CN105603187B - 快速氧化Fe2+的移动床生物反应器及快速氧化Fe2+的方法 - Google Patents

快速氧化Fe2+的移动床生物反应器及快速氧化Fe2+的方法 Download PDF

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Abstract

快速氧化Fe2+的移动床生物反应器及快速氧化Fe2+的方法，移动床生物反应器包括溶液配制槽、恒流泵、氧化塔、空压机、流量计、载体再生槽及隔膜泵。溶液配制槽上的阀门通过管道与恒流泵的一端连接，恒流泵的另一端通过管道与氧化塔上的进液阀连接，空压机出气端通过管道与流量计进气端连接，流量计出气端分别与氧化塔上第一曝气头及载体再生槽上第二曝气头连接，载体再生槽上出料阀通过管道与隔膜泵一端连接，隔膜泵另一端连接有回流管，回流管另一端连接到氧化塔的开口端。在保持固定床氧化Fe2+速率快的基础上，通过载体的定期移动处理，解决载体板结影响细菌氧化Fe2+速率、影响通气和运行稳定的问题，达到生物反应器快速氧化Fe2+的目的。

Description

快速氧化Fe2+的移动床生物反应器及快速氧化Fe2+的方法
技术领域
本发明涉及一种细菌浸出技术领域，特别是一种快速氧化Fe2+的移动床生物反应器及快速氧化Fe2+的方法。
背景技术
细菌浸铀经过长期的基础研究和现场试验，已从室内试验、扩大试验，进入到了现场工业试验，取得了很大进展，试验结果表明，采用细菌堆浸，比常规堆浸节省硫酸20%~30%，可缩短浸出周期。但仍没有得到广泛推广应用。分析原因主要在于细菌浸铀技术在工业应用过程中面临着生物反应器氧化Fe2+速率低，导致生物反应器投资大、生产成本增加，现有生物反应器难以满足细菌浸铀工艺要求。
因此，快速氧化亚铁的高效生物反应器的设计与应用，提高细菌氧化Fe2+效率和速率、减小生物反应器资金投入，最终提高细菌浸铀效率，具有非常重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种快速氧化Fe2+的移动床生物反应器及快速氧化Fe2+的方法，在保持固定床氧化Fe2+速率快的基础上，通过载体的定期移动处理，解决载体板结影响细菌氧化Fe2+速率、影响通气和运行稳定的问题，达到生物反应器快速氧化Fe2+的目的。
本发明的技术方案是：快速氧化Fe2+的移动床生物反应器，包括带阀门及搅拌器的溶液配制槽、恒流泵、氧化塔、空压机、流量计、载体再生槽及隔膜泵。
氧化塔为一底端用隔膜阀封闭上端敞口的圆筒体，氧化塔上端的筒壁上设有进液阀，氧化塔下端的筒壁上设有出液阀，氧化塔下端的筒体内设有第一曝气头，第一曝气头的进气端处在氧化塔的筒体外，其上设有第一进气阀。
第一曝气头由一个两端封闭的圆盘及进气管组成，圆盘一端的盘面上设有复数个曝气孔，复数个曝气孔与圆盘的进气腔相通，进气管固定连接在圆盘另一端的盘面上，进气管的进气孔与圆盘的进气腔相通。
载体再生槽为一底端用隔膜阀封闭上端敞口的圆筒体，载体再生槽筒体内的下端设有过滤板，载体再生槽筒体下端的筒壁上设有出料阀，载体再生槽下端的筒体内设有第二曝气头，第二曝气头的进气端处在载体再生槽的筒体外，其上设有第二进气阀。
所述的第二曝气头与第一曝气头的结构相同。
溶液配制槽上的阀门通过管道与恒流泵的一端连接，恒流泵的另一端通过管道与氧化塔上的进液阀连接，空压机的出气端通过管道与流量计的进气端连接，流量计的出气端分别与氧化塔上的第一曝气头及载体再生槽上的第二曝气头连接，载体再生槽上的出料阀通过管道与隔膜泵的一端连接，隔膜泵的另一端连接有回流管，回流管的另一端连接到氧化塔的开口端。
