DD296261A5

DD296261A5 - PROCESS FOR THE BIOSORPTION OF HEAVY METALS

Info

Publication number: DD296261A5
Application number: DD34223490A
Authority: DD
Inventors: Peter Scheibe; Dietrich Haferburg; Uwe Iske; Klemens Huebner
Original assignee: Akademie Der Wissenschaften Der Ddr,De
Priority date: 1990-06-28
Filing date: 1990-06-28
Publication date: 1991-11-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Biosorption von Schwermetallen und beinhaltet die Steigerung der Sorptionskapazitaet bei der mikrobiellen Sorption von Metallen, bevorzugt Schwermetallen aus waeszrigen Loesungen. Das Ziel des Verfahrens besteht darin, in kuerzester Zeit eine moeglichst quantitative Abreicherung der Metallverbindungen in der waeszrigen Phase und eine moeglichst hohe Beladungskonzentration auf dem biologischen Material zu erreichen. Erfindungsgemaesz wird die Aufgabe geloest, indem man als Sorbent verwendeten biologischem Material ein zweites biologisches Material direkt oder in einer Vorbehandlungsstufe zugesetzt wird, das selbst biologisch abbaubar ist. Der Zusatz dieses biologisch leicht abbaubaren Materials erhoeht die Saettigungsbeladung bis ca. 30% und verbessert die Staerke der Bindung an das biologische Material bei moeglicher Senkung der erforderlichen Kontaktzeit zwischen Adsorbens und Adsorptiv.{Sorptionskapazitaet; Schwermetall; Metall; biologisches Material; Sorption; waeszrige Loesung; Beladungskonzentration; Rhamnolipid}The invention relates to a process for the biosorption of heavy metals and includes increasing the Sorptionskapazitaet in the microbial sorption of metals, preferably heavy metals from aqueous solutions. The aim of the method is to achieve in the shortest possible time a possible quantitative depletion of the metal compounds in the aqueous phase and a possible high loading concentration on the biological material. According to the invention, the object is achieved by adding a second biological material directly or in a pretreatment stage which is itself biodegradable to biological material used as a sorbent. The addition of this readily biodegradable material increases the saturation loading to about 30% and improves the strength of the binding to the biological material while reducing the required contact time between adsorbent and adsorptive. {Sorption Capacity; Heavy metal; Metal; biological material; sorption; liquid solution; Loading concentration; rhamnolipid}

Description

Application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von Metallen und ihren Verbindungen aus verdünnten wäßrigen Lösungen mit Hilfe von Mikroorganismen bzw. mikrobiologischem Material. Sie kann bevorzugt in der Abwassertechnologie, in der Metallurgie, der chemischen und pharmazeutischen Industrie angewendet werden.The invention relates to a process for the removal of metals and their compounds from dilute aqueous solutions with the aid of microorganisms or microbiological material. It can preferably be used in wastewater technology, metallurgy, chemical and pharmaceutical industries.

Characteristic of the known state of the art

Abwässer metallurgischer und chemischer Verfahren, Prozeßwässer der verschiedensten Art und Herkunft enthalten Schwermetall-Verbindungen, von denen eine große Anzahl von volkswirtschaftlichem Wert sind, gleichzeitig aber auch umweltbelastend wirken. Die Abgabe derartiger Abwässer ohne Vorbehandlung wird demzufolge immer weiter eingeschränkt.Wastewater metallurgical and chemical processes, process waters of various kinds and origin contain heavy metal compounds, of which a large number are of economic value, but at the same time have an environmental impact. The delivery of such wastewater without pretreatment is therefore increasingly limited.

Neue Technologien zur Abtrennung und Rückgewinnung von Metallen und ihren Verbindungen müssen eingesetzt werden.New technologies for the separation and recovery of metals and their compounds must be used.

Neben den traditionellen physikalisch-chemischen Verfahren finden zunehmend biotechnologische Wirkprinzipien Eingang in die Praxis. Hierbei wird die Fähigkeit toter, stoffwechselinaktiver oder lebender Biomassen bzw. biologischer Materialien zur Bindung und Speicherung von Metallen genutzt.In addition to traditional physico-chemical processes, biotechnological principles of action are increasingly being put into practice. It uses the ability of dead, metabolically inactive or living biomasses or biological materials to bind and store metals.

Vergleicht man die Metallbindungskapazitäten wachsender, ruhender oder toter Zellen miteinander, so weist ruhendes oder totes Zellmaterial eine wesentlich höhere Beladungskonzentration auf, als wachsende, stoffwechselaktive Mikroorganismen.If one compares the metal binding capacities of growing, quiescent or dead cells with each other, dormant or dead cell material has a much higher loading concentration than growing, metabolically active microorganisms.

