CN108238679A - 一种水体铅离子富集处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的水体铅离子富集处理装置，包括壳体，其为刚性结构件，并且壳体上具有供水体和菌种进出的窗口；设置于壳体内侧的网孔层，其上具有起到过滤作用并供水体和菌种进出的孔结构；设置于网孔层内侧的介质层，其包括多孔活性材料，铅离子与菌种于多孔活性材料进行反应而实现对铅离子的富集和回收；设置于介质层内侧的培养基，其供菌种生长与繁殖。利用微生物对污染水体中铅离子的富集与处理作用，并主动提供培养基以培养繁殖功能菌类并促进其与水体中的铅离子进行反应，而达到对污染水体中铅离子富集和处理的目的，对各种水体具有良好的适应性，微生物活性好，对污染的处理能力强。

Description

一种水体铅离子富集处理装置

技术领域

本发明涉及一种重金属元素污染水体的处理装置，特别是一种水体铅离子富集处理装置。

背景技术

工业的快速发展引发了全球性的环境问题，而重金属污染是对环境和人类危害最大的污染之一。重金属污染，指由铜、铅、汞、镉、钴等重金属或其化合物造成的环境污染，主要由采矿、废气排放、污水灌溉和使用重金属制品等人为因素所致。重金属具有不易移动溶解的特性，进入生物体后不能被排出和降解，会造成慢性中毒。重金属危害程度取决于元素的种类、浓度、理化性质、存在的价态和形态。当金属元素的浓度超过某一数值时会有剧烈的毒性，致使动植物中毒，甚至死亡。

重金属在大气、水体、土壤、生物体中广泛分布，主要表现在水污染上。水中的重金属来源有工业污水和农药，而由于底泥具有过滤作用，因此往往是重金属的汇集区。当环境变化时，底泥中的重金属形态也将发生转化并释放出来造成污染。水体中的重金属，即使浓度很低，也可在藻类和底泥中积累，被鱼和贝类体表吸附，产生食物链浓缩。重金属可通过食物链进入人体中富集，通过其致癌性、致突变性、细胞毒性严重影响人类健康。重金属污染来源广泛，其中相当部分是通过人类活动产生的废气、废水、废渣排入环境，造成污染。

目前水污染的治理主要有三种方法：物理、化学及生物修复法。物理修复法是污水经过简单的预处理，包括吸附、离子还原、离子交换、微滤膜、反渗透、电渗析等，在湿地系统中通过物理沉淀、过滤、吸附等作用进一步去除重金属离子，虽然操作简单、成本低，但治标不治本；化学修复法是添加化学药剂或吸附剂改变水体的氧化还原电位及pH值，利用化学反应来分离、回收重金属，尽管操作简单，见效快，但需要大量投加化学药剂，成本昂贵，且易引起二次污染；生物修复法是指通过生物吸附去除水体中的重金属离子。

现代生物学研究显示，微生物能够对重金属离子实现有效的处理，主要是归结于微生物对重金属离子的吸附作用和沉淀作用。微生物的吸附作用是指利用某些微生物本身的化学成分和结构特性来吸附废水中的重金属离子，通过固液两相分离达到去除废水中的重金属离子的目的。生物吸附剂为自然界中丰富的生物资源，如藻类、地衣、真菌和细菌等。微生物结构的复杂性以及同一微生物和不同金属间亲和力的差别决定了微生物吸附金属的机理非常复杂，至今尚未得到统一认识。根据被吸附重金属离子在微生物细胞中的分布，一般将微生物对金属离子的吸附分为胞外吸附、细胞表面吸附和胞内吸附。

微生物对重金属离子的沉淀作用，一般认为是由于微生物对金属离子的异化还原作用或是由于微生物自身新陈代谢的结果。一方面，一些微生物可分泌特异的氧化还原酶，催化一些变价金属元素发生氧化还原反应，或者其代谢产物或细胞自身的某些还原物直接将毒性强的氧化态的金属离子还原为无毒性或低毒性的离子；另一方面，一些微生物的代谢产物(硫离子、磷酸根离子)与金属离子发生沉淀反应，使有毒有害的金属元素转化为无毒或低毒金属沉淀物。

