CN103304034B - 一种净化水体重金属污染的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种净化水体重金属污染的方法，包括以下步骤：（1）将四尾栅藻放于培养液中，并在培养液中放置挂膜载体，于温度20～25℃、光暗比12h:12h的条件下培养，形成基本完全覆盖挂膜载体的四尾栅藻生物膜；(2)将含重金属的废水与所述四尾栅藻生物膜接触，充分反应。本发明还公开了一种净化水体重金属污染的装置，包括壳体、位于壳体内部的四尾栅藻藻柱及用于给所述四尾栅藻藻柱供氧的供氧设备。本发明公开的净化水体重金属污染的方法及装置利用藻种易获得的四尾栅藻培养得到生物膜，并利用四尾栅藻生物膜对含重金属的废水进行吸附处理，生物膜比表面积大，对重金属吸附率高，可有效净化水体重金属污染。
Description
技术领域
本发明涉及重金属去除技术领域，尤其涉及一种净化水体重金属污染的方法及装置。
背景技术
水体重金属污染一直是当前亟待解决的主要水环境问题之一，其在环境中毒性及迁移性等特点也增加了水体重金属净化的难度。同时由于重金属不可降解，能在水体动、植物体内富集，并通过食物链等途径危害人体健康，使得如何高效控制水体重金属污染成为亟待突破的水处理课题。
目前用于净化水体重金属污染的技术主要包括物理、化学和生物处理方法三类。
物理和化学治理主要有凝聚-絮凝法、活性炭吸附工艺、浮选法、螯合树脂法、化学沉淀、膜分离法、离子交换法、电去离子技术等。如授权公告号为CN102001779B的专利文献公开了一种电絮凝-活性炭吸附法处理含重金属电镀废水的方法，其使废水首先进入电絮凝单元，利用电絮凝-电气浮作用去除大量重金属离子，然后静沉以使大量絮体气浮或沉淀，排出中间的废水进入活性炭处理单元，利用吸附作用去除残留重金属。这些方法虽然处理效率高、周期短，但成本较高，有些可能还会造成二次污染。
生物治理主要包括人工湿地、生物氧化塘及微生物、基因工程技术等。如申请公布号为CN1022994411A的专利文献公开了一种可处理废水中重金属污染的微生物及吸附剂的应用，从超积累植物龙葵内分离出具有Cd、Cu、Pb抗性的内生菌LK9，将其扩大培养收集后制备成粉末吸附剂；处理重金属污染废水时，将所述吸附剂投加到废水中，吸附一定时间后离心沉淀或过滤分离吸附剂，可有效去除Cd2+、Cu2+、Pb2+等重金属离子。生物治理具有有效、低廉且简便易行等特点，但缺乏广泛应用的普适性，且构建稳定的生态恢复系统周期较长，不能及时的净化水体重金属污染。
因此，从经济成本及资源化等角度出发，探索经济高效无害化的水体重金属净化方法及装置是当前水体重金属污染治理的难点。
发明内容
本发明提供了一种净化水体重金属污染的方法及装置，可有效去除水体中的重金属污染。
一种净化水体重金属污染的方法，包括以下步骤：
(1)将四尾栅藻放于培养液中培养，并在培养液中放置挂膜载体，形成覆盖挂膜载体的四尾栅藻生物膜；
(2)将含重金属的废水与所述四尾栅藻生物膜接触，重金属被四尾栅藻生物膜吸附。
本发明将四尾栅藻培养形成对重金属吸附性能高的四尾栅藻生物膜，再将含重金属的废水与生物膜接触，利用生物膜中的四尾栅藻对废水中的重金属进行吸附，可有效去除废水中的重金属。
为了使四尾栅藻培养形成生物膜，优选的，所述的四尾栅藻于温度20～25℃、光暗比12h:12h的条件下，培养3～5天，在进行四尾栅藻培养时，可进行适当的通风，以保证其生长所需的氧气。
优选的，采用BG11液体培养基培养所述的四尾栅藻，BG11液体培养基可使四尾栅藻快速生长，保持良好的吸附性能。
优选的，含重金属的废水与生物膜的接触时间为0.5～24h，以确保废水中的重金属被生物膜充分吸附。
本发明还提供了一种净化水体重金属污染的装置，包括壳体、位于壳体内部的四尾栅藻藻柱及用于给所述四尾栅藻藻柱供氧的供氧设备。
该装置通过四尾栅藻藻柱对废水中的重金属进行吸附净化，并利用供氧设备对四尾栅藻藻柱进行供氧，确保其良好的生长状态，可有效净化废水中的重金属，供氧设备可选择鼓风机或微孔曝气头。
