способ биосорбционной очистки воды от ионов тяжелых металлов с помощью дрожжей saccharomyces cerevisiae

Формула изобретения

Способ биосорбционной очистки воды от ионов тяжелых металлов с помощью дрожжей Saccharomyces cerevisiae, предусматривающий внесение в сточную воду биомассы дрожжей в виде отходов пивоваренных производств, содержащих ассоциацию дрожжей различных штаммов Saccharomyces cerevisia с жизнеспособностью 90-95% в количестве 10 г/дм³ сточной воды, перемешивание биомассы дрожжей со сточной водой с получением суспензии, выдерживание полученной суспензии в течение 8 ч при температуре от 10°С до 29°С и рН раствора 5,5-8,0 с дальнейшей утилизацией отработанных дрожжей, содержащей тяжелые металлы, путем обработки их известью Са(ОН) ₂, при соотношении биомасса дрожжей:известь, равном 1:5-8, с получением смеси, при этом утилизируемую смесь подвергают влажной обработке при температуре 90°С в течение одного часа с последующей изоляцией полученной смеси, содержащей тяжелые металлы, в бетонной смеси.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к очистке промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов и может быть использовано при биологической очистке сточных вод гальванических цехов машиностроительных предприятий, металлургических предприятий и предприятий с термическим производством от солей тяжелых металлов.

Способ заключается в использовании биомассы живых пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae в концентрации 10 г/дм³ для сорбции тяжелых металлов. Удаление тяжелых металлов из сточных вод является одной из основных экологических проблем. В последние годы она была решена с использованием микроорганизмов в качестве средства для извлечения ионов тяжелых металлов. В этой связи изучали кинетику роста и сорбции Cu²⁺ на четырех культурах: Aspergillus niger, Phanerochaete chrysosporium, Saccharomycopsis lypolytica и Saccharomyces cerevisae. Лучше сорбционные свойства наблюдались у дрожжей S.cerevisiae и грибов Ph.chrysosporium. Было детально изучено влияние концентрации Cu²⁺ на сорбционные способности и рост этих штаммов. Было установлено, что прирост биомассы уменьшается с увеличением концентрации Cu²⁺. Ионы меди с концентрацией 50 мг/л оказывают слабое ингибирующее действие, а при концентрациях более 250 мг/л период адаптации клеток был больше, а их рост замедлялся.

Процесс сорбции Cu²⁺ у этих двух исследуемых штаммов оказался быстрым. До 75% Cu²⁺ было поглощено в течение первых 6 часов.

Были рассчитаны адсорбционные возможности двух сорбентов. Большей сорбционной емкостью обладает S.cerevisiae (3,5 мг/г), чем Ph.chrysosporium (2,5 мг/г).

Известен «Способ биологической очистки жидкостей от радионуклидов и тяжелых металлов и штамм гриба RHIZOPUS ARRHIIIRUS BKMF-592, используемый для получения биомассы, извлекающей радионуклиды и тяжелые металлы из жидкостей», включающий обработку жидкостей сорбентом в виде биомассы грибов вида Phizopus arrhirus, относящихся к штамму гриба RHIZOPUS ARRHIIIRUS BKMF-592.

Патент РФ на изобретение № 2024080, МПК: C02F 3/34, д. публ. 1994.11.30. Известен «Способ биосорбционной очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов», предусматривающий подготовку питательной среды, культивирование микроорганизмов, внесение микроорганизмов в сточную воду, перемешивание, седиментацию, при этом питательная среда содержит крахмал, соевую муку, измельченное перо, сульфат цинка, сульфат железа, карбонат кальция, гидроортофосфат калия и воду при следующем соотношении компонентов, масс.%:

крахмал	5,0	соевую муку	0,5
измельченное перо	1,0	сульфат цинка	0,02
сульфат железа	0,01	карбонат кальция	0,4
гидроортофосфат калия	0,08	вода	остальное

Патент РФ на изобретение № 2312073, МПК: C02F 3/34, д. публ. 2007.12.10.

