CN104986870B - 一种水稻栽培水体重金属污染循环处理装置及防治方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水稻栽培水体重金属污染循环处理装置，包括进水端连接污水源的循环泵，所述循环泵的出水端连接回流到污水源的第一支路管和第二支路管，第一支路管上设有第一阀门，第二支路上设有第二阀门和重金属吸附装置，所述重金属吸附装置包括箱体，所述箱体内接种有趋磁细菌和设有固定所述趋磁细菌的磁化钢铁网。本发明还公开了一种水稻栽培水体重金属污染防治方法，包括：利用所述装置的循环泵抽吸稻田里的水，并通过两支路管回流到稻田内，水体在流经第二支路管时，重金属吸附装置吸附水体中的重金属离子。本发明具有成本低、效率高、没有二次污染、吸附菌体易分离、吸附速度快、吸附量大、选择性好，应用推广性强的优点。
Description
技术领域
本发明涉及重金属污染治理范畴和植物保护领域，具体涉及一种水稻栽培水体重金属污染循环处理装置及防治方法。
背景技术
随着我国工农业生产的迅速发展，含重金属的废水排放量在逐年增加，一方面重金属废水流入农田、土壤中对植物生长、发育有不良影响，进而影响动物、人体健康。大量研究表明，重金属具有亲脂性、高富集性和难降解性，进入水体后容易在水生生物体内积累，并随着生物营养级的升高而增大，增加重金属的潜在危害。水体中的重金属还能对生物产生显著毒性作用。水稻是我国大面积栽培的粮食作物，过量的重金属在水稻的根、茎、叶以及籽粒中大量积累，不仅影响水稻产量、品质及整个农田生态系统，并可通过食物链危及动物和人类的健康。另一方面，我国重金属资源特别是贵金属可供储量不足，难以满足工业需求。
吸附废水中的重金属的研究近来受到很多的关注，但还鲜有将微生物吸附原理用到农作物的重金属污染治理上。目前，重金属废水的传统处理方法主要有：离子交换法、氧化还原法、不溶性络合物法、电解法、反渗透法、气浮法、沉淀法、吸附法、膜分离等。这些方法大多设备繁琐，操作复杂，成本较高，效率较低，只能对单纯的溶液进行处理，难以推广到农田重金属污染治理上。而生物处理方法因其成本低、效率高、容易操作、无二次污染等优点而成为治理水体重金属污染研究中的一个热点。生物处理法是利用细菌、真菌(酵母)、藻类等的生命活动过程，通过将废水中的重金属沉淀、吸附吸收、降低其毒性从而达到治理重金属废水的目的。国外利用藻类治理重金属方面的研究始于70年代，已有大量的研究报道，而利用微生物处理废水重金属到了90年代才受到重视。目前，国内在这方面的研究尚不多见。
授权公告号为CN 102417214B的专利文献公开了一种利用石墨烯片与趋磁细菌三维复合物吸附重金属的方法。该方法为：取石墨烯片与趋磁细菌于液相体系中充分混合，形成石墨烯片-趋磁细菌三维复合物，而后将该石墨烯片-趋磁细菌三维复合物加入含重金属离子的污水中，经充分混合达到吸附平衡后，再以外加磁场分离出石墨烯片-趋磁细菌三维复合物，实现对污水的净化。该发明可同时处理含有高浓度的Au3+、Fe3+、Ni2+、Cu2+、Pb2+、Cr3+等复杂重金属离子组分的污水，去除率90％以上，且所用净化材料石墨烯片-趋磁细菌三维复合物还可通过磁场回收及重复利用，成本低廉，绿色环保，不会造成二次污染。但是石墨烯对植物存在毒性作用，不适合农作物的重金属污染治理。
申请公布号为CN 104355415A的专利申请文献公开了一种原位消减水体重金属污染的生物浮床，其包括壳体、容纳于壳体中的填料床、生长在填料床上的超富集植物和富集在填料床中的趋磁细菌。还公开了一种利用上述生物浮床原位消减水体重金属污染的方法，其包括以下步骤：a、所述生物浮床置于被重金属污染的水体中；b、通过所述小球藻、趋磁细菌和超富集植物富集重金属；c、定期收割超富集植物，除去富集的重金属。通过该发明的生物浮床和方法可以廉价、高效、无害地去除水体中的重金属。由于不同植物在同一环境中生长产生竞争抑制，该发明使用植物富集重金属的方法不适用农作物的水培系统重金属处理。
发明内容
本发明提供了一种水稻栽培水体重金属污染循环处理装置，用于水稻栽培水体重金属污染的吸附净化，实现对水体重金属污染的生物防治。