本发明还提供了一种采用快速氧化Fe2+的移动床生物反应器快速氧化Fe2+的方法，其具体操作步骤如下：
A、制备菌液：
在溶液配制槽中加入驯化完成并活化好的氧化亚铁硫杆菌种和9k培养基，氧化亚铁硫杆菌种与9k培养基的体积比为1:1～100，然后通过搅拌器搅拌混匀。
9k培养基的成分为：MgSO4·7H2O 0.50g/L、(NH4)2SO4 3. 0g/L、KCl 0. 10g/L、Ca(NO3)2 0. 01g/L、K2HPO4 0.50g/L、FeSO4·7H2O 5.0g/L、H2SO4 5.0g/L。
B、载体预处理：
将Φ3~5mm的陶粒载体置于载体再生槽中，加pH 2.0的硫酸溶液浸泡，启动空压机，打开第二进气阀，通压缩空气进行搅拌，并补加硫酸维持溶液pH为2.0，当溶液pH不变时，关闭空压机及第二进气阀，打开隔膜阀，放掉酸液，加清水漂洗陶粒载体至洗水变澄清，然后打开出料阀，启动隔膜泵将陶粒载体转移到氧化塔中，陶粒载体装入量以离氧化塔顶部10～15cm为准。
C、挂膜：
a、打开溶液配制槽上的阀门，启动恒流泵，将溶液配制槽中的菌液泵入氧化塔内，体积以溶液刚好淹没陶粒载体为准。
b、启动空压机，打开第一进气阀，压缩空气通过流量计由第一曝气头分散后进入氧化塔内。
c、定时分析氧化塔内菌液的氧化还原电位，当其达到500～550mV时，关闭第一进气阀和空压机，将菌液在氧化塔内静置，静置时间不低于小时。
d、静置后启动空压机，打开第一进气阀，通入压缩空气，同时向氧化塔中加入FeSO4，每L菌液加入5.0～10.0g的FeSO4。
e、重复c、d步骤两次，当菌液氧化还原电位再次达到500～550mV时，关闭第一进气阀和空压机，打开出液阀将菌液排出一半，然后补加9k培养基至原体积，再打开隔膜阀，排出40～60%的陶粒载体和菌液至载体再生槽，然后关闭隔膜阀。
f、打开出料阀，启动隔膜泵，将陶粒载体和菌液泵入氧化塔。
重复以上b、c、d、e、f步骤，直至菌液氧化还原电位上升到550mV所需时间恒定时，挂膜工作完成。
D、需要氧化的酸性Fe2+溶液的连续氧化：
挂膜完成后，将配制好需要氧化的酸性Fe2+溶液转入溶液配制槽中，需要氧化的酸性Fe2+溶液中：pH1～2、Eh200～400mV、Fe2+浓度0.1～5g/L，然后打开阀门、启动恒流泵，向氧化塔泵入需要氧化的酸性Fe2+溶液，开始阶段需要氧化的酸性Fe2+溶液的流量为每小时0.05～0.25倍氧化塔塔内有效体积，直至从出液阀流出的菌液氧化还原电位保持500 mV以上，然后再逐步调大需要氧化的酸性Fe2+溶液进入氧化塔的流量至每小时1～2倍氧化塔塔内有效体积，从而实现酸性Fe2+溶液的快速连续氧化。
E、陶粒载体的再生：
快速氧化Fe2+的移动床生物反应器运行一段时间后，需要定期从氧化塔底部排放部分陶粒载体至载体再生槽中，运行期间，每24小时排放一次，排放量为总量的1/6~1/8，实现陶粒载体在氧化塔中的相对移动。对置于载体再生槽中的陶粒载体，加入20～50g/L的硫酸溶液，溶液体积以能浸没陶粒载体为准，打开第二进气阀，通入压缩空气搅拌1～2小时，对陶粒载体进行再生处理。
再生处理后，关闭第二进气阀，打开隔膜阀，将陶粒载体上脱落的板结物和洗涤液从隔膜阀排出，然后关闭隔膜阀，通入清水，打开第二进气阀，通入压缩空气洗涤陶粒载体；若洗水pH值低于1.5，则打开隔膜阀，将洗水外排，继续通水通气洗涤； 若洗水pH值高于1.5，则视为合格，关闭第二进气阀6-3，排除洗水，打开出料阀，启动隔膜泵，将处理后的陶粒载体泵回氧化塔内，实现循环利用。
本发明与现有技术相比具有如下特点：
