啤酒酵母在重金属废水处理中的应用

2015-12-02景明霞

杭州化工 2015年2期

景明霞

（青海大学土木工程学院，青海西宁810016）

随着工业的发展，含重金属离子的废水处理已成为全球性的问题。重金属离子毒性大，在生物体内难以代谢，微量即可致死。因此研究其处理方法已成为一个热点。目前，已有化学沉淀法、离子交换法、电解法、蒸发浓缩法、膜分离法等多种方法，但都存在着不足。化学沉淀法需要大量的沉淀剂，大多数沉淀剂都有毒性，易造成二次污染。离子交换法是一种目前比较成熟的技术，操作简单，处理效果较好，但离子交换树脂价格高，处理成本太高。因此，我们要寻求新的处理含重金属离子废水的方法。而微生物吸附法[1]作为一种新兴的水处理技术，有更为广阔的优势，它通过活的或失活的生物细胞（以微生物为主）或生物材料吸附水中污染物，具有吸附效率高、资金投入少、pH及温度范围宽、可回收利用废水中的重金属等特点。啤酒酵母[2]是啤酒生产过程中广泛使用的微生物，廉价易得，并能对多种重金属离子进行吸附。本文着重综述了以啤酒酵母为生物吸附剂对多种重金属离子吸附的研究进展及生物吸附的发展方向。

1 啤酒酵母处理重金属废水的特点

啤酒酵母对废水中重金属的去除过程是典型的生物吸附过程。生物吸附[3]是指经过一系列的生物化学作用使重金属离子被生物细胞吸附，废水中的重金属离子则通过离子交换、表面络合、氧化还原、静电吸附等过程被去除。吸附过程包含被动吸附和主动吸附2个过程。首先进行的是重金属被动吸附在细胞表面，即细胞外多聚糖、细胞壁上的官能团与重金属结合；其次进行的是被动吸附，在细胞表面的重金属与细胞表面的某些酶结合转移至细胞内。主动吸附速度快、不可逆、不依赖于能量代谢；被动吸附速度慢、不可逆，与细胞代谢有关。非活性的生物量主要依靠表面吸附，而活性生物量既有表面吸附又有主动吸收。生物吸附法作为一个新工艺不仅可以用于重金属离子的去除，还可以用于含重金属离子工业废水的解毒等方面，它是一种新颖的废水处理方法，可高效、廉价地处理大体积低浓度的重金属离子废水，有着传统方法不可比拟的优势。与传统处理工艺相比，吸附法处理重金属废水的优势如表1所示。

表1 重金属废水处理的典型方法对比表

续表1

2 啤酒酵母在重金属废水处理中的应用现状

2.1 啤酒酵母对废水中镉离子的吸附

重金属镉离子是水体、土壤中的一类重要污染物，主要来源于冶金、采矿、电镀等工业废水中，是人体的非必需元素，可在人体内长期滞留，抑制人体酶的活性，扰乱生理功能，对人的肾脏、心肺有极大的毒害作用。邓书平主要研究了pH对啤酒酵母吸附废水中镉的影响[4]。实验发现，在150 r/min的恒温摇床上，啤酒酵母对废水中的镉振荡吸附过程受废水pH影响较大，啤酒酵母在pH=4.5～7时对镉有较好的吸附效果，以镉的去除率为考察目标，正交试验确定的最佳吸附pH是6，此时啤酒酵母的投加量为2.0 g/L。pH对镉的吸附处理影响最大，主要是由于pH的不同将导致废水中重金属离子的存在形态造成极大的影响，导致重金属离子的性质也发生极大的变化，一般情况下，当pH较低时，水中的水合氢离子将啤酒酵母表面的官能团包裹[5~6]，使官能团对重金属离子的吸附能力降低，另一方面，水中较多的水合氢离子与重金属离子又会存在竞争吸附，占据啤酒酵母菌上的吸附点位，对重金属离子的去除起到抑制作用[7~8]。

代淑娟等人则研究了啤酒酵母对废水中镉的静态吸附效果[9]。在25℃、搅拌速度为1 000 r/min、吸附时间为30 min、静置时间为240 min的实验条件下，投加量为40 g/L的水洗废啤酒酵母可对pH=7、镉含量为26mg/L的废水中镉的去除率最高达96.59%，废水中剩余Cd2+的浓度为1.495mg/L，经过三级处理后废水中Cd2+可达到排放标准（﹤0.1 mg/L）。李志东等人分别在酸性条件和碱性条件下用啤酒酵母对100mg/L的Cd2+进行吸附[10]，实验结果表明：当用碱性溶液预处理时，其浓度为0.5mol/L时吸附量最大；当用酸性溶液预处理时，其浓度为1.4mol/L时吸附量最大。用浓度为1.0 g/L的啤酒酵母吸附Cd2+时，吸附基本达到饱和，且pH是影响其吸附性能的主要因素，pH=6时吸附达到最佳效果。