Недостатком этих способов является использование мутантных штаммов, которые требуют сложной технологии выращивания на дорогих питательных средах, сложной предварительной подготовки самой биомассы, корректировки сточных вод в процессе сорбции. Необходимая эффективность очистки воды достигалась лишь при низких концентрациях тяжелых металлов, не характерных для сточных вод гальванических цехов. Кроме того, перечисленные способы основаны не на сорбции тяжелых металлов, а на флокуляции.

Наиболее близким аналогом к способу в предложенном в качестве изобретения техническом решении является «Способ биосорбции тяжелых металлов из водных растворов», включающий подготовку питательной среды, культивирование микроорганизмов, внесение в питательную среду микроорганизмов воды с образованием водного раствора. При этом в качестве сорбента используют штаммы Aspergillus niger, Phanerochaete chrysosporium, Saccharomycopsis lypolytica и Saccharomyces cerevisae. Существенным недостатком этого способа является то, что сорбция тяжелых металлов осуществлялась не из сточной воды, а из питательной среды, содержащей большое количество углеводов (от 20 г/л) и других питательных веществ. В такой среде микробные клетки находятся в стадии экспоненциального (ускоренного) роста, что снижает их сорбционную способность и определяет невысокую эффективность извлечения ионов тяжелых металлов. [Mihova St., Godjevargova T. Biosorption of heavy metals from aqueous solutions, 2000, 4]

Техническим результатом способа является повышение эффективности очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов путем использования биомассы живых остаточных дрожжей отходов пивоваренных производств, содержащих ассоциацию микроорганизмов в виде различных штаммов Saccharomyces cerevisiae, с жизнеспособностью 90-95. Кроме того способ позволяет добиться интенсификации процесса очистки и повысить его рентабельность.

Технический результат достигается тем, что «СПОСОБ БИОСОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ С ПОМОЩЬЮ ДРОЖЖЕЙ «Saccharomyces cerevisiae» предусматривает внесение в сточную воду биомассы дрожжей в виде отходов пивоваренных производств. Отходы пивоваренных производств содержат ассоциацию дрожжей различных штаммов Saccharomyces cerevisiae с жизнеспособностью 90-95%, в количестве 10 г/дм³ сточной воды. Затем осуществляют перемешивание биомассы дрожжей со сточной водой с получением суспензии. Выдерживают полученную суспензию в течение 8 часов при температуре от 10°С до 29°С и pH раствора 5,5-8,0. Последовательно осуществляют дальнейшую утилизацию отработанных дрожжей, содержащих тяжелые металлы, путем обработки их известью Са(ОН)₂, при соотношении биомасса дрожжей: известь, равном 1:5-8. с получением смеси. При этом утилизируемую смесь подвергают влажной обработке при температуре 90°С в течение одного часа, с последующим изоляцией полученной смеси, содержащей тяжелые металлы, в бетонной смеси.

Данный продукт после обработки известью может быть использован как белковый пластификатор для бетонных смесей, применяемых в строительстве.

Примеры конкретного выполнения способа.

В качестве биосорбента использовали три штамма пивоваренной дрожжевой культуры (Saccharomyces cerevisiae).

Дрожжи пивоваренные Saccharomyces cerevisiae штамм SC1;

Дрожжи пивоваренные Saccharomyces cerevisiae штамм SC2;

Дрожжи пивоваренные Saccharomyces cerevisiae штамм SC3;

Сухие дрожжи (продукт сушки SC1, SC2, SC3 штаммов).

Хитин-глюкановый комплекс, полученный из дрожжей (продукт переработки SC1, SC2, SC3).

Выбор этих культур дрожжей в качестве биосорбентов обоснован их физическими и биохимическими особенностями, влияющих на биосорбционнные возможности (Каравайко Г.И. 1989, 1996; Кульский Л.А. 1986). Основным достоинством выбранных культур дрожжей является то, что они используют широкий спектр механизмов детоксикации тяжелых металлов: образование специализированных белков (металлотионеин-подобные белки), низкомолекулярных пептидов (глутатион), фитохелатинов, образование внутриклеточных соединений, клеточная оболочка (имеющая в своем составе пептидогликан и хитин-глюкановый комплекс) (Han RP., 2000; Omar N.B., 1996; Simmons P., 1995; Karamushka I., 1996; Coblenz A., 1994; Ferreira A.M., 1993). В процессе детоксикации происходит связывание тяжелых металлов посредством биосорбции и биоаккумуляции с последующим образованием малотоксичных соединений.

