CN102127638B - 一种稳定输出Fe3+的生物反应装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种稳定输出Fe³⁺的生物反应装置和方法，主要涉及一种和化学反应相兼容的连续催化Fe²⁺生成Fe³⁺，并稳定输出Fe³⁺的生物反应装置和方法。催化Fe²⁺生成Fe³⁺的反应步骤在工业生产中有极大的应用潜力。该装置与方法以固定床反应器作为主体，催化床设计成可方便移动装卸的填充盒，在此基础上，增加外循环通道，外循环以泵为循环动力。使Fe³⁺得到更加高效稳定的输出，可在环保、物冶金及其它领域广泛应用。

Description

一种稳定输出Fe3+的生物反应装置和方法

技术领域

本发明涉及一种稳定输出Fe³⁺的生物反应装置和方法，具体说是一种用于催化Fe²⁺生成Fe³⁺，并稳定输出Fe³⁺的生物反应装置和方法，这种装置能与消耗Fe³⁺的化学反应兼容，属于环保技术领域。

技术背景

近几年来，氧化亚铁硫杆菌等微生物在硫化氢和二氧化硫的治理、金属矿石的浸出等工业都有广泛的应用。例如在硫化氢处理过程中，这些微生物就发挥了重要的作用：

2FeSO₄+1/2O₂+H₂SO₄→Fe₂(SO₄)₃+H₂O      生物反应系统(需要微生物参与)①

H₂S+Fe₂(SO₄)₃→Fe₂(SO₄)₃+H₂SO₄+S↓     化学反应系统                ②

生物反应系统性能的优劣、系统内嗜酸性微生物的生长状况直接影响到嗜酸性微生物转变Fe²⁺为Fe³⁺的能力，进而对实际应用效果产生极大影响。为了构建相对稳定的生物反应装置，Ebrahimi等^[1]采用内循环式流化床，以反应过程中形成的黄铁矾沉淀为载体形成生物膜颗粒，从而构筑了一种高效的生物反应装置。意大利学者Mazuelos等^[2]在大量实验的基础上提出了一种高效的Fe²⁺氧化固定床反应装置，该反应装置有利于气液传质，一定程度上避免生物颗粒的过度挤压，提高了反应效率。但至目前为止，包括上述研究的大多数学者都是相对孤立的针对微生物或生物反应装置进行研究，如何从整体出发，建立更为实用的化学反应系统-生物反应系统兼容的反应装置却未有报道，例如怎么采用更系统完善的生物反应系统装置，以便为细胞反应提供更好的条件；怎么更为方便反应器内部的固定化细胞的装卸；特别是在实际应用当中，输送到生物反应器内部以亚铁离子为代表的溶液离子浓度有极大的不稳定性，在这种情形下，如何更稳定地输出Fe³⁺；另外，在处理硫化氢时，当硫化氢浓度不稳定的情况下，生物反应装置又如何与之适应，也就是说如何更好的实现化学反应与生物反应的兼容和统一，是目前急需解决的难题，这就需要采用更为具体可行的反应装置和方法来实现。

参考文献

1、Ebrahimi S.High-Rate Acidophilic Ferrous Iron Oxidation in a BiofilmAirlift Reactor and the Role of the Carrier Material.Biotechnology and bioengineering，2005，90：462-472.

2、Mazuelos A，Carranza F，Palencia I，et al.High efficiency reactor forthe biooxidation of ferrous iron.Hydrometallurgy，2000，58：269-275.

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题，提出一种可与化学反应更好兼容统一、方便高效的、稳定输出Fe³⁺的生物反应实验装置系统。为了达到这个目的，本发明采用的技术方案为：