优选的，所述的四尾栅藻藻柱包括多层碳纤维滤网，每层碳纤维滤网上均生长有四尾栅藻生物膜。四尾栅藻可在碳纤维滤网上生长形成比表面积大的生物膜，并且通过设置多层碳纤维滤网可实现对废水中重金属的多层吸附，进而达到对废水中重金属的有效净化。该四尾栅藻藻柱价格低廉、构造简单，便于操作和管理。
优选的，所述的壳体设有进水口与出水口，所述进水口的前端设有流量计，流量计控制废水的流量为20～25ml/min。通过流量计控制废水的进水流量，以保证废水与四尾栅藻藻柱充分接触，实现重金属的有效吸附净化。
优选的，所述的出水口为多个，沿壳体高度方向分布。这样可以采取壳体不同高度的废水水样，从而可对其重金属含量进行测定，以监测本发明装置对重金属的净化效果。
优选的，所述的壳体顶部设有放空阀，用以保证装置内的压力平衡；所述的壳体底部设有筛板，筛板可保证鼓风机对藻柱均匀曝气。
为了保证四尾栅藻藻柱对废水重金属的充分吸附，优选的，所述的四尾栅藻藻柱直径为6～7cm，高度为35～40cm，该尺寸范围内的四尾栅藻藻柱可布置多层碳纤维滤网，多层碳纤维滤网的布置间隔为藻柱高度的1/7～1/9，可提高四尾栅藻生物膜的负载率，进而提高其与重金属废水的接触面积，提高对重金属的去除率。进一步优选的，所述的壳体体积为900～1200ml，可减小其占地面积，降低成本，便于大规模推广使用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提供了一种净化水体重金属污染的方法，利用藻种易获得的四尾栅藻培养得到生物膜，并利用四尾栅藻生物膜对含重金属的废水进行吸附处理，生物膜比表面积大，对重金属吸附率高，可有效净化水体重金属污染；
(2)本发明提供了一种净化水体重金属污染的装置，该装置利用四尾栅藻藻柱对废水中的重金属进行吸附，四尾栅藻藻柱比表面积大，四尾栅藻生物膜覆盖率高，对废水中重金属的去除率高。
附图说明
图1为本发明实施例1及实施例2中净化水体重金属污染的装置的结构示意图；
其中1-废水池，2-流量计，3-壳体，4-放空阀，5-上水口，6-中水口，7-下水口，8-多层碳纤维滤网，9-筛板，10-鼓风机；
图2为本发明实施例1中净化水体重金属污染的装置对5mg/l的Cu2+的去除率柱形图；
图3为本发明实施例1中净化水体重金属污染的装置对5mg/l的Cd2+的去除率柱形图；
图4为本发明实施例1中净化水体重金属污染的装置对5mg/l的Pb2+的去除率柱形图；
图5为本发明实施例1中净化水体重金属污染的装置对5mg/l的Zn2+的去除率柱形图；
图6为本发明实施例1中净化水体重金属污染的装置对5mg/l的Cu2+、Cd2+、Zn2+、Pb2+的去除率比较柱形图；
图7为本发明实施例2中净化水体重金属污染的装置对5mg/l的Cu2+的去除率柱形图；
图8为本发明实施例2中净化水体重金属污染的装置对5mg/l的Cd2+的去除率柱形图。
图9为本发明实施例2中净化水体重金属污染的装置对5mg/l的Pb2+的去除率柱形图；
图10为本发明实施例2中净化水体重金属污染的装置对5mg/l的Zn2+的去除率柱形图；
图11为本发明实施例2中净化水体重金属污染的装置对5mg/l的Cu2+、Cd2+、Pb2+、Zn2+的去除率比较柱形图。
具体实施方式
实施例1：
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本实施例公开了一种净化水体重金属污染的装置，该装置由壳体3、位于壳体3内部的四尾栅藻藻柱及用于通风供氧的鼓风机10组成。
其中，壳体3高35cm，体积为990ml；四尾栅藻藻柱上有碳纤维滤网8共7层，层间距为3.5～4.0cm，多层碳纤维滤网8的每一层上生长有四尾栅藻生物膜，多层碳纤维滤网8的下方设有筛板9。
壳体3上设有进水口及三个出水口，三个出水口分别为上水口5、中水口6及下水口7，三个出水口均装有阀门；进水口的前端装有流量计2用以控制废水的进水流量；壳体3的顶部还装有用于平衡压力的放空阀4。
本实施例中的装置的运行原理如下：
将壳体3上三个出水口的阀门均关闭，然后使废水池1中含重金属的废水通过流量计2进入壳体3内，当废水高度达到下水口7时，开始计时，计算吸附时间，废水在多层碳纤维滤网8上的四尾栅藻生物膜的吸附作用下逐渐被净化，吸附时间越长，重金属去除率越高，间隔一段时间后，可从三个出水口取水样分析，检测装置对重金属的去除效果，当废水经处理达标后，可打开出水口的阀门，废水排出壳体3。
