CN101225379B - 生物吸附废水中重金属的非活性固定化酵母填料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
生物吸附废水中重金属的非活性固定化酵母填料及其制备方法，它涉及一种含非活性酵母填料及其制备方法。它解决了目前生物吸附填料分离以及实际应用吸附过程中生物吸附填料破损严重，完整率低，导致无法工业化应用和大面积推广的问题。生物吸附废水中重金属的非活性固定化酵母填料是由非活性酵母干粉菌体与固定化材料经包埋法制成；非活性酵母干粉菌体是非活性啤酒酵母菌体经研磨、过筛、烘干制成。本发明具有原料易得、工艺简单、便于操作、节约资源、减少对环境的污染、成本低的优点。本发明使非活性酵母能工业化应用且大面积推广。
Description
技术领域
本发明属于重金属废水处理领域；它涉及一种含非活性酵母填料及其制备方法；具体涉及一种非活性固定化酵母填料及其制备方法。
背景技术
重金属废水由于其巨大的排放量和严重危害性，日益受到社会的广泛关注。近些年，随着工业的发展，人们对重金属的使用越来越广泛，重金属资源出现了相对短缺的局面；同时水体受到了重金属的严重污染。为了缓解重金属资源日益短缺的问题，同时为了保护人类的生存环境，处理重金属废水是非常紧迫的一项任务，势在必行。生物吸附法是处理大体积低浓度重金属废水的一种理想方法，近年来有关的研究报道不断增多，但是目前生物吸附法还处于实验室研究阶段，研究大多采用的是静态吸附；而且在生物吸附填料离心分离过程中生物吸附填料破损严重，完好率低，大大提高了处理成本，限制了生物吸附填料的推广和应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前生物吸附填料离心分离过程中生物吸附填料破损严重，完好率低，导致无法工业化应用和大面积推广的问题；而提供了一种生物吸附废水中重金属的非活性固定化酵母填料及其制备方法。
本发明非活性固定化酵母填料是非活性酵母干粉菌体与固定化材料经包埋法制成；非活性酵母干粉菌体是非活性啤酒酵母菌体(片状或大粒状)经研磨、过筛、烘干制成；非活性固定化酵母填料的粒径为0.5～5mm，固定化材料为琼脂、明胶或海藻酸钠；固定化材料与非活性酵母干粉菌体的质量比为1∶2～4。
本发明制备非活性固定化酵母填料方法的步骤如下：一、将非活性啤酒酵母菌体(片状或大粒状)研磨，过筛(筛孔0.1～0.3mm)，再在100～110℃条件下烘干置于干燥器中备用，得到非活性酵母干粉菌体；二、将步骤一得到的非活性酵母干粉菌体加入去离子水中搅匀，而后加入固定化材料继续搅拌至均匀得到胶体，其中固定化材料与非活性酵母干粉菌体的质量比为1∶2～4，然后放置8～12h(排出气泡)，将胶体滴入CaCl2溶液得到0.5～5mm的圆球体，圆球体放置12～15h；尔后用去离子水冲洗再在0.1～1.0mol/L HCl中浸泡24h，然后用去离子水浸泡至去离子水的pH值5～6，在室温条件下保存于去离子水中备用；得到非活性固定化酵母填料；其中步骤二中CaCl2溶液的浓度为2％(重量)。
本发明中非活性固定化酵母填料处理重金属废水的方法如下：将重金属废水通入装有非活性固定化酵母填料的反应器，非活性固定化酵母吸附重金属，进水方式为升流式或降流式，其中反应温度为10～30℃，非活性固定化酵母填料在反应器中的密度为20～120g/L，pH值为5～8。
用海藻酸钠固定得到的非活性固定化酵母填料质地均匀，表面光滑，肉眼观察球体呈暗色调，用手轻按压，有较好的弹性和机械性能。琼脂和明胶固定得到的非活性固定化酵母填料比较明亮，球体椭圆，有“小尾巴”，形状像蝌蚪。取1000粒制备好的酵母球体，于20℃室温下经5000r/min离心，只有2粒破损，完好率为99.8％，表明本发明的非活性固定化酵母填料有较好的机械性能。本实施方式的方法对重金属(Pb2+、Cu2+)的去除率较高。非活性固定化酵母填料对Pb2+、Cu2+的最大吸附量分别为7.7880mg/g和4.8239mg/g。K+、Ca2+、Na+、Mg2+对非活性固定化酵母填料吸附重金属离子的影响很小或不影响，固定化材料对非活性固定化酵母填料吸附重金属离子的影响很小。非活性固定化酵母填料吸附是不依赖于能量代谢的物理过程，所以温度影响不大，在10～30℃之间均可。