采用快速氧化Fe2+的移动床生物反应器快速氧化Fe2+，Fe2+氧化效率和氧化率均有较大提高，且菌液能循环再生。
以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。
附图说明
附图1为本发明的结构示意图；
附图2为第一曝气头的结构示意图；
附图3为附图2的俯视图。
具体实施方式
快速氧化Fe2+的移动床生物反应器，包括带阀门1-1及搅拌器1-2的溶液配制槽1、恒流泵2、氧化塔3、空压机4、流量计5、载体再生槽6及隔膜泵7。
氧化塔3为一底端用隔膜阀3-2封闭上端敞口的圆筒体，氧化塔3上端的筒壁上设有进液阀3-1，氧化塔3下端的筒壁上设有出液阀3-3，氧化塔3下端的筒体内设有第一曝气头3-4，第一曝气头3-4的进气端处在氧化塔3的筒体外，其上设有第一进气阀3-5。
第一曝气头3-4由一个两端封闭的圆盘3-4-1及进气管3-4-2组成，圆盘3-4-1一端的盘面上设有复数个曝气孔3-4-3，复数个曝气孔3-4-3与圆盘3-4-1的进气腔3-4-4相通，进气管3-4-2固定连接在圆盘3-4-1另一端的盘面上，进气管3-4-2的进气孔与圆盘3-4-1的进气腔3-4-4相通。
载体再生槽6为一底端用隔膜阀6-5封闭上端敞口的圆筒体，载体再生槽6筒体内的下端设有过滤板6-4，载体再生槽6筒体下端的筒壁上设有出料阀6-1，载体再生槽6下端的筒体内设有第二曝气头6-2，第二曝气头6-2的进气端处在载体再生槽6的筒体外，其上设有第二进气阀6-3。
所述的第二曝气头6-2与第一曝气头3-4的结构相同。
溶液配制槽1上的阀门1-1通过管道与恒流泵2的一端连接，恒流泵2的另一端通过管道与氧化塔3上的进液阀3-1连接，空压机4的出气端通过管道与流量计5的进气端连接，流量计5的出气端分别与氧化塔3上的第一曝气头3-4及载体再生槽6上的第二曝气头6-2连接，载体再生槽6上的出料阀6-1通过管道与隔膜泵7的一端连接，隔膜泵7的另一端连接有回流管8，回流管8的另一端连接到氧化塔3的开口端。
采用快速氧化Fe2+的移动床生物反应器快速氧化Fe2+的具体操作方法如下：
A、制备菌液：
在溶液配制槽1中加入驯化完成并活化好的氧化亚铁硫杆菌种和9k培养基，氧化亚铁硫杆菌种与9k培养基的体积比为1:1～100，然后通过搅拌器1-2搅拌混匀。
9k培养基的成分为：MgSO4·7H2O 0.50g/L、(NH4)2SO4 3. 0g/L、KCl 0. 10g/L、Ca(NO3)2 0. 01g/L、K2HPO4 0.50g/L、FeSO4·7H2O 5.0g/L、H2SO4 5.0g/L。
B、载体预处理：
将Φ3~5mm的陶粒载体9置于载体再生槽6中，加pH 2.0的硫酸溶液浸泡，启动空压机4，打开第二进气阀6-3，通压缩空气进行搅拌，并补加硫酸维持溶液pH为2.0，当溶液pH不变时，关闭空压机4及第二进气阀6-3，打开隔膜阀6-5，放掉酸液，加清水漂洗陶粒载体9至洗水变澄清，然后打开出料阀6-1，启动隔膜泵7将陶粒载体9转移到氧化塔3中，陶粒载体9装入量以离氧化塔3顶部10～15cm为准。
C、挂膜：
a、打开溶液配制槽1上的阀门1-1，启动恒流泵2，将溶液配制槽1中的菌液泵入氧化塔3内，体积以溶液刚好淹没陶粒载体9为准。
b、启动空压机4，打开第一进气阀3-5，压缩空气通过流量计5由第一曝气头3-4分散后进入氧化塔3内。
c、定时分析氧化塔3内菌液的氧化还原电位，当其达到500～550mV时，关闭第一进气阀3-5和空压机4，将菌液在氧化塔3内静置，静置时间不低于1小时。
