啤酒酵母在重金屬廢水處理中的應(yīng)用

景明霞

（青海大學(xué)土木工程學(xué)院，青海 西寧810016）

隨著工業(yè)的發(fā)展，含重金屬離子的廢水處理已成為全球性的問題。重金屬離子毒性大，在生物體內(nèi)難以代謝，微量即可致死。因此研究其處理方法已成為一個熱點。目前，已有化學(xué)沉淀法、離子交換法、電解法、蒸發(fā)濃縮法、膜分離法等多種方法，但都存在著不足?；瘜W(xué)沉淀法需要大量的沉淀劑，大多數(shù)沉淀劑都有毒性，易造成二次污染。離子交換法是一種目前比較成熟的技術(shù)，操作簡單，處理效果較好，但離子交換樹脂價格高，處理成本太高。因此，我們要尋求新的處理含重金屬離子廢水的方法。而微生物吸附法[1]作為一種新興的水處理技術(shù)，有更為廣闊的優(yōu)勢，它通過活的或失活的生物細胞（以微生物為主）或生物材料吸附水中污染物，具有吸附效率高、資金投入少、pH及溫度范圍寬、可回收利用廢水中的重金屬等特點。啤酒酵母[2]是啤酒生產(chǎn)過程中廣泛使用的微生物，廉價易得，并能對多種重金屬離子進行吸附。本文著重綜述了以啤酒酵母為生物吸附劑對多種重金屬離子吸附的研究進展及生物吸附的發(fā)展方向。

1 啤酒酵母處理重金屬廢水的特點

啤酒酵母對廢水中重金屬的去除過程是典型的生物吸附過程。生物吸附[3]是指經(jīng)過一系列的生物化學(xué)作用使重金屬離子被生物細胞吸附，廢水中的重金屬離子則通過離子交換、表面絡(luò)合、氧化還原、靜電吸附等過程被去除。吸附過程包含被動吸附和主動吸附2個過程。首先進行的是重金屬被動吸附在細胞表面，即細胞外多聚糖、細胞壁上的官能團與重金屬結(jié)合；其次進行的是被動吸附，在細胞表面的重金屬與細胞表面的某些酶結(jié)合轉(zhuǎn)移至細胞內(nèi)。主動吸附速度快、不可逆、不依賴于能量代謝；被動吸附速度慢、不可逆，與細胞代謝有關(guān)。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動吸收。生物吸附法作為一個新工藝不僅可以用于重金屬離子的去除，還可以用于含重金屬離子工業(yè)廢水的解毒等方面，它是一種新穎的廢水處理方法，可高效、廉價地處理大體積低濃度的重金屬離子廢水，有著傳統(tǒng)方法不可比擬的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)處理工藝相比，吸附法處理重金屬廢水的優(yōu)勢如表1所示。

表1 重金屬廢水處理的典型方法對比表

續(xù)表1

2 啤酒酵母在重金屬廢水處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 啤酒酵母對廢水中鎘離子的吸附

重金屬鎘離子是水體、土壤中的一類重要污染物，主要來源于冶金、采礦、電鍍等工業(yè)廢水中，是人體的非必需元素，可在人體內(nèi)長期滯留，抑制人體酶的活性，擾亂生理功能，對人的腎臟、心肺有極大的毒害作用。鄧書平主要研究了pH對啤酒酵母吸附廢水中鎘的影響[4]。實驗發(fā)現(xiàn)，在150 r/min的恒溫搖床上，啤酒酵母對廢水中的鎘振蕩吸附過程受廢水pH影響較大，啤酒酵母在pH=4.5～7時對鎘有較好的吸附效果，以鎘的去除率為考察目標，正交試驗確定的最佳吸附pH是6，此時啤酒酵母的投加量為2.0 g/L。pH對鎘的吸附處理影響最大，主要是由于pH的不同將導(dǎo)致廢水中重金屬離子的存在形態(tài)造成極大的影響，導(dǎo)致重金屬離子的性質(zhì)也發(fā)生極大的變化，一般情況下，當pH較低時，水中的水合氫離子將啤酒酵母表面的官能團包裹[5~6]，使官能團對重金屬離子的吸附能力降低，另一方面，水中較多的水合氫離子與重金屬離子又會存在競爭吸附，占據(jù)啤酒酵母菌上的吸附點位，對重金屬離子的去除起到抑制作用[7~8]。