由图2-图4扫描电镜SEM观测本发明非活性固定化酵母填料吸附Pb2+、Cu2+后的表面形态变化，吸附重金属离子前，表面光滑，本发明非活性固定化酵母填料具有较大的比表面积。吸附重金属离子后，填料表面变化较大，出现点斑或者“绒毛”，能够观察到明显的“针状突起”，表明填料表面是吸附重金属离子的重要部位。可见在吸附过程中无机微沉淀机理和氧化还原机理起主要作用。通过图15-图17对吸附Pb2+、Cu2+前后的非活性固定化酵母细胞进行红外光谱分析表明：吸附前后光谱图的总体变化不大，表明重金属并未破坏酵母细胞本身的结构；在吸附Pb2+、Cu2+过程中，-OH、＝CH2、-CONH2和-COOH对重金属的吸附起到重要的作用。
啤酒酵母是生产啤酒过程中使用的一种微生物。在生产完啤酒以后，经常作为一种废弃物被处理掉。其中一部分作为饲料被再利用，大部分被丢弃。不仅造成资源的浪费，而且污染了环境；通过本发明能使啤酒酵母有效的被利用，减少对环境污染，节约了资源。
本发明具有原料易得、工艺简单、便于操作、成本低的优点。目前非活性酵母处理重金属废水的研究处于实验室研究阶段，研究大多采用的是静态吸附；本发明将非活性酵母制成填料；利用填充柱反应器进行了大量的研究，使非活性酵母能工业化应用并且大面积推广。
附图说明
图1是非活性酵母干粉菌体的SEM图。图2是本发明非活性固定化酵母填料的SEM图。图3是本发明非活性固定化酵母填料吸附Pb2+SEM图。图4是本发明非活性固定化酵母填料吸附Cu2+SEM图。图5是不同温度下本发明非活性固定化酵母填料对Pb2+吸附效果图，图中-◆-表示10℃下本发明非活性固定化酵母填料对Pb2+吸附曲线，-■-表示15℃下本发明非活性固定化酵母填料对Pb2+吸附曲线，-▲-表示20℃下本发明非活性固定化酵母填料对Pb2+吸附曲线，-×-表示25℃下本发明非活性固定化酵母填料对Pb2+吸附曲线。图6是不同温度下本发明非活性固定化酵母填料对Cu2+吸附效果图，图中-◆-表示10℃下本发明非活性固定化酵母填料对Cu2+吸附曲线，-■-表示15℃下本发明非活性固定化酵母填料对Cu2+吸附曲线，-▲-表示20℃下本发明非活性固定化酵母填料对Cu2+吸附曲线，-×-表示25℃下本发明非活性固定化酵母填料对Gu2+吸附曲线。图7是不同固定化材料对Pb2+吸附性能图。图8是不同固定化材料对Cu2+吸附性能图。图9是不同pH值对Pb2+吸附效果图，图中-◆-表示pH＝5下本发明非活性固定化酵母填料对Pb2+吸附曲线，-■-表示pH＝6下本发明非活性固定化酵母填料对Pb2+吸附曲线，-▲-表示pH＝7下本发明非活性固定化酵母填料对Pb2+吸附曲线，-×-表示pH＝8下本发明非活性固定化酵母填料对Pb2+吸附曲线。图10是不同pH值对Cu2+吸附效果图，图中-◆-表示pH＝5下本发明非活性固定化酵母填料对Cu2+吸附曲线，-■-表示pH＝6下本发明非活性固定化酵母填料对Cu2+吸附曲线，-▲-表示pH＝7下本发明非活性固定化酵母填料对Gu2+吸附曲线，-×-表示pH＝8下本发明非活性固定化酵母填料对Cu2+吸附曲线。图11是不同装柱密度对Pb2+吸附效果图，图中-◆-表示装柱密度为20g/L下本发明非活性固定化酵母填料对Pb2+吸附曲线，-■-表示装柱密度为40g/L下本发明非活性固定化酵母填料对Pb2+吸附曲线，-▲-表示装柱密度为80g/L下本发明非活性固定化酵母填料对Pb2+吸附曲线，-×-表示装柱密度为120g/L下本发明非活性固定化酵母填料对Pb2+吸附曲线。图12是不同装柱密度对Cu2+吸附效果图，图中-◆-表示装柱密度为20g/L下本发明非活性固定化酵母填料对Cu2+吸附曲线，-■-表示装柱密度为40g/L下本发明非活性固定化酵母填料对Cu2+吸附曲线，-▲-表示装柱密度为80g/L下本发明非活性固定化酵母填料对Cu2+吸附曲线，-×-表示装柱密度为120g/L下本发明非活性固定化酵母填料对Cu2+吸附曲线。图13是不同进水流量对Pb2+吸附效果的影响图，图中-◆-表示进水流量为2mL/min下本发明非活性固定化酵母填料对Pb2+吸附曲线，-■-表示进水流量为5mL/min下本发明非活性固定化酵母填料对Pb2+吸附曲线，-▲-表示进水流量为10mL/min下本发明非活性固定化酵母填料对Pb2+吸附曲线，-×-表示进水流量为20mL/min下本发明非活性固定化酵母填料对Pb2+吸附曲线。