一种水稻栽培水体重金属污染循环处理装置，包括进水端连接污水源的循环泵，所述循环泵的出水端连接回流到污水源的第一支路管和第二支路管，第一支路管上设有第一阀门，第二支路上设有第二阀门和重金属吸附装置，所述重金属吸附装置包括箱体，所述箱体内接种有趋磁细菌和设有固定所述趋磁细菌的磁化钢铁网。
趋磁细菌细胞内含有铁磁性颗粒，尺寸范围为20-100nm，每个细胞中有2-10颗这样的颗粒。在微弱的地球磁场作用下呈链状排布在微生物的长度方向，使得这类的生物具有永磁偶极矩和磁定向性。而且，趋磁细菌与重金属离子存在亲和性，没有细胞毒性。如果金属离子是顺磁性的，随着他们不断在微生物细胞或细胞团的外部积累，溶液中的金属离子浓度很快降低。被离子包裹的微生物细胞变成了磁性颗粒，在外加磁场的作用下，这种有机颗粒可以沿着规定的方向迁移，最终沉积在固体表面上。优选的，本发明的趋磁细菌为水生螺菌属的趋磁细菌。
所述箱体相对的两个侧面分别设有进水口和出水口。
所述磁化钢铁网垂直水流方向设置。
为避免培养好的趋磁细菌在整个循环系统中，随水流任意流动，增强趋磁细菌的稳定性，箱体内的磁化钢铁网垂直水流方向设置，便于趋磁细菌的固定化，从而使水体中的重金属离子通过趋磁细菌吸附，富集在箱体内，便于进行重金属回收的工作。
优选的方案，所述磁化钢铁网的数量为两个，且相互平行设置。
所述磁化钢铁网的孔径为5～10μm。
本发明还提供了一种水稻栽培水体重金属污染防治方法，包括：
利用上述的水稻栽培水体重金属污染循环处理装置的循环泵抽吸稻田里的水，并通过两支路管回流到稻田内，水体在流经第二支路管时，重金属吸附装置吸附水体中的重金属离子。
水体在重金属吸附装置中的停留时间为3～13s。
为保证水稻生长所需营养充足，第一支路管的流速由阀门控制稍大些；而为了稳固好趋磁细菌在磁化钢铁网上对重金属离子的吸附，第二支路管的流速控制要缓慢，减小水流对细菌的冲击性。优选的，控制第一支路管和第二支路管的流速比为5：1。
所述重金属吸附装置内趋磁细菌的接种量为2～10g/L。
更为优选的，该方法还包括如下步骤：分离出磁化钢铁网上吸附了重金属离子的趋磁细菌，将重金属离子从趋磁细菌上脱吸附，而后将趋磁细菌再次加入水稻栽培水体重金属污染循环处理装置中。
本发明具备的有益效果：
(1)本发明提供的水稻栽培水体重金属污染循环处理装置结构简单，易操作，适用于农田推广。
(2)本发明采用的趋磁细菌作为水培作物重金属污染区域的吸附载体，菌体材料丰富，还可再生和二次使用，关键是重金属得到有效回收，节约资源，使其可以得到再利用。
(3)从重金属吸附量上来讲，微生物吸附重金属量大，速度快，吸附方向性强，环保无污染。
附图说明
图1为水稻栽培水体重金属污染循环处理装置示意图，其中3为第一阀门，4为第二阀门，6为第一支路管，7为第二支路管。
图2为重金属吸附装置简式图，其中8、9为磁化钢铁网，10为进水口，11为出水口。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步阐释。
实施例1
实验室条件下模拟本发明的水稻栽培水体重金属污染循环处理装置(图1)，在水稻水培槽的出水端连接循环泵2，循环泵的出水端连接回流到水稻水培槽的第一支路管6和第二支路管7，第一支路管上设有第一阀门3，第二支路上设有第二阀门4和重金属吸附装置5，第一阀门和第二阀门为UPVC球阀，用于调节水体的流速，第一阀门和第二阀门的出水口分别设有流量计，用于监测支路管中水体的流速。为保证水稻生长所需营养充足，控制第一支路管的流速为1L/min。为了稳固好趋磁细菌在磁化钢铁网上对重金属离子的吸附，控制第二支路管的流速为0.2L/min。水体在重金属吸附装置中的停留时间为3～13s。
重金属吸附装置5为箱体(图2)，箱体为体积为0.2m×0.1m×0.2m的PVC箱，箱体相对的左右两个侧面分别设有进水口10和出水口11，进水口10连接在第二支路管的第二阀门出水端。在箱体的前后两个侧面内壁上设置对称的两组凸起，使磁化钢铁网卡在两组凸起之间。