代淑娟等人則研究了啤酒酵母對廢水中鎘的靜態(tài)吸附效果[9]。在25℃、攪拌速度為1 000 r/min、吸附時間為30 min、靜置時間為240 min的實驗條件下，投加量為40 g/L的水洗廢啤酒酵母可對pH=7、鎘含量為26mg/L的廢水中鎘的去除率最高達96.59%，廢水中剩余Cd2+的濃度為1.495mg/L，經(jīng)過三級處理后廢水中Cd2+可達到排放標準（﹤0.1 mg/L）。李志東等人分別在酸性條件和堿性條件下用啤酒酵母對100mg/L的Cd2+進行吸附[10]，實驗結(jié)果表明：當用堿性溶液預(yù)處理時，其濃度為0.5mol/L時吸附量最大；當用酸性溶液預(yù)處理時，其濃度為1.4mol/L時吸附量最大。用濃度為1.0 g/L的啤酒酵母吸附Cd2+時，吸附基本達到飽和，且pH是影響其吸附性能的主要因素，pH=6時吸附達到最佳效果。

堿沉淀法是重金屬廢水處理的普遍方法，但其處理費用高，產(chǎn)生的固廢多，易造成二次污染，重金屬無法回收[11~12]。在廢水pH較高時，重金屬會發(fā)生堿沉淀，此時對廢水中的重金屬去除可能是因堿沉淀造成。因此在吸附法處理重金屬廢水時應(yīng)該客觀認識吸附劑對重金屬的處理效果，在啤酒酵母對廢水中鎘的去除過程中，廢水pH應(yīng)始終控制在7以下[13~15]，保證重金屬的去除主要由吸附過程完成，此時要實現(xiàn)較高的去除率，必然要通過改善酵母菌的吸附活性、增加啤酒酵母菌中對鎘具有螯合作用的官能團及其活性、設(shè)計改進啤酒酵母比表面積及孔徑，從而實現(xiàn)啤酒酵母對鎘的吸附去除效果。

2.2 啤酒酵母對廢水中銅離子的吸附

銅是人體生長的一種必需微量元素，一旦超標就會發(fā)生銅中毒，損害人的肝腎功能，危害人體健康。目前，水體中過剩的銅離子大多來自冶金、電鍍、石油化工、化學(xué)工業(yè)等部門的排放。常用處理方法有化學(xué)混凝沉淀法、電解法、反滲透法、膜方法和活性炭吸附法等，但都存在著不足。啤酒酵母廢菌是啤酒生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄物，但具有良好的吸附能力，被認為是一種具有極大研究價值的可應(yīng)用于重金屬廢水處理的新型方法。姚樂等人研究了啤酒酵母投加量、吸附時間、銅離子的初始濃度對吸附效果的影響[16]。實驗表明：在pH=5.0、T=25℃、Cu2+的初始濃度為40mg/L、啤酒酵母投加量為2.0 g/L的條件下，吸附時間為75 min時，Cu2+去除率最佳。李志東等人考察了啤酒酵母吸附Cu2+過程中的影響因素，包括pH、反應(yīng)時間、啤酒酵母菌濃度[17]。對25mg/L的含Cu2+廢水進行處理，實驗發(fā)現(xiàn)，在pH=2.5~6.0范圍內(nèi)，啤酒酵母對Cu2+的吸附量受pH影響較大，啤酒酵母的濃度為1.0g/L、反應(yīng)時間為0.5 h時，吸附的適宜pH范圍是3.5～4.5，當pH=4時達到吸附最大值。啤酒酵母的濃度為1.0 g/L、反應(yīng)時間為0.5 h、pH=4、Cu2+質(zhì)量濃度為80mg/L時，啤酒酵母的飽和吸附量最大。