图14是不同进水流量对Cu2+吸附效果图，图中-◆-表示进水流量为2mL/min下本发明非活性固定化酵母填料对Cu2+吸附曲线，-■-表示进水流量为5mL/min下本发明非活性固定化酵母填料对Cu2+吸附曲线，-▲-表示进水流量为10mL/min下本发明非活性固定化酵母填料对Cu2+吸附曲线，-×-表示进水流量为20mL/min下本发明非活性固定化酵母填料对Cu2+吸附曲线。图15是本发明非活性固定化酵母填料的红外光谱图。图16是本发明非活性固定化酵母填料吸附Pb2+的红外光谱图。图17是本发明非活性固定化酵母填料吸附Cu2+的红外光谱图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式中非活性固定化酵母填料是非活性酵母干粉菌体与固定化材料包埋制成；非活性酵母干粉菌体是非活性啤酒酵母菌体(片状或大粒状)经研磨、过筛、烘干制成；非活性固定化酵母填料的粒径为0.5～5mm，固定化材料为琼脂、明胶或海藻酸钠；固定化材料与非活性酵母干粉菌体的质量比为1∶2～4。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是非活性啤酒酵母菌体是经过预处理的，其中预处理过程为洗涤、抽滤、烘干。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是预处理过程中在洗涤前用浓度为0.1～1.0mol/L的HCl或NaOH溶液浸泡。其它与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于固定化材料与非活性啤酒酵母菌体的质量比为1∶3。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是非活性固定化酵母填料的粒径为1.2～2.5mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是非活性固定化酵母填料的粒径为1.9mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式中制备非活性固定化酵母填料方法的步骤如下：一、将非活性啤酒酵母菌体(片状或大粒状)研磨，过筛(筛孔0.1～0.3mm)，再在100～110℃条件下烘干置于干燥器中备用，得到非活性酵母干粉菌体；二、将步骤一得到的非活性酵母干粉菌体加入去离子水中搅匀，尔后加入固定化材料继续搅拌至均匀得到胶体，然后放置8～12h(排出气泡)，将胶体滴入CaCl2溶液得到0.5-5mm的圆球体，圆球体放置12～15h；尔后用去离子水冲洗再在0.1～1.0mol/L HCL中浸泡24h，然后用去离子水浸泡至去离子水pH为5～6时，在室温条件下保存于去离子水中备用；得到非活性固定化酵母填料。其中在步骤二中CaCl2溶液的浓度为1～3％(重量)，固定化材料为琼脂、明胶或海藻酸钠，固定化材料与非活性酵母干粉菌体的质量比为1∶2～4。
本实施方式中的非活性啤酒酵母菌体取自哈尔滨啤酒集团。用海藻酸钠固定得到的非活性固定化酵母填料质地均匀，表面光滑，肉眼观察球体呈暗色调，用手轻按压，有较好的弹性和机械性能。琼脂和明胶固定得到的非活性固定化酵母填料比较明亮，球体椭圆，有“小尾巴”，形状像蝌蚪。取1000粒制备好的酵母球体，于20℃室温下经5000r/min离心，只有2粒破损，完好率为99.8％，表明本实施方式制得的非活性固定化酵母填料有较好的机械性能。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是非活性啤酒酵母菌体是经过预处理的，预处理的方法如下：将非活性酵母干粉菌体经研磨、过筛，然后在100～110℃条件下烘干；即完成非活性啤酒酵母菌体的预处理。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式具体实施方式八不同的是非活性啤酒酵母菌体在洗涤前用浓度为0.1～1.0mol/L的HCl或NaOH溶液浸泡48h。其它与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七不同点在于在步骤二中烘干的温度为105℃。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式七不同点在于在步骤三中CaCl2溶液的浓度为2％(重量)。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式七不同点在于固定化材料与非活性酵母干粉菌体的质量比为1∶3。其它与具体实施方式七相同。
