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。啤酒酵母外側有0.1μm的兩層細胞壁，內(nèi)側還有細胞莢膜。細胞壁與細胞莢膜是金屬離子主要積累的場所。其主要官能團包括-OH，-SH，-NH2，-OP,C=O,P=O,S=O等基團，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行純菌種培養(yǎng)，經(jīng)去離子水處理后烘干備用。鎘標準溶液：按國內(nèi)（GB7471-87）標準進行配制，在實驗中所用的含鎘溶液是根據(jù)實驗需要利用鎘標準溶液和蒸餾水來進行配制的。主要儀器設備：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系在Cd2+離子的初始濃度為10mg/L，反應溫度為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、不依賴于細菌表面官能團的種類、不依賴細菌的能量代謝，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，Q數(shù)值越大，聚集量越大，是菌體表面所帶的負電荷與溶液中金屬陽離子之間靜電作用結果。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進行絡合和離子交換的過程。1.2.2多金屬溶液對物官能團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特性、生物官能團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。試驗結果為pH=4～8時吸附效果最好。同樣，也進行了啤酒酵母的吸附能力實驗，試驗結果為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%（干基質量分數(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報道，以及對《啤酒廢酵母生產(chǎn)蛋白飼料》的工業(yè)設計及其生產(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攪拌均勻，用80目的篩子篩分一次，即除去80%的雜質，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。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，即得到不含雜質的酵母乳液。再將篩分后的酵母乳液，進行離心分離。離心機轉數(shù)為2000/min，離心5min，即得酵母泥。預處理：將其酵母泥調配成乳液，加添加劑，攪拌均勻，使其成為均勻的乳狀液準備進行干燥處理。干燥：將酵母乳液進行噴霧干燥，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，鎘單質及其化合物被廣泛應用于各個工業(yè)，如電鍍、化工、染料、紡織、核技術、煉油等工業(yè)。其中電鍍工業(yè)、冶金工業(yè)、化學工業(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500～700mg/L，一些礦山的酸性廢水含鎘量達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，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雜，如表面絡合、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果表明，生物吸附是多種吸附的結果。因此，對多組分金屬離子共存及吸附的影響更具有復雜性和難以研究。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果的分析，同時又進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)調節(jié)：首先對含鎘廢水進行除雜，然后加酵母吸附劑，進行攪拌。生物吸附：可采用氣浮式攪拌三級循環(huán)進行吸附流程，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標后再排放。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。上清液達到排放標準后進行排放。再對其渾濁液進行壓濾。壓濾：在渾濁液中加入助濾劑（粉碎后的稻殼）進行壓濾，濾液經(jīng)檢測后排放，沒達標的可重新吸附處理。同時獲得濾餅。干燥：為便于貯存，將濾餅進行干燥。可用滾筒干燥機進行干燥。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)生的廢水水質是不一樣的，即使同一生產(chǎn)流程，其產(chǎn)生的廢水水質也是時刻在變化。在實際生產(chǎn)中可以根據(jù)廢水性質的變化情況進行相應工藝參數(shù)的調節(jié)。3.3生物吸附過濾介質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，是為了在焚燒時容易回收重金屬。通過實驗認為，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。很多學者采用固定床為吸附裝置，進行連續(xù)生物吸附的研究，很有應用價值。4結論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到排放標準。4.2處理含鎘離子工業(yè)廢水對啤酒廢酵母進行簡單的處理，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