目前啤酒酵母吸附銅離子的研究主要集中在溫度、pH、銅離子的初始濃度、啤酒酵母的投加量等環(huán)境條件上[18~20]，但是，影響啤酒酵母對廢水中銅離子吸附效果的因素除了這些環(huán)境因素外，還有啤酒酵母的顆粒大小、水環(huán)境中共存陽離子含量及種類、水力條件的影響、啤酒酵母菌的結(jié)構(gòu)特征及組分，而目前這些研究尚有待深入[21~22]。比如啤酒酵母菌顆粒大小不僅會對處理效果產(chǎn)生影響，而且會對廢水處理后吸附劑與水的分離產(chǎn)生巨大影響，這方面主要可以從啤酒酵母菌的造粒技術(shù)及固定化技術(shù)方面入手；比如水環(huán)境中共存陽離子與銅離子的競爭吸附性，這會對銅離子的選擇吸附及銅的回收產(chǎn)生影響，可以通過啤酒酵母的改性來提高其對銅離子的吸附選擇；而水力條件主要考察吸附飽和后的啤酒酵母菌在外界水力條件變化時的穩(wěn)定性，這將影響啤酒酵母菌吸附劑的工程化應(yīng)用情況；酵母菌的結(jié)構(gòu)及組分對其吸附性能、吸附穩(wěn)定性、吸附原理、吸附選擇性等方面均會產(chǎn)生極大的影響，因此該方面的研究急需深入。

2.3 啤酒酵母對廢水中鈾離子的吸附

鈾及其化合物是核工業(yè)的重要原料，鈾礦開采以及核能的利用過程是鈾在環(huán)境中富集并產(chǎn)生污染的重要途徑，鈾可以通過生物圈進入食物鏈，再進入人體的肝臟、腎臟和骨骼，以化學(xué)毒性和內(nèi)照射2種形式對人體造成損傷，嚴重傷害人體，甚至引發(fā)惡性腫瘤，導(dǎo)致死亡。因此，對鈾的高效處理已成為研究的重點。

彭國文等人研究了改性啤酒酵母對廢水中鈾離子的吸附效果[23]。啤酒酵母菌的改性方法是：以甲醛為交聯(lián)劑，用海藻酸鈉和明膠固定，將胱氨酸修飾到啤酒酵母菌上。通過恒溫振蕩吸附實驗，發(fā)現(xiàn)影響改性啤酒酵母吸附鈾的主要因素是廢水pH和吸附時間。改性啤酒酵母對鈾的吸附動力學(xué)模型較好地符合了準二級動力學(xué)模型（相關(guān)系數(shù)大于0.99），吸附等溫線符合Langmuir和Freundlich等溫線模型，說明該吸附體系是一個單層覆蓋與多層吸附相結(jié)合的吸附模式。恒溫水浴溫度為30℃、pH=6.0、吸附時間為90min時，改性啤酒酵母對鈾的吸附效果最好。改性后啤酒酵母對鈾的飽和吸附量為未改性的啤酒酵母飽和吸附量的6.5倍，且該反應(yīng)體系是在8 000 r/min條件下離心分離5～10min后測得，說明改性啤酒酵母對鈾的吸附效果抗水力沖刷能力很強，吸附很穩(wěn)定，具有很強的工程應(yīng)用價值。

李顯利等人也對啤酒酵母對鈾的吸附進行了實驗研究[24]。在恒溫振蕩吸附條件下，當鈾質(zhì)量濃度為20mg/L，啤酒酵母菌投加量為4 g/L，反應(yīng)時間為15min，溫度為25℃時，在pH為4～6時，啤酒酵母對鈾具有較好的吸附效果，pH=5時廢水中的鈾去除率最大，為93.3%；改變啤酒酵母的投加量，也會對鈾的去除效果有明顯的影響，當鈾質(zhì)量濃度為20mg/L，反應(yīng)時間為15min，溫度為25℃時，在pH為5的條件下，當酵母菌投加量由0.5 g/L增加到4.0 g/L時，鈾的去除率由21.34%增加到92.44%；在反應(yīng)時間為15min，溫度為25℃，pH為5，酵母菌投加量為4.0 g/L時，酵母菌對含鈾濃度為10mg/L的廢水處理效果最好，廢水中鈾的去除率可達98.6%，這一發(fā)現(xiàn)對低濃度含鈾廢水的處理有積極的意義。夏良樹等人采用啤酒酵母菌—活性污泥曝氣工藝處理含鈾廢水[25]，實驗結(jié)果表明，發(fā)酵工業(yè)的廢菌絲體對廢水中的鈾酰離子具有良好的富集作用，發(fā)現(xiàn)投加10 g/L啤酒酵母菌，處理100mg/L含鈾廢水，鈾酰離子去除率可達78.2%；同時投加8 g/L的活性污泥，使吸附效果顯著提高，去除率上升到96.3%；并且處理后的溶液靜置5～10min，啤酒酵母菌隨污泥自然沉降，出水澄清，不需離心分離。