一种稳定输出Fe³⁺的生物反应装置和方法，装置包括固定床反应器、可拆卸反应盒、把手、固定螺栓、出气口、进料口、进气口、循环泵、回流输液管道、缓冲储液罐、出液口(具体细节见说明书附图1)。固定床反应器为立方体结构，共分多层，每层为可拆卸反应盒(说明书附图2)，可用螺栓固定于反应器主体，两者间用橡胶垫密封。盒间距为盒高的1/3-1/6，一定的盒间距可保证反映其内部填料的均一性，气体和料液从罐底通入，装置内是适合微生物生长的反应液，反应液初始pH1.0-2.5，含有1-30g/L的Fe²⁺离子，操作温度设定在5-75℃，并以稀释率0.1-2/h的速度在生物反应器内循环。盒内装载固定化微生物或吸附微生物的填料，也可空载，使整个反应器培养悬浮细胞，微生物可以是氧化亚铁硫杆菌、氧化亚铁钩端螺旋菌等能使催化剂Fe²⁺转变为Fe³⁺的某一微生物或者多种微生物群体。在主体外部增设缓冲储液罐和外循环管道，并从缓冲储液罐输出Fe³⁺实现和化学反应部分连接，缓冲储液罐中有效Fe³⁺浓度可由外循环调节控制。当缓冲储液罐中生成的Fe³⁺占总铁离子的90％以下时，可开通反应装置的外循环，并通过该循环泵来控制外循环的循环流量。外循环流速要根据未反应完的Fe³⁺的多少而正比例调整，实现对Fe²⁺连续催化生成并稳定输出Fe³⁺。

本发明的有益效果如下：

1、反应器主体采用立方体固定床反应器，催化床层设计成可有一定间距的方便拆卸反应盒，方便装卸固定化细胞或填料，保证内部填料的均一性。

2、回流反应的液体由生物反应器的底部流入生物反应器，其中的Fe²⁺经过微生物的作用大多数转变为Fe³⁺后，再由生物反应器上部溢出。

3、设置了外循环通道，具有更广的适应性和优良的灵活性。当生物反应器内大量的Fe²⁺未能来得及反应时，开通外循环，或者加速外循环可更有效地产生Fe³⁺，从而为后续反应稳定输出Fe³⁺。

4、更好的实现化学反应与生物反应的兼容和统一，能耗低，结构简单，操作维修方便，无二次污染物产生。

附图说明

附图1是本发明的主体结构示意图。固定床反应器(1)、可拆卸反应盒(2)、把手(3)、固定螺栓(4)、出气口(5)、进料口(6)、进气口(7)、循环泵(8)、回流输液管道(9)、缓冲储液罐(10)、出液口(11)。

附图2是可拆卸反应盒俯视图。把手(1)、外板(2)、反应盒壁板(3)、筛孔(4)、密封垫(5)，固定螺母(6)。

实施例一

该发明主体是立方形固定床反应器(附图1)，立方形固定床生物反应器底部边长38cm、高200cm，设置5层反应盒，每层为可拆卸反应盒(附图2)，在整个反应过程中，反应盒内装载的是经活化培养后的固定化氧化亚铁钩端螺旋菌(Leptospirillum ferrooxidans)颗粒或吸附填料，反应盒用螺栓固定于反应器主体，两者间用橡胶垫密封。盒间距为盒高的1/4，保证反映其内部填料的均一性。料液和空气从罐底通入，为了防止因通入的空气而造成的循环液的蒸发，通入的空气分别经过增湿处理。在反应器主体外部增设缓冲储液罐和外循环管道，以循环泵为动力，并通过该循环泵来控制外循环的循环流量。循环液相由保证细菌生长的9K培养液(反应液)组成，反应液初始pH1.0，含有1g/L的Fe²⁺离子，操作温度设定在35℃，并以稀释率0.1/h的速度在生物反应器内循环，循环液经生物反应器后，溶液中的Fe²⁺转变为Fe³⁺，并流入缓冲储液罐，再从中为后续反应输出Fe³⁺。如果此时，缓冲储液罐中Fe³⁺不足，即低于总铁离子含量的90％时，开通外循环通道，或者加速其循环速度，从而充分利用生物反应催化生成Fe³⁺，当缓冲储液罐中Fe³⁺浓度偏高时，降低循环速度或者关闭，保证缓冲储液罐中Fe³⁺浓度的满足后续反应的需要、持续稳定的输出Fe³⁺，从而实现化学吸收和生物反应的协调统一，使两步反应形成有机的整体。

实施例二

该发明主体是立方形固定床反应器(附图1)，立方形固定床生物反应器底部边长38cm、高200cm，设置5层反应盒，每层为可拆卸反应盒(附图2)，在整个反应过程中，反应盒内装载的是固定化微生物为氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferroxidans)，反应液为9K培养液，菌的活力可通过分析其对亚铁离子的氧化速率判断，重铬酸钾滴定法检测系统内Fe²⁺离子浓度，使其维持在1 8g/L，初始pH1.8，温度保持在30℃、通气量20kgO₂/m³d、水力停留时间(生物反应器)1h，在以上条件下连续操作，可连续催化输出Fe³⁺离子 180mol/d(以生物反应器容积计算)，输出Fe³⁺离子溶液直接输送到实验室铜、金、镍等贵重金属硫化矿石浸出柱中，实现铜、金、镍的浸出。