Deshalb wird bevorzugt ruhendes oder totes biologisches Material zur Sorption verwendet. Nachteil aller dieser Verfahren ist, daß die Sorptionskapazität organismenspezifisch mehr oder weniger festgelegt ist.Therefore, dormant or dead biological material is preferably used for sorption. Disadvantage of all these methods is that the sorption capacity is more or less fixed organism-specific.

Durch verschiedene Verfahren der Vorbehandlung, die auf der extraktiven Entfernung von Zeilinhaltsstoffen bzw. Zellbestandteilen beruhen, läßt sich die maximal erreichbare Beladungskapazität erhöhen, so nach einem Verfahren gemäß GB-PS 2168076 durch eine alkalische Vorbehandlung der als Adsorbens verwendeten Biomasse oder durch die Abtrennung des Lipidanteiles durch Methanol/Chloroform-Extraktion. Solche Verfahren haben den Nachteil, daß eine aufwendige Abtrennung der Biomasse aus dem Fermentationsmedium erfolgen muß und Chemikalienzusatz und Abproduktanfall die zusätzliche Verfahrensstufe ökonomisch belasten.By various methods of pretreatment, which are based on the extractive removal of cell ingredients or cell components, the maximum achievable loading capacity can be increased, so by a method according to GB-PS 2168076 by an alkaline pretreatment of the biomass used as an adsorbent or by the separation of the lipid portion by methanol / chloroform extraction. Such processes have the disadvantage that a complicated separation of the biomass must be carried out from the fermentation medium and chemical additive and waste product burden the additional process stage economically.

Eine mechanische Beeinflussung von Zelloberfläche und Zellinnerem verringert diese Nachteile, erfordert aber erhöhte Energieaufwendungen.Mechanical interference of cell surface and cell interior reduces these disadvantages, but requires increased energy expenditure.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Erhöhung der Sorptionskapazität von Biosorbentien, die zur mikrobiellen Sorption von Metallen und ihren Verbindungen aus verdünnten wäßrigen Lösungen eingesetzt werden, wobei niedrige Kosten und eine weitgehende Entfernung der Metalle in kürzester Zeit angestrebt werden.The aim of the invention is a method for increasing the sorption capacity of biosorbents, which are used for the microbial sorption of metals and their compounds from dilute aqueous solutions, with low cost and a substantial removal of the metals are aimed at in no time.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, geeignete Absorbentien auszuwählen und einzusetzen.The invention has for its object to select and use suitable absorbents.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem dem als Adsorbens vorgesehenen biologischen Material vor ihrer Verwendung im Sorptionsverfahren oder parallel dazu ein weiteres biologisches Material, ein Rhamnolipid zugemischt wird, das biologisch abbaubar ist und dessen Zugabe sowohl im schwermetallfreien Biomassekonzentrat als auch direkt im schwermetallhaltigen Abwasser erfolgen kann.According to the invention the object is achieved by mixing the biological material provided as adsorbent before its use in the sorption process or in parallel with another biological material, a rhamnolipid, which is biodegradable and can be added both in the heavy metal-free biomass concentrate and directly in the heavy metal-containing wastewater ,

Im Gegensatz zu anderen Materialien mit Tensidwirkung bewirkt der Einsatz von Rhamnolipid eine Verbesserung der Schwermetallaufnahme durch das biologische Material.Unlike other surfactant-based materials, the use of rhamnolipid results in an improvement in heavy metal uptake by the biological material.

Das Rhamnolipid kann z. B. gemäß DD-WP 234689 oder DD-WP 235461 gewonnen werden. Mit seinem Einsatz kann die Beladungskapazität ohne großen apparativen Aufwand bei geringer Zugabemenge bis um 30% gesteigert werden und die Selektivität der Bindung, ausgedrückt im Verteilungskoeffizienten D wächst bis zu 30%. Das alles bei biologischem Abbau des Rhamnolipids in jeder Abwasserreinigungsanlage, wobei im ersten Schritt Rhamnose abgespalten wird.The rhamnolipid can z. B. according to DD-WP 234689 or DD-WP 235461 be obtained. With its use, the loading capacity can be increased without great expenditure on equipment at a low addition amount up to 30% and the selectivity of the bond, expressed in the distribution coefficient D increases up to 30%. All this with biological degradation of the rhamnolipid in every wastewater treatment plant, whereby rhamnose is split off in the first step.