磁化钢铁网四边设置铁条包边，便于磁化钢铁网的安装与拆卸，磁化钢铁网孔径为5-10μm，本实验使用两个磁化钢铁网，相互平行设置。
将水生螺菌属的趋磁细菌菌种接种在富含铁离子合成培养基中，置于全温振荡厌氧培养箱中培养，然后将培养富集了的趋磁细菌置于设有磁化钢铁网的箱体中，细菌固定在两层磁化钢铁网上，实现水稻水培系统的配置。
在培养水稻的培养液中引入质量浓度均为10mg/L的Pb2+和Cr3+溶液，在温度为20℃，钢铁网上趋磁细菌量为6g(湿重)的条件下，进行t＝15、30、45、60min的吸附实验。利用3000EZ-CheckTM多参数离子浓度比色计，在营养液中选取10个数据点，测量剩余铅离子和铬离子浓度，分别取平均值后与起始离子浓度相比较，得出不同时间点细菌吸附量。
表1、在不同时间点营养液中剩余的铅离子和铬离子浓度
| 吸附时间t | 15min | 30min | 45min | 60min |
| CPb2+(mg/L) | 7.013 | 3.562 | 0.879 | 0.931 |
| CCr3+(mg/L) | 6.729 | 2.891 | 0.916 | 1.203 |
结果如表1所示，随着吸附时间的增加，营养液中剩余的铅离子和铬离子浓度越来越低，在趋磁细菌吸附45min后，营养液中剩余的金属离子是最低的。
实施例2
本实施例装置和实施条件同实施例1。
在培养水稻的培养液中引入质量浓度为10mg/L的Pb2+和Cr3+溶液，温度为20℃，吸附时间1h的条件下，趋磁细菌量分别取2、4、6、8、10g(湿重)，进行吸附实验。利用3000EZ-CheckTM多参数离子浓度比色计，在营养液中选取10个数据点，测量剩余铅离子和铬离子浓度，分别取平均值后与起始离子浓度相比较，得出不同细菌浓度下细菌吸附量。
表2、不同的细菌量吸附1h后营养液中剩余的铅离子和铬离子浓度
| 细菌量 | 2g | 4g | 6g | 8g | 10g |
| CPb2+(mg/L) | 6.214 | 3.195 | 2.572 | 1.426 | 0.725 |
| CCr3+(mg/L) | 7.110 | 3.897 | 1.962 | 0.865 | 0.866 |
通过实施例1和实施例2设定的控制变量法，得到的实验结果显示室温条件下，趋磁细菌吸附Pb2+的最佳吸附条件是：细菌量为10g，t＝45min；趋磁细菌吸附Cr3+的最佳吸附条件是：细菌量为8g，t＝45min；而且吸附等温线均可用Langmuir模型能更好地描述。
实施例3
利用实施例1和实施例2所得最佳吸附条件，在水培水稻生长营养液中加入培养好的趋磁细菌，得到充分吸附了重金属的菌体后，取出管道上水箱内的磁化钢铁网，分离出载有重金属离子的趋磁细菌，使其通过磁分离器，达到重金属去除、回收的目的。
计算回收率：Pb2+：92.75％，Cr3+：91.35％。
上述结果说明趋磁细菌作为农作物生长环境中铅和铬重金属离子的生物吸附剂有进一步的研究价值。
Claims (2)
1.一种水稻栽培水体重金属污染防治方法，包括：利用水稻栽培水体重金属污染循环处理装置的循环泵抽吸稻田里的水，并通过两支路管回流到稻田内，水体在流经第二支路管时，重金属吸附装置吸附水体中的重金属离子；
所述水稻栽培水体重金属污染循环处理装置，包括进水端连接污水源的循环泵，所述循环泵的出水端连接回流到污水源的第一支路管和第二支路管，第一支路管上设有第一阀门，第二支路上设有第二阀门和重金属吸附装置，所述重金属吸附装置包括箱体，所述箱体内接种有趋磁细菌和设有固定所述趋磁细菌的磁化钢铁网；
所述箱体相对的两个侧面分别设有进水口和出水口；
所述磁化钢铁网垂直水流方向设置；
所述磁化钢铁网的孔径为5～10μm；
水体在重金属吸附装置中的停留时间为3～13s；
控制第一支路管和第二支路管的流速比为5：1；
所述重金属吸附装置内趋磁细菌的接种量为2～10g/L。
2.如权利要求1所述的水稻栽培水体重金属污染防治方法，其特征在于，所述磁化钢铁网的数量为两个，且相互平行设置。
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