碱沉淀法是重金属废水处理的普遍方法，但其处理费用高，产生的固废多，易造成二次污染，重金属无法回收[11~12]。在废水pH较高时，重金属会发生碱沉淀，此时对废水中的重金属去除可能是因碱沉淀造成。因此在吸附法处理重金属废水时应该客观认识吸附剂对重金属的处理效果，在啤酒酵母对废水中镉的去除过程中，废水pH应始终控制在7以下[13~15]，保证重金属的去除主要由吸附过程完成，此时要实现较高的去除率，必然要通过改善酵母菌的吸附活性、增加啤酒酵母菌中对镉具有螯合作用的官能团及其活性、设计改进啤酒酵母比表面积及孔径，从而实现啤酒酵母对镉的吸附去除效果。

2.2 啤酒酵母对废水中铜离子的吸附

铜是人体生长的一种必需微量元素，一旦超标就会发生铜中毒，损害人的肝肾功能，危害人体健康。目前，水体中过剩的铜离子大多来自冶金、电镀、石油化工、化学工业等部门的排放。常用处理方法有化学混凝沉淀法、电解法、反渗透法、膜方法和活性炭吸附法等，但都存在着不足。啤酒酵母废菌是啤酒生产过程中产生的废弃物，但具有良好的吸附能力，被认为是一种具有极大研究价值的可应用于重金属废水处理的新型方法。姚乐等人研究了啤酒酵母投加量、吸附时间、铜离子的初始浓度对吸附效果的影响[16]。实验表明：在pH=5.0、T=25℃、Cu2+的初始浓度为40mg/L、啤酒酵母投加量为2.0 g/L的条件下，吸附时间为75 min时，Cu2+去除率最佳。李志东等人考察了啤酒酵母吸附Cu2+过程中的影响因素，包括pH、反应时间、啤酒酵母菌浓度[17]。对25mg/L的含Cu2+废水进行处理，实验发现，在pH=2.5~6.0范围内，啤酒酵母对Cu2+的吸附量受pH影响较大，啤酒酵母的浓度为1.0g/L、反应时间为0.5 h时，吸附的适宜pH范围是3.5～4.5，当pH=4时达到吸附最大值。啤酒酵母的浓度为1.0 g/L、反应时间为0.5 h、pH=4、Cu2+质量浓度为80mg/L时，啤酒酵母的饱和吸附量最大。

目前啤酒酵母吸附铜离子的研究主要集中在温度、pH、铜离子的初始浓度、啤酒酵母的投加量等环境条件上[18~20]，但是，影响啤酒酵母对废水中铜离子吸附效果的因素除了这些环境因素外，还有啤酒酵母的颗粒大小、水环境中共存阳离子含量及种类、水力条件的影响、啤酒酵母菌的结构特征及组分，而目前这些研究尚有待深入[21~22]。比如啤酒酵母菌颗粒大小不仅会对处理效果产生影响，而且会对废水处理后吸附剂与水的分离产生巨大影响，这方面主要可以从啤酒酵母菌的造粒技术及固定化技术方面入手；比如水环境中共存阳离子与铜离子的竞争吸附性，这会对铜离子的选择吸附及铜的回收产生影响，可以通过啤酒酵母的改性来提高其对铜离子的吸附选择；而水力条件主要考察吸附饱和后的啤酒酵母菌在外界水力条件变化时的稳定性，这将影响啤酒酵母菌吸附剂的工程化应用情况；酵母菌的结构及组分对其吸附性能、吸附稳定性、吸附原理、吸附选择性等方面均会产生极大的影响，因此该方面的研究急需深入。

2.3 啤酒酵母对废水中铀离子的吸附

铀及其化合物是核工业的重要原料，铀矿开采以及核能的利用过程是铀在环境中富集并产生污染的重要途径，铀可以通过生物圈进入食物链，再进入人体的肝脏、肾脏和骨骼，以化学毒性和内照射2种形式对人体造成损伤，严重伤害人体，甚至引发恶性肿瘤，导致死亡。因此，对铀的高效处理已成为研究的重点。

彭国文等人研究了改性啤酒酵母对废水中铀离子的吸附效果[23]。啤酒酵母菌的改性方法是：以甲醛为交联剂，用海藻酸钠和明胶固定，将胱氨酸修饰到啤酒酵母菌上。通过恒温振荡吸附实验，发现影响改性啤酒酵母吸附铀的主要因素是废水pH和吸附时间。改性啤酒酵母对铀的吸附动力学模型较好地符合了准二级动力学模型（相关系数大于0.99），吸附等温线符合Langmuir和Freundlich等温线模型，说明该吸附体系是一个单层覆盖与多层吸附相结合的吸附模式。恒温水浴温度为30℃、pH=6.0、吸附时间为90min时，改性啤酒酵母对铀的吸附效果最好。改性后啤酒酵母对铀的饱和吸附量为未改性的啤酒酵母饱和吸附量的6.5倍，且该反应体系是在8 000 r/min条件下离心分离5～10min后测得，说明改性啤酒酵母对铀的吸附效果抗水力冲刷能力很强，吸附很稳定，具有很强的工程应用价值。