实施例三

在处理含硫化氢的沼气和其他气体时时，以总体积1m³的5层立方形固定床反应器作为主体(附图1)，设置5层反应盒，每层为可拆卸反应盒(附图2)，反应器内循环液相由细菌生长的9K培养液组成，培养液中的Fe²⁺浓度在30g/L，反应液初始pH2.5，操作温度设定在20℃，并以稀释率2/h的速度在生物反应器内循环，接种氧化亚铁钩端螺旋菌(Leptospirillum ferrooxidans)使整个反应器培养悬浮细胞，菌的活力可通过分析其对亚铁离子的氧化速率判断，重铬酸钾滴定法检测系统内Fe²⁺离子浓度的变化，反应系统的外循环以循环泵为动力，并通过该循环泵来控制外循环的循环流量。循环管道中设置有缓冲储液罐，并从缓冲储液罐输出Fe³⁺实现和用于沼气处理的化学反应部分连接，缓冲储液罐中有效Fe³⁺浓度低于90％时，由外循环调节控制，外循环流速要根据生物反应器中未反应完的作用剂量的多少而调整。输出Fe³⁺离子处理含硫化氢5000ppm的沼气，处理效率可以99％以上。

Claims (1)

1.一种稳定输出Fe³⁺ 的生物反应装置，所述装置包括进气口、出气口、进料口、出液口，固定床反应器、可拆卸反应盒、把手、固定螺栓、循环泵、回流输液管道、外循环管道、缓冲储液罐；其中，可拆卸反应盒用螺栓固定于固定床反应器上，把手固定在可拆卸反应盒上；缓冲储液罐通过外循环管道连接固定床反应器外部上端，循环泵通过外循环管道连接固定床反应器外部下端，缓冲储液罐与循环泵通过外循环管道连接；进气口设置在固定床反应器的下方，出气口设置在固定床反应器的上方，进料口设置在固定床反应器的左下方，回流输液管道设置在固定床反应器下方，出液口连接缓冲储液罐；装置内装载反应液和微生物，实现对Fe²⁺ 连续催化生成并稳定输出Fe³⁺，其特征在于：固定床反应器为多层立方形。

2. 根据权利要求1所述的一种稳定输出Fe³⁺ 的生物反应装置，其特征是可拆卸反应盒之间用橡胶垫密封，盒间距为盒高的1/3-1/6。

3. 根据权利要求1 所述的一种稳定输出Fe³⁺ 的生物反应装置，其特征是反应系统中有外循环，外循环管道中设置有缓冲储液罐，并从缓冲储液罐输出Fe³⁺，实现和化学反应部分连接，缓冲储液罐中有效Fe³⁺ 浓度由外循环调节控制。

4. 根据权利要求1所述的一种稳定输出Fe³⁺ 的生物反应装置，其特征是装置内是适合微生物生长的反应液，盒内装载固定化微生物或吸附有微生物的填料，使整个反应器培养悬浮细胞。

5. 根据权利要求1至4任意一项所述的一种稳定输出Fe³⁺ 的生物反应装置，其特征是所使用的微生物是能使催化剂Fe²⁺转变为Fe³⁺的某一微生物或者多种微生物群体。

6. 根据权利要求5所述的一种稳定输出Fe³⁺ 的生物反应装置，其特征是所使用的微生物是氧化亚铁硫杆菌、氧化亚铁钩端螺旋菌。

7. 根据权利要求1至4任意一项所述的一种稳定输出Fe³⁺ 的生物反应装置，其特征是反应液初始pH 1.0-2.5，含有1-30g/L 的Fe²⁺ 离子。

8. 根据权利要求1至4任意一项所述的一种稳定输出Fe³⁺ 的生物反应装置，其特征是生物反应装置内反应液的操作温度设定在20-35℃，并以稀释率0.1-2/h 的速度循环。

9. 根据权利要求1至3任意一项所述的一种稳定输出Fe³⁺ 的生物反应装置，当缓冲储液罐中生成的Fe³⁺ 占总铁离子的90％以下时，开通反应装置的外循环，并通过该循环泵来控制外循环的循环流量，外循环流速要根据未反应完的Fe³⁺ 的多少而正比例调整。