Binding of heavy metals and nitrogenous compounds from wastewaters via biosoprtion

Finnish industries produce large volumes of wastewater containing only ppm amounts of heavy metals. Mining and metal industries produce a lot heavy metal containing wastewater, while forestry and agriculture produce wastewaters containing nitrogenous compounds. Removal of impurities in ppm quantities is either expensive or ineffective with conventional methods. This has led to search for novel technologies. Removal of these low quantity impurities might be more cost-effective via biosorption. Aim of this research was to study domestically produced residual microbe biomasses as biosorbents for industrial wastewater treatment. Focus was on the recovery of toxic metals via non-viable biomasses, but removal of nitrogenous compounds via other biopolymers was also studied. Study aimed to find out the advantages from utilization of biosorption in industrial perspective. Information was collected from previous studies, public documents and interviews from biotechnological industry, which were used as basis for a literature review. There are large amounts of heavy metal and nitrogen containing wastewaters produced in Finland. Biosorption could be utilized in their treatment. Biosorption is based on surface chemical reaction, adsorption. Thus substances such as peptidoglycan, celluloses, chitin, proteins and lipids present in the biomass cell walls were on the main focus of this study. According to previous studies phenomena such as chelation, coordination/complexation, ion-exchange, electronic attraction and possible metal speciation are involved in the adsorption. Sorption isotherms are used to define the distribution of net surface charge of biomasses. To increase the efficiency of biosorption homogenic distribution of sorbent is important. Cost-efficient biosorption process should possess at least following traits. (1) Low-cost feedstock such as residual microbial waste stream. (2) Low-cost pretreatment, which includes drying, crushing and sieving, and optional chemical treatment. (3) Immobilization method, which promotes adsorption. (4) pH and temperature optimized for respective metal species. (5) Flow-rate, which allows maximum biosorption. (6) Adsorbent-adsorbate ratio, which allows maximum biosorption. (7) As many efficient adsorption-desorption cycles as possible to cover costs of pretreatment and immobilization. According to his study the largest effect on the biosorption process comes from the protonation state and structure of microbial cell wall, followed by process conditions. Therefore pretreatment methods have gained a lot of attention in conducted biosorption studies. This study focused on microbial species that are used in Finnish industry. All of the studied species presented good biosorption capacities for Pb and Cd and clearly lower capacities for Ni and Zn. Each species could provide a low-cost biosorbent feedstock for Pb and Cd removal from industrial wastewaters present at least in the Southern Finland, if immobilization and pretreatment can be achieved cost-effectively. S. cerevisiae is the most attractive candidate due to its good adsorption capacities for Pb, Cd, and Ni and large quantity of produced waste biomass.Teollisuudessa syntyy paljon pieniä määriä epäpuhtauksia sisältäviä jätevesiä, joiden puhdistaminen nykymenetelmiin verrattuna voisi olla kannattavampaa. Kaivos- ja metalliteollisuus synnyttävät paljon raskasmetallipitoista sekä metsäteollisuus ja maatalous typpi- ja fosforipitoista jätevettä. Epäpuhtauksien poistaminen vain pieniä pitoisuuksia sisältävistä vedestä on perinteisin menetelmin joko kallista tai epätarkkaa. Tästä syystä uusia mahdollisuuksia tutkitaan jatkuvasti. Biosorption avulla pienten epäpuhtauspitoisuuksien poiston kustannustehokkuutta voitaisiin mahdollisesti parantaa. Työn tavoite oli tutkia Suomessa tuotettujen sivuvirta- ja jätemikrobibiomassojen käyttömahdollisuuksia kotimaisen teollisuuden jätevesien käsittelyssä biosorption avulla. Tutkimuksessa keskityttiin erityisesti raskasmetallien talteenottoon inaktivoiduilla mikrobisolumassoilla, mutta sivuttiin myös nitraattien poistoa muiden biopolymeerien avulla. Työssä pyrittiin selvittämään, miten teollisuus suhtautuu omien sivuvirtojensa käyttöön biosorptiossa. Työssä käytettiin aineistona aiempia tutkimuksia, julkisia aineistoja sekä kotimaassa toimivien yritysten haastatteluita, joiden pohjalta tehtiin kirjallisuusselvitys. Suomessa tuotetaan suuria määriä raskasmetalli- ja typpipitoista jätevettä, jonka puhdistamisessa biosorptiota voitaisiin hyödyntää. Biosorptio perustuu pintakemialliseen reaktioon, adsorptioon. Tästä syystä biomassojen soluseinämillä esiintyvät yhdisteet, kuten peptidoglykaani, selluloosat, kitiini, proteiinit ja rasvahapot olivat tutkimuksessa suuressa osassa. Selvityksen perusteella adsorptioreaktioon liittyviä ilmiöitä ovat kelaatio, koordinaatio/kompleksaatio, ioninvaihto, sähköinen vuorovaikutus ja mahdollisesti metallilajien muodonmuutos olosuhteista riippuen. Tunnettujen adsorptioisotermien perusteella voidaan puolestaan määritellä biomassojen pintavarauksen jakautuminen. Homogeeninen jakautuminen on tärkeää biosorptiotehokkuuden parantamiseksi. Biosorptioon huomattiin eniten vaikuttavan soluseinämällä sijaitsevien funktionaalisten ryhmien protonaatio ja soluseinämän rakenne, joita seurasivat prosessiolosuhteet. Tästä syystä biosorptioon liittyvät tutkimukset ovat panostaneet selkeästi esikäsittelyyn ja sen vaikutuksiin. Tulosten perusteella kustannustehokkaan biosorptioprosessin tulisi sisältää ainakin seuraavat piirteet: (1) Edullinen adsorbentti, kuten sivuvirta teollisuusprosessista. (2) Edullinen esikäsittely, joka sisältää vähintään kuivauksen, jauhamisen ja seulonnan sekä tarvittaessa kemiallisen esikäsittelyn. (3) Adsorptiotehokkuutta parantava immobilisaatiomenetelmä. (4) Lämpötilan ja pH:n optimointi sidottavan metallilajin perusteella. (5) Prosessitehokkuuden maksimointi jäteveden virtausnopeutta säätämällä. (6) Solumassa-metallisuhteen optimointi prosessitehokkuuden maksimoimiseksi. (7) Mahdollisimman monta tehokasta adsorptio-desorptiosykliä, joilla voidaan kompensoida esikäsittelystä ja immobilisaatiosta aiheutuvia kuluja. Tässä työssä keskityttiin mikrolajeihin, joita käytetään Suomen teollisuudessa. Näistä lajeista kaikki sitoivat paremmalla tehokkuudella lyijyä ja kadmiumia kuin nikkeliä ja sinkkiä. Tulosten perusteella kukin lajeista voisi olla edullinen sitoja biosorptionsovellutuksiin ainakin Etelä-Suomen alueella, mikäli esikäsittely ja solumassan kiinnittäminen alustaansa kyetään toteuttamaan kustannustehokkaasti. S. cerevisiae olisi tutkimuksen mukaan kiinnostavin vaihtoehto biosorptiosovellukselle sen tehokkaiden lyijyn, kadmiumin ja nikkelin adsorptio-ominaisuuksien ja potentiaalisen biomassan suuren määrän vuoksi