Данный процесс сорбции тяжелых металлов обладает динамичностью за счет образования различных веществ, участвующих в метаболизме детоксикации. К числу таких веществ относятся глутатион, металлотионеины, фитохелатины и ряд промежуточных соединений. Эти вещества выступают как звенья одной цепи, приводящей к связыванию тяжелых металлов внутри клеток. Кроме того, ассоциативные отношения внутри биомассы дрожжей позволяют им выживать (выживаемость не менее 70%) при высоких концентрациях тяжелых металлов: цинка до 1600 мг/дм³, меди - до 300 мг/дм³, никеля - до 3600 мг/дм³. При этом дрожжи можно использовать без дополнительного выращивания на питательных средах для очистки сточных вод от тяжелых металлов. Выбранные культуры дрожжей легко культивируются.

Выбранные для исследований тяжелые металлы (цинк, никель и медь) являются основными загрязнителями в сточных водах гальванических цехов. Для оценки выживаемости дрожжевой культуры использовали количественный микроскопический метод дифференцированного окрашивания водным раствором метиленового синего в камере Горяева.

Значение эффективности сорбции биосорбентов на основе дрожжей рассчитывали по формуле:

где Е - значение эффективности;

C_k (мг/дм³) - конечная концентрация металла в среде по окончании эксперимента;

C_n (мг/дм³) - начальная концентрация металла в растворе до эксперимента.

Для оценки содержания тяжелых металлов в модельных растворах и сточных водах использовали метод атомно-абсорбционной спектроскопии.

Математико-статистическую обработку экспериментальных данных проводили методом малых выборок по Стьюденту. Вычисление значений среднего арифметического (x), среднего квадратичного отклонения ( ), коэффициента корреляции (r) рассчитывали по формуле:

где r - коэффициент корреляции;

x и y - средние выборочные значения сравниваемых величин;

x_i и y_i - частные выборочные значения сравниваемых величин;

n - общее число величин в сравниваемых рядах показателей;

и - дисперсии, отклонения сравниваемых величин от средних величин.

Каждый эксперимент проводился в 10-15-ти кратной повторности.

Математические расчеты и построение графиков осуществляли на персональном компьютере с помощью лицензионных программных пакетов MS Excel 2003 и Minitab 14.0.

Эффективность очистки воды от тяжелых металлов заявленным способом поясняется примерами, сведенными в таблицы.

Пример 1.

Наименование металлов	Количество, мг/дм3	Содержание биомассы дрожжей, г/дм3	Эффективность очистки сорбции, %
Цинк	20,0	10,0	98,1
Никель	100,0	10,0	75,5
Медь	40,0	10,0	75,0

Пример 2.

Наименование металлов	Количество, мг/дм3	Содержание биомассы дрожжей, г/дм 3	Эффективность сорбции, %
			pH 5,5	pH 8,0
Цинк	20,0	10,0	98,3	86,8
Никель	100,0	10,0	84,9	75,5
Медь	40,0	10,0	78,3	80,0

Пример 3.

Наименование металлов	Количество, мг/дм3	Содержание биомассы дрожжей, г/дм 3	Эффективность сорбции, %
			10°С	20°С	29°С
Цинк	20,0	10,0	97,7	96,1	96,2
Никель	100,0	10,0	71,7	75,5	77,4
Медь	40,0	10,0	70,0	73,3	76,7

Наибольшие значения эффективности сорбции (от 88,7% до 99,6%) тяжелых металлов из сточных вод наблюдаются в течение 24 часов при pH от 5 до 8 и содержании биомассы ассоциации дрожжевых культур Saccharomyces cerevisiae 10 г/дм³.

Применение данного изобретения позволит повысить эффективность очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, кроме того, добиться интенсификации процесса очистки и повысить его рентабельность.