d、静置后启动空压机4，打开第一进气阀3-5，通入压缩空气，同时向氧化塔3中加入FeSO4，每L菌液加入5.0～10.0g的FeSO4。
e、重复c、d步骤两次，当菌液氧化还原电位再次达到500～550mV时，关闭第一进气阀3-5和空压机4，打开出液阀3-3将菌液排出一半，然后补加9k培养基至原体积，再打开隔膜阀3-2，排出40～60%的陶粒载体9和菌液至载体再生槽6，然后关闭隔膜阀3-2。
f、打开出料阀6-1，启动隔膜泵11，将陶粒载体9和菌液泵入氧化塔3。
重复以上b、c、d、e、f步骤，直至菌液氧化还原电位上升到550mV所需时间恒定时，挂膜工作完成。
D、需要氧化的酸性Fe2+溶液的连续氧化：
挂膜完成后，将配制好需要氧化的酸性Fe2+溶液转入溶液配制槽1中，需要氧化的酸性Fe2+溶液中：pH1～2、Eh200～400mV、Fe2+浓度0.1～5g/L，然后打开阀门1-1、启动恒流泵2，向氧化塔3泵入需要氧化的酸性Fe2+溶液，开始阶段需要氧化的酸性Fe2+溶液的流量为每小时0.05～0.25倍氧化塔3塔内有效体积，直至从出液阀3-3流出的菌液氧化还原电位保持500 mV以上，然后再逐步调大需要氧化的酸性Fe2+溶液进入氧化塔3的流量至每小时1～2倍氧化塔3塔内有效体积，从而实现酸性Fe2+溶液的快速连续氧化。
E、陶粒载体的再生：
快速氧化Fe2+的移动床生物反应器运行一段时间后，需要定期从氧化塔3底部排放部分陶粒载体9至载体再生槽6中，运行期间，每24小时排放一次，排放量为总量的1/6~1/8，实现陶粒载体9在氧化塔3中的相对移动。对置于载体再生槽6中的陶粒载体9，加入20～50g/L的硫酸溶液，溶液体积以能浸没陶粒载体9为准，打开第二进气阀6-3，通入压缩空气搅拌1～2小时，对陶粒载体9进行再生处理。
再生处理后，关闭第二进气阀6-3，打开隔膜阀6-5，将陶粒载体9上脱落的板结物和洗涤液从隔膜阀6-5排出，然后关闭隔膜阀6-5，通入清水，打开第二进气阀6-3，通入压缩空气洗涤陶粒载体9；若洗水pH值低于1.5，则打开隔膜阀6-5，将洗水外排，继续通水通气洗涤； 若洗水pH值高于1.5，则视为合格，关闭第二进气阀6-3，排除洗水，打开出料阀6-1，启动隔膜泵7，将处理后的陶粒载体9泵回氧化塔3内，实现循环利用。

Claims (2)

1.快速氧化Fe2+的移动床生物反应器，其特征是：包括带阀门及搅拌器的溶液配制槽、恒流泵、氧化塔、空压机、流量计、载体再生槽及隔膜泵；
氧化塔为一底端用隔膜阀封闭上端敞口的圆筒体，氧化塔上端的筒壁上设有进液阀，氧化塔下端的筒壁上设有出液阀，氧化塔下端的筒体内设有第一曝气头，第一曝气头的进气端处在氧化塔的筒体外，其上设有第一进气阀；
第一曝气头由一个两端封闭的圆盘及进气管组成，圆盘一端的盘面上设有复数个曝气孔，复数个曝气孔与圆盘的进气腔相通，进气管固定连接在圆盘另一端的盘面上，进气管的进气孔与圆盘的进气腔相通；
载体再生槽为一底端用隔膜阀封闭上端敞口的圆筒体，载体再生槽筒体内的下端设有过滤板，载体再生槽筒体下端的筒壁上设有出料阀，载体再生槽下端的筒体内设有第二曝气头，第二曝气头的进气端处在载体再生槽的筒体外，其上设有第二进气阀；
所述的第二曝气头与第一曝气头的结构相同；
溶液配制槽上的阀门通过管道与恒流泵的一端连接，恒流泵的另一端通过管道与氧化塔上的进液阀连接，空压机的出气端通过管道与流量计的进气端连接，流量计的出气端分别与氧化塔上的第一曝气头及载体再生槽上的第二曝气头连接，载体再生槽上的出料阀通过管道与隔膜泵的一端连接，隔膜泵的另一端连接有回流管，回流管的另一端连接到氧化塔的开口端。