本实施方式中的配比既保证酵母球有较好的机械性能，同时会有较好的传质系数。
具体实施方式十三：本实施方式中非活性固定化酵母填料处理重金属废水的方法如下：将重金属废水通入装有非活性固定化酵母填料的反应器，非活性化酵母吸附重金属，进水方式为连续升流式或降流式，其中反应温度为10～30℃，非活性固定化酵母填料在反应器中的密度为20～120g/L，pH值为5～8。
本实施方式中非活性固定化酵母填料对Pb2+、Cu2+的最大吸附量分别为7.7880mg/g和4.8239mg/g。K+、Ca2+、Na+、Mg2+对非活性固定化酵母填料吸附重金属离子的影响很小或不影响，固定化材料对非活性固定化酵母填料吸附重金属离子的影响很小。非活性固定化酵母填料吸附是不依赖于能量代谢的物理过程，所以温度影响不大，在10～25℃之间均可。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式十三不同点在于pH值为6。其它与具体实施方式十三相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式九不同点在于非活性固定化酵母填料在反应器中的密度为80g/L。其它与具体实施方式十三相同。
具体实施方式十六：本实施方式中以常见的重金属Pb2+、Cu2+废水为例验证本发明的效果，采用具体实施方式十三中的方法，其中进水方式为升流式，反应柱的净高为30厘米，反应柱的净直径为3厘米，材质为有机玻璃，进水流量为2～20mL/min，水力停留时间HRT为12.5～125min。本实施方式对废水中重金属Pb2+、Cu2+的处理能达到国家1-2级排放标准，但对COD、SS等有机物的处理效果不好，需使用生化方法进一步深入处理。
Claims (5)
1.一种生物吸附废水中重金属的非活性固定化酵母填料，其特征在于非活性固定化酵母填料是非活性酵母干粉菌体与固定化材料经包埋法制成；非活性酵母干粉菌体是非活性啤酒酵母菌体经研磨、过筛、烘干制成；非活性固定化酵母填料的粒径为0.5～5mm，固定化材料与非活性酵母干粉菌体的质量比为1∶2～4；固定化材料为琼脂或明胶；非活性固定化酵母填料为球体椭圆，有“小尾巴”，形状像蝌蚪。
2.根据权利要求1所述的生物吸附废水中重金属的非活性固定化酵母填料，其特征在于固定化材料与非活性啤酒酵母菌体的质量比为1∶3。
3.根据权利要求1所述的生物吸附废水中重金属的非活性固定化酵母填料，其特征在于非活性固定化酵母填料的粒径为1.2～2.5mm。
4.制备权利要求1所述生物吸附废水中重金属的非活性固定化酵母填料的方法，其特征在于非活性固定化酵母填料制备方法的步骤如下：一、将非活性啤酒酵母菌体研磨，过筛，再在100～110℃条件下烘干置于干燥器中备用，得到非活性酵母干粉菌体；二、将步骤一得到的非活性酵母干粉菌体加入去离子水中搅匀，而后加入固定化材料继续搅拌至均匀得到胶体，其中固定化材料与非活性酵母干粉菌体的质量比为1∶2～4，然后放置8～12h，将胶体滴入CaCl2溶液得到0.5～5mm的圆球体，圆球体放置12～15h；而后用去离子水冲洗再在0.1～1.0mol/L HCl中浸泡24h，然后用去离子水浸泡至去离子水的pH值5～6，在室温条件下保存于去离子水中备用；得到非活性固定化酵母填料；固定化材料为琼脂或明胶；非活性固定化酵母填料为球体椭圆，有“小尾巴”，形状像蝌蚪。
5.根据权利要求4所述生物吸附废水中重金属的非活性固定化酵母填料的制备方法，其特征在于步骤二中烘干的温度为105℃。
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