现有研究发现，液体培养得到的深色有隔内生真菌G.Cylindrosporus(Gaeumannomycescylindrosporus)的菌丝烘干研磨成粉末状时，对金属离子Pb具有极强的吸附作用，且其吸附能力与细胞表面的活性基团和静电有关，受转速、温度、pH值和吸附时间等影响(BanYH,TangM,ChenH,XuZY,ZhangHH,YangYR.2012.Theresponseofdarkseptateendophytes(DSE)toheavymetalsinpureculture.PLoSONE,7(10):e47968)。然而粉末状菌丝体回收成本高且操作十分复杂，菌丝吸附时间过长会造成金属离子的解吸附，因此难以应用于实践。目前DSE完整菌丝球对重金属吸附作用的相关研究及应用方法还未见公开报道。

而无论是采用何种微生物，也无论是利用其的吸附作用或者沉淀作用，微生物处理重金属污染时，都需要面对一个问题：如何给微生物提供一个稳定安全的“工作环境”，微生物“员工”因其弱小性、个体寿命短，在工作过程中极易全军覆没(包括环境恶化致使死亡、无法顺利繁殖而迅速消亡等)或者走失(被水流带走等)，而导致治理失败。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开的水体铅离子富集处理装置，利用微生物对污染水体中铅离子的富集与处理作用，并主动提供稳定的繁殖环境-培养基以培养繁殖功能菌类并促进其与水体中的铅离子进行反应，而达到对污染水体中铅离子富集和处理的目的，对各种水体具有良好的适应性，微生物活性好，对污染的处理能力强。

本发明公开的水体铅离子富集处理装置，包括

壳体，其为刚性结构件，并且壳体上具有供水体和菌种进出的窗口；

设置于壳体内侧的网孔层(网孔层优选为编织网层)，其上具有起到过滤作用并供水体和菌种进出的孔结构；

设置于网孔层内侧的介质层，其包括多孔活性材料，铅离子与菌种于多孔活性材料处进行反应而实现对铅离子的富集和回收(在整个装置中，介质层是菌种与铅离子进行反应的主要区域，在其它结构也也可以发生反应活动)，铅离子包括游离铅离子、铅络合离子；

设置于介质层内侧的培养基(培养基仅需要在营养不足以支持菌类生长繁殖时才需要更换)，其供菌种生长与繁殖。

本发明方案利用微生物对污染水体中铅离子的富集与处理作用，并主动提供稳定的繁殖环境-培养基和工作环境-介质层以培养繁殖功能菌类并促进其与水体中的铅离子进行反应，而达到对污染水体中铅离子富集和处理的目的，从而为污染水体的治理提供了一种高效低成本的途径，同时本方案通过设置壳体、网孔层、介质层以及培养基的配合，使得该装置不仅仅适用于封闭水体、低流速水体的治理，还能够有效适应于高流速(激流水体)的处理，避免高流速水体对菌落丰度的影响。无论在何种水流条件下，本方案均可以通过培养基提供的营养和适合环境从而始终保持在介质层具有足够多的菌落丰度，满足水体中铅离子富集处理的要求，同时通过外层的壳体防护、网孔层过滤以及介质层的进一步缓冲等防护措施，有效避免了杂质进入和降低设备损坏几率。

本发明公开的水体铅离子富集处理装置的一种改进，介质层包括至少一层介质单元。本方案设置至少一层介质单元，可以在使用维护过程中对外界环境进行环境，而在装置内为菌类提供相对的稳定的生长繁殖和与铅离子反应的环境，同时还便于设备的维护更换，降低维护成本。