李显利等人也对啤酒酵母对铀的吸附进行了实验研究[24]。在恒温振荡吸附条件下，当铀质量浓度为20mg/L，啤酒酵母菌投加量为4 g/L，反应时间为15min，温度为25℃时，在pH为4～6时，啤酒酵母对铀具有较好的吸附效果，pH=5时废水中的铀去除率最大，为93.3%；改变啤酒酵母的投加量，也会对铀的去除效果有明显的影响，当铀质量浓度为20mg/L，反应时间为15min，温度为25℃时，在pH为5的条件下，当酵母菌投加量由0.5 g/L增加到4.0 g/L时，铀的去除率由21.34%增加到92.44%；在反应时间为15min，温度为25℃，pH为5，酵母菌投加量为4.0 g/L时，酵母菌对含铀浓度为10mg/L的废水处理效果最好，废水中铀的去除率可达98.6%，这一发现对低浓度含铀废水的处理有积极的意义。夏良树等人采用啤酒酵母菌—活性污泥曝气工艺处理含铀废水[25]，实验结果表明，发酵工业的废菌丝体对废水中的铀酰离子具有良好的富集作用，发现投加10 g/L啤酒酵母菌，处理100mg/L含铀废水，铀酰离子去除率可达78.2%；同时投加8 g/L的活性污泥，使吸附效果显著提高，去除率上升到96.3%；并且处理后的溶液静置5～10min，啤酒酵母菌随污泥自然沉降，出水澄清，不需离心分离。

铀作为一种天然自放射性元素，在使用吸附法进行处理时，吸附剂的后续处理及铀的回收事关重大，需慎重对待。

2.4 啤酒酵母对废水中铅离子的吸附

铅为非人体必需元素之一，在人体中易生物积累，主要呈现为亚急性中毒、慢性中毒和“三致作用”，儿童和青少年是铅中毒的敏感人群，易导致智力发育延迟或抑制。铅污染主要来源有大气颗粒污染物、汽车尾气、矿山的开采与冶炼及相关产业的加工、工艺废水、管道及容器溶/渗铅现象等，水体中的铅不仅会经食物链，生物积累和生物积聚现象直接或间接危害人体，同时水体中的铅会抑制水体自净能力，进一步导致水质恶化，危害人体健康和生态环境安全。铅历来是重点防治的重金属污染物之一。

李志东等人对啤酒酵母吸附处理废水中铅离子的影响因素进行了研究[26]。研究发现，对50 mg/L的含铅废水，在啤酒酵母投加量为1g/L，吸附时间为60min的条件下，啤酒酵母吸附废水中的铅适宜的pH在5左右；对25mg/L的含铅废水，在啤酒酵母投加量为1 g/L，pH为5时，60min可实现吸附饱和，此时铅离子去除率最高，之后随着时间的延长，铅离子的去除率有所下降。正交实验发现，废水中初始铅离子浓度对废水的处理效果影响最大，适合啤酒酵母处理的初始铅离子浓度在25~80mg/L。刘恒等人以北京啤酒厂酵母菌为吸附剂，深入探讨了啤酒酵母对铅离子的吸附效果[27]。实验发现，在对500mg/L的含铅废水处理过程中，啤酒酵母对铅的饱和吸附量可达到107 mg/g，适宜的pH为6，实验的显著影响因素是废水的pH，吸附过程遵循Langmuir等温线方程，啤酒酵母经0.5mol/L的HCl预处理后，可使啤酒酵母对铅离子的吸附能力提高27%左右。周东琴等人发现，啤酒酵母对铅离子的吸附符合一级动力学方程[28]。

3 展望

啤酒酵母对重金属的吸附是典型的生物吸附过程，其吸附效果主要受到啤酒酵母的化学结构、官能团种类及其活性的影响，因此，啤酒酵母的表面结构及内部腔孔结构、孔径等会对吸附效果产生影响。啤酒酵母主要成分是蛋白质、纤维素、半纤维素、木质素，对重金属离子具有明显吸附作用的官能团主要有羧基、氨基、羟基。影响吸附活性的环境因素主要有水体温度和pH，因此，在实验设计和啤酒酵母菌的改性过程中应特别注重这些因素。另外，啤酒酵母的改性及多种吸附剂联用技术对废水中重金属的去除均有不俗表现，今后可以注重该方向的研究。啤酒酵母是一种性能良好的处理废水重金属离子的吸附剂，它是啤酒发酵过程中的废弃物，廉价易得，易于提取，并且可对重金属进行回收利用，是一种具有极大潜力的生物吸附剂。通过对它性能的改良，可以得到更多的高效生物吸附剂，发展重金属废水处理的新兴工艺，对环境的保护具有极大的价值，因此应给予更多的关注。

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