鈾作為一種天然自放射性元素，在使用吸附法進行處理時，吸附劑的后續(xù)處理及鈾的回收事關(guān)重大，需慎重對待。

2.4 啤酒酵母對廢水中鉛離子的吸附

鉛為非人體必需元素之一，在人體中易生物積累，主要呈現(xiàn)為亞急性中毒、慢性中毒和“三致作用”，兒童和青少年是鉛中毒的敏感人群，易導(dǎo)致智力發(fā)育延遲或抑制。鉛污染主要來源有大氣顆粒污染物、汽車尾氣、礦山的開采與冶煉及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的加工、工藝廢水、管道及容器溶/滲鉛現(xiàn)象等，水體中的鉛不僅會經(jīng)食物鏈，生物積累和生物積聚現(xiàn)象直接或間接危害人體，同時水體中的鉛會抑制水體自凈能力，進一步導(dǎo)致水質(zhì)惡化，危害人體健康和生態(tài)環(huán)境安全。鉛歷來是重點防治的重金屬污染物之一。

李志東等人對啤酒酵母吸附處理廢水中鉛離子的影響因素進行了研究[26]。研究發(fā)現(xiàn)，對50 mg/L的含鉛廢水，在啤酒酵母投加量為1g/L，吸附時間為60min的條件下，啤酒酵母吸附廢水中的鉛適宜的pH在5左右；對25mg/L的含鉛廢水，在啤酒酵母投加量為1 g/L，pH為5時，60min可實現(xiàn)吸附飽和，此時鉛離子去除率最高，之后隨著時間的延長，鉛離子的去除率有所下降。正交實驗發(fā)現(xiàn)，廢水中初始鉛離子濃度對廢水的處理效果影響最大，適合啤酒酵母處理的初始鉛離子濃度在25~80mg/L。劉恒等人以北京啤酒廠酵母菌為吸附劑，深入探討了啤酒酵母對鉛離子的吸附效果[27]。實驗發(fā)現(xiàn)，在對500mg/L的含鉛廢水處理過程中，啤酒酵母對鉛的飽和吸附量可達到107 mg/g，適宜的pH為6，實驗的顯著影響因素是廢水的pH，吸附過程遵循Langmuir等溫線方程，啤酒酵母經(jīng)0.5mol/L的HCl預(yù)處理后，可使啤酒酵母對鉛離子的吸附能力提高27%左右。周東琴等人發(fā)現(xiàn)，啤酒酵母對鉛離子的吸附符合一級動力學(xué)方程[28]。

3 展望

啤酒酵母對重金屬的吸附是典型的生物吸附過程，其吸附效果主要受到啤酒酵母的化學(xué)結(jié)構(gòu)、官能團種類及其活性的影響，因此，啤酒酵母的表面結(jié)構(gòu)及內(nèi)部腔孔結(jié)構(gòu)、孔徑等會對吸附效果產(chǎn)生影響。啤酒酵母主要成分是蛋白質(zhì)、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素，對重金屬離子具有明顯吸附作用的官能團主要有羧基、氨基、羥基。影響吸附活性的環(huán)境因素主要有水體溫度和pH，因此，在實驗設(shè)計和啤酒酵母菌的改性過程中應(yīng)特別注重這些因素。另外，啤酒酵母的改性及多種吸附劑聯(lián)用技術(shù)對廢水中重金屬的去除均有不俗表現(xiàn)，今后可以注重該方向的研究。啤酒酵母是一種性能良好的處理廢水重金屬離子的吸附劑，它是啤酒發(fā)酵過程中的廢棄物，廉價易得，易于提取，并且可對重金屬進行回收利用，是一種具有極大潛力的生物吸附劑。通過對它性能的改良，可以得到更多的高效生物吸附劑，發(fā)展重金屬廢水處理的新興工藝，對環(huán)境的保護具有極大的價值，因此應(yīng)給予更多的關(guān)注。

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