Ausführungsbeispieleembodiments

Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung noch näher.The following examples illustrate the invention even closer.

example 1

Gefriergetrocknete Biomasse der Kultur ZIMET10775 wurde in destilliertem Wasser aufgeschlämmt und Rhamnolipid zugegeben, so daß folgende Konzentrationen vorlagen:Freeze-dried biomass of culture ZIMET10775 was slurried in distilled water and rhamnolipid added to give the following concentrations:

BTS =50 g/lBTS = 50 g / l

Rhamnolipid = 1 g/lRhamnolipid = 1 g / l

Daraufhin wurde die Suspension 10min bei T = 20°C gerührt und anschließend zur Uranium-Sorption eingesetzt. Eine Uranyl-Stammlösung wurde so zugemischt, daß sich eine Biomassekonzentration von 1 g/l und eine Uraniumkonzentration von 400mg/l ergaben. Die Sorptionszeit betrug eine Stunde beiT = 20°C, wobei nach 1, 5,15, 30 und 60 Minuten zur Uraniumbestimmung Flüssigproben entnommen wurden, in denen nach Zentrifugation photometrisch die Uraniumkonzentration über den Arsenazo-(lll)-komplex bestimmt wurde. Gegenüber der Vergleichsprobe ohne Rhamnolipidzugabe unter ansonsten identischen Bedingungen erhöhte sich die Beladungskapazität um 25% und der Verteilungskoeffizient D wuchs um 133%. (Für die Sorptionszeit von einer Stunde ergab sich ein a^u von 163,8 zu 131 und ein Verteilungskoeffizient D von 3467ml/g zu 1488ml/g).Thereafter, the suspension was stirred for 10 min at T = 20 ° C and then used for uranium sorption. A uranyl stock solution was admixed to give a biomass concentration of 1 g / l and a uranium concentration of 400 mg / l. The sorption time was one hour at T = 20 ° C, where after 1, 5,15, 30 and 60 minutes for Uraniumbestimmung liquid samples were taken, in which after centrifugation photometrically the uranium concentration on the arsenazo (III) complex was determined. Compared to the control without rhamnolipid addition under otherwise identical conditions, the loading capacity increased by 25% and the partition coefficient D increased by 133%. (For the sorption time of one hour, an a ^u of 163.8 to 131 and a partition coefficient D of 3467 ml / g to 1488 ml / g were found.

Example 2

Zu einem kadmiumhaltigen Abwasser mit 100 mg Cd/l wurde direkt Rhamnolipid entsprechend einer Konzentration von 10mg/l zugegeben. Gleichzeitig wurde als Sorbens die Bakterienkultur ZIMET 11070 zugegeben, so daß sich eine Biomassekonzentration von 2g/l einstellte. Nach 30 Minuten Sorption ergab die mit Rhamnolipid versetzte Kadmiumlösung eine um 8,2% höhere Beladung als die Standardprobe (α" = 43,3 zu α" = 40 mg/g).To a cadmium-containing waste water containing 100 mg Cd / l was added directly rhamnolipid corresponding to a concentration of 10 mg / l. At the same time, the bacterial culture ZIMET 11070 was added as sorbent, so that a biomass concentration of 2 g / l was established. After 30 minutes of sorption, the rhamnolipid-added cadmium solution gave 8.2% higher loading than the standard sample (α "= 43.3 to α" = 40 mg / g).

Example 3

Eine konzentrierte Biomassesuspension mit 80g IMET B 346/I die Rhamnolipid enthielt, wurde 5 Minuten bei einer Temperatur von 50⁰C gerührt und dann mit einem uranhaltigen Abwasser versetzt, so daß sich folgende Parameter ergaben:A concentrated biomass suspension with 80 g IMET B 346 / I containing rhamnolipid was stirred for 5 minutes at a temperature of 50 ⁰ C and then treated with a uranium-containing waste water, resulting in the following parameters:

Uranium-Konzentration =400mg/lUranium concentration = 400mg / l

Biomasse-Konzentration =2 g/lBiomass concentration = 2 g / l

Rhamnolipid-Konzentration =0,002%, bezogen auf BiomasseRhamnolipid concentration = 0.002% based on biomass

pH-Wert = 4,2pH = 4.2

Bei einer Sorptionszeit von 15 min wurde für das System eine Beladung von 163,4mg U/g BM im Vergleich zur Standardprobe mit c#> = 154,9mg U/g ermittelt, während D von 3427 auf 5025ml/g wuchs. Das entspricht prozentualen Steigerungen von 5,55% für die Beladung und 69,97% für den Verteilungskoeffizienten D.At a sorption time of 15 minutes, the system was found to have a loading of 163.4 mg of U / g BM compared to the standard sample with c #> = 154.9 mg U / g while D increased from 3427 to 5025 ml / g. This corresponds to percentage increases of 5.55% for the loading and 69.97% for the distribution coefficient D.

Claims

1. A process for the biosorption of heavy metals from aqueous solutions using microbial biomass adsorbent, characterized in that to the microbial biomass used, a further biodegradable material is added.

2. The method according to claim 1, characterized in that as further biodegradable material rhamnolipid is added.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the rhamnolipid in a ratio of 1CT ⁵ to 5 · 1CT ¹ g / g biomass is added to the microbial biomass.

4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the rhamnolipid is added together with the microbial biomass of the aqueous solution.