié)果表明，生物吸附是多種吸附的結(jié)果。因此，對多組分金屬離子共存及吸附的影響更具有復(fù)雜性和難以研究。3.2采用啤酒發(fā)酵母處理含鎘廢水的過程3.2.1工藝通過對一些報道中小型實驗結(jié)果的分析，同時又進(jìn)行了某電鍍廠廢水的實驗。確定啤酒酵母處理含鎘廢水的工藝流程為：3.2.2啤酒酵母污水處理系統(tǒng)調(diào)節(jié)：首先對含鎘廢水進(jìn)行除雜，然后加酵母吸附劑，進(jìn)行攪拌。生物吸附：可采用氣浮式攪拌三級循環(huán)進(jìn)行吸附流程，既可以增加酵母的金屬累積量，又可以節(jié)約酵母的用量，有利于降低成本。經(jīng)吸附后的廢水檢測達(dá)標(biāo)后再排放。沉淀：含鎘工業(yè)廢水經(jīng)啤酒酵母處理后，在沉降池中進(jìn)行沉淀。啤酒酵母的沉降速度是比較快的，一般在30～45min。上清液達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行排放。再對其渾濁液進(jìn)行壓濾。壓濾：在渾濁液中加入助濾劑（粉碎后的稻殼）進(jìn)行壓濾，濾液經(jīng)檢測后排放，沒達(dá)標(biāo)的可重新吸附處理。同時獲得濾餅。干燥：為便于貯存，將濾餅進(jìn)行干燥?？捎脻L筒干燥機進(jìn)行干燥。焚燒：采用焚燒富積含有金屬的啤酒酵母濾餅的方法。將得到金屬含量很高的灰燼，進(jìn)行重金屬回收。根據(jù)酵母吸附能力Cd2+46.5mg/g,初步估算,1t干酵母可處理含Cd2+100mg/L的廢水465t,可回收金屬鎘46.5kg的氧化物。在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中，不同行業(yè)產(chǎn)生的廢水水質(zhì)是不一樣的，即使同一生產(chǎn)流程，其產(chǎn)生的廢水水質(zhì)也是時刻在變化。在實際生產(chǎn)中可以根據(jù)廢水性質(zhì)的變化情況進(jìn)行相應(yīng)工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)。3.3生物吸附過濾介質(zhì)該流程采用間接攪拌槽為吸附裝置，過程可以是單程操作，也可以是多程操作。采用稻殼作過濾介質(zhì)，是為了在焚燒時容易回收重金屬。通過實驗認(rèn)為，該方案更容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。生物吸附過程既可以采用間接式操作，也可以采用連續(xù)流動操作。很多學(xué)者采用固定床為吸附裝置，進(jìn)行連續(xù)生物吸附的研究，很有應(yīng)用價值。4結(jié)論4.1酵母的吸附能力啤酒酵母對鎘離子的吸附時間短（15min）;pH值范圍寬（4～8）；酵母的單位吸附量大（46.5mg/g）。對于高濃度的含鎘溶液，酵母表現(xiàn)出較強的吸附能力；廢水經(jīng)二次吸附處理后均能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。4.2處理含鎘離子工業(yè)廢水對啤酒廢酵母進(jìn)行簡單的處理，經(jīng)干燥加工成啤酒酵母粉，既可用于處理含鎘離子的工業(yè)廢水，也可以處理含有其他重金屬離子的工業(yè)廢水。用啤酒廢酵母作為重金屬離子的吸附劑，不僅提高了啤酒企業(yè)的附加值和科技含量，也可降低啤酒企業(yè)排放廢水