2.采用如权利要求1所述的移动床生物反应器快速氧化Fe2+的方法，其具体操作步骤如下：
A、制备菌液：
在溶液配制槽中加入驯化完成并活化好的氧化亚铁硫杆菌种和9k培养基，氧化亚铁硫杆菌种与9k培养基的体积比为1:1～100，然后通过搅拌器搅拌混匀；
9k培养基的成分为：MgSO4·7H2O 0.50g/L、(NH4)2SO4 3. 0g/L、KCl 0. 10g/L、Ca(NO3)20. 01g/L、K2HPO4 0.50g/L、FeSO4·7H2O 5.0g/L、H2SO4 5.0g/L；
B、载体预处理：
将Φ3~5mm的陶粒载体置于载体再生槽中，加pH 2.0的硫酸溶液浸泡，启动空压机，打开第二进气阀，通压缩空气进行搅拌，并补加硫酸维持溶液pH为2.0，当溶液pH不变时，关闭空压机及第二进气阀，打开隔膜阀，放掉酸液，加清水漂洗陶粒载体至洗水变澄清，然后打开出料阀，启动隔膜泵将陶粒载体转移到氧化塔中，陶粒载体装入量以离氧化塔顶部10～15cm为准；
C、挂膜：
a、打开溶液配制槽上的阀门，启动恒流泵，将溶液配制槽中的菌液泵入氧化塔内，体积以溶液刚好淹没陶粒载体为准；
b、启动空压机，打开第一进气阀，压缩空气通过流量计由第一曝气头分散后进入氧化塔内；
c、定时分析氧化塔内菌液的氧化还原电位，当其达到500～550mV时，关闭第一进气阀和空压机，将菌液在氧化塔内静置，静置时间不低于小时；
d、静置后启动空压机，打开第一进气阀，通入压缩空气，同时向氧化塔中加入FeSO4，每L菌液加入5.0～10.0g的FeSO4；
e、重复c、d步骤两次，当菌液氧化还原电位再次达到500～550mV时，关闭第一进气阀和空压机，打开出液阀将菌液排出一半，然后补加9k培养基至原体积，再打开隔膜阀，排出40～60%的陶粒载体和菌液至载体再生槽，然后关闭隔膜阀；
f、打开出料阀，启动隔膜泵，将陶粒载体和菌液泵入氧化塔；
重复以上b、c、d、e、f步骤，直至菌液氧化还原电位上升到550mV所需时间恒定时，挂膜工作完成；
D、需要氧化的酸性Fe2+溶液的连续氧化：
挂膜完成后，将配制好需要氧化的酸性Fe2+溶液转入溶液配制槽中，需要氧化的酸性Fe2+溶液中：pH1～2、Eh200～400mV、Fe2+浓度0.1～5g/L，然后打开阀门、启动恒流泵，向氧化塔泵入需要氧化的酸性Fe2+溶液，开始阶段需要氧化的酸性Fe2+溶液的流量为每小时0.05～0.25倍氧化塔塔内有效体积，直至从出液阀流出的菌液氧化还原电位保持500 mV以上，然后再逐步调大需要氧化的酸性Fe2+溶液进入氧化塔的流量至每小时1～2倍氧化塔塔内有效体积，从而实现酸性Fe2+溶液的快速连续氧化；
E、陶粒载体的再生：
快速氧化Fe2+的移动床生物反应器运行一段时间后，需要定期从氧化塔底部排放部分陶粒载体至载体再生槽中，运行期间，每24小时排放一次，排放量为总量的1/6~1/8，实现陶粒载体在氧化塔中的相对移动；对置于载体再生槽中的陶粒载体，加入20～50g/L的硫酸溶液，溶液体积以能浸没陶粒载体为准，打开第二进气阀，通入压缩空气搅拌1～2小时，对陶粒载体进行再生处理；
再生处理后，关闭第二进气阀，打开隔膜阀，将陶粒载体上脱落的板结物和洗涤液从隔膜阀排出，然后关闭隔膜阀，通入清水，打开第二进气阀，通入压缩空气洗涤陶粒载体；若洗水pH值低于1.5，则打开隔膜阀，将洗水外排，继续通水通气洗涤； 若洗水pH值高于1.5，则视为合格，关闭第二进气阀，排除洗水，打开出料阀，启动隔膜泵，将处理后的陶粒载体泵回氧化塔内，实现循环利用。
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