采用本实施例中的装置对含重金属的废水进行处理试验，试验过程如下：
(1)向壳体3内加入四尾栅藻藻种及BG11培养基，使多层碳纤维滤网8的所有碳纤维滤网处于藻液中，连接鼓风机10，调节气流至合适大小（不过于猛烈，避免气流量过大使生物膜脱落），将装置置于20℃、光暗比12h:12h下培养3～4天，保证四尾栅藻在所有碳纤维滤网上充分挂膜；所述壳体3高35cm，体积为990ml，纤维滤网7层，间距为3.5～4.0cm。
(2)将剩余藻液通过壳体3的出水口7排出，利用去离子水清洗装置，然后分别向废水池1中加入1L5mg/L CuSO4·5H2O、Cd(NO3)2、Pb(NO3)2、ZnSO4溶液（以重金属元素计），打开废水池1的阀门，调节流量计20至25ml/min。从四尾栅藻藻柱液面升至下水口7时开始计时，每隔一定时间从下水口7和中水口6分别取水样10ml，水样由中速定性滤纸过滤后，采用岛津AA-6650火焰原子吸收分光光度计分别测定Cu2+、Cd2+、Pb2+、Zn2+浓度；
(3)绘制重金属离子浓度随时间变化关系柱形图，取浓度基本平衡点（铜、镉、铅、锌分别为5.5h、21h、24h、11h）下水口与中水口浓度均值求得重金属吸附去除率。
试验结果表明，本装置在20℃，光暗比12h:12h条件下，采用本实施例的方法及装置对5mg/L铜、镉、铅、锌去除率分别为90%、89%、63%、52%，取样时间及吸附结果见图2-5。从图2-6可看出，重金属铜、镉、铅、锌吸附基本平衡时间分别为5.5h、21h、24h、11h，去除率分别为90%、89%、63%、52%。在由此可见，本装置净化水体重金属污染效果随重金属种类存在一定差异，其总体上对较低浓度重金属污染具有明显去除效果。
实施例2
将实施例1中四尾栅藻的培养温度调整为25℃，进行与实施例1相同实验，具体取样时间如图7-11所示。
从图7-11可看出，在25℃，光暗比12h:12h条件下，采用本实施例的方法及装置对5mg/L铜、镉、铅、锌去除率分别为91%、90%、63%、50%，取样时间及吸附结果见图7-11。重金属铜、镉、铅、锌吸附基本平衡时间分别为5h、21h、21h、21h，去除率分别为91%、90%、63%、50%。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限制本发明的实质技术内容范围，本发明的实质技术内容广义地定义于申请的权利要求范围中，任何他人完成的技术实体或方法，若是与申请的权利要求范围所定义的完全相同，也或是一种等效的变更，均将被视为涵盖于该权利要求范围之中。
Claims (5)
1.一种净化水体重金属污染的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将四尾栅藻放于培养液中培养，并在培养液中放置挂膜载体，形成覆盖挂膜载体的四尾栅藻生物膜；所述的挂膜载体为多层碳纤维滤网；
所述的四尾栅藻于温度20～25℃、光暗比12h:12h的条件下，利用供氧设备对四尾栅藻藻柱进行供氧，培养3～5天；所述的培养液为BG11液体培养基；
(2)将含重金属的废水与所述四尾栅藻生物膜接触，重金属被四尾栅藻生物膜吸附。
2.如权利要求1所述的净化水体重金属污染的方法，其特征在于，含重金属的废水与生物膜的接触时间为0.5～24h。
3.一种净化水体重金属污染的装置，其特征在于，包括壳体、位于壳体内部的四尾栅藻藻柱及用于给所述四尾栅藻藻柱供氧的供氧设备；所述的四尾栅藻藻柱包括多层碳纤维滤网，每层碳纤维滤网上均生长有四尾栅藻生物膜；所述的壳体设有进水口与出水口，所述进水口的前端设有流量计；所述的出水口为多个，沿壳体高度方向分布。
4.如权利要求3所述的净化水体重金属污染的装置，其特征在于，所述的壳体顶部设有放空阀，所述的壳体底部设有筛板。
5.如权利要求3所述的净化水体重金属污染的装置，其特征在于，所述的四尾栅藻藻柱直径为6～7cm，高度为35～40cm，多层碳纤维滤网的布置间隔为藻柱高度的1/7～1/9。
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