本发明公开的水体铅离子富集处理装置的一种改进，当介质层包括两层或两层以上介质单元时，其至少部分相邻的两侧介质单元之间还设置有阻隔网层。本方案通过设置的多层介质单元和阻隔网层(即具有网孔的网结构)结构，不仅仅提高了介质层牢固性，放置各层的介质泄漏，便于维护，同时为菌类提供相对的稳定的生长繁殖和与铅离子反应的环境，还起到了逐层过滤，而起到水体环境平衡缓冲的作用。

本发明公开的水体铅离子富集处理装置的一种改进，介质层主要由生物碳填充得到，生物碳为稻壳炭、果壳炭、骨炭、秸秆炭、木炭(本方案木炭指有灌木或者乔木类树木的枝干获得的木材或者木质材料经碳化加工而获得的)中的一种或者几种。采用生物碳介质层可以为微生物提供良好的营养环境——为微生物提供了良好的生长繁殖和工作环境，，从而促进其繁殖并始终保持良好的生物活性，同时可以起到良好的吸附作用，避免被微生物富集的铅再次流失，并且有利于对铅的回收，仅需要更换介质层即可实现回收并迅速再次投入工作，而微生物的生长、繁殖和工作无明显影响，菌落无需二次培植。

本发明公开的水体铅离子富集处理装置的一种改进，壳体为柱形。

本发明公开的水体铅离子富集处理装置的一种改进，壳体上端和/或下端还设置有供装拆其内结构和清理的端部开口。本方案设置的端部开口便于在使用维护中操作，并且利于对设备的清洗、回收再利用，而降低了应用和维护成本。

本发明公开的水体铅离子富集处理装置的一种改进，壳体对应于端部开口还设置有用于封闭的端盖。

本发明公开的水体铅离子富集处理装置的一种改进，当壳体为柱形时，培养基沿壳体的中心轴设置。本方案设置在中心轴位置的培养基和柱形的壳体，使得装置中各个方向的铅离子和菌类都具有较为平均的游移路程，从而使得整个处理装置在各个方向的都具有较为充分高效的处理效率，而保障装置水处理的高效性和效率稳定性。

本发明公开的水体铅离子富集处理装置的一种改进，菌种为为如下一种或者几种：鲑色诺卡氏菌、沼泽红假单胞菌、深红诺卡氏菌、珊瑚诺卡氏菌、嗜热毁丝霉、铜绿假单胞菌、解糖热解纤维素菌、白地霉、肺炎克雷伯氏菌(保藏号为CGMCC No.2016，简称为Z-KAE15)、海洋盐单胞菌(如保藏号：CCTCC NO：M205050)。

以上各菌种其每升培养基中营养物质(基质可以为琼脂、寒天粉、石花菜提取物等)的配比如下(单位，克)：

(1)、鲑色诺卡氏菌(Nocardia salmonicolor)(PH7.2)

酵母菌4

蛋白胨5

葡萄糖4

(2)、沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonas palustris)(PH6.8)

酵母菌3

蛋白胨3

CaCl₂ 3

MgSO₄ 2

(3)、深红诺卡氏菌(Nocardia rubropertincta)(PH7.2)

葡萄糖6

K₂HPO₄ 0.5

(4)、珊瑚诺卡氏菌(Nocardia corallina)(PH7.0)

蛋白胨3

牛肉浸取物3

NaCl 5

(5)、嗜热毁丝霉(Myceliophthora thermophila)

马铃薯浸取物干态10

葡萄糖16

(6)、铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)(PH7.0)

蛋白胨10

牛肉浸取物3

NaCl 5

(7)、解糖热解纤维素菌(Caldicel lulosiruptor)(PH7.2)

酵母膏1

NH₄Cl₂ 1.5

NaCl 2

FeCl₃ 4

(8)、白地霉(Geotrichum candidum)

50Be麦芽汁1

琼脂15

(9)、肺炎克雷伯氏菌(其培养基可以为牛肉膏蛋白胨培养基、淀粉琼脂培养基、查氏培养基、CGY培养基，而不作特别限定)

(10)、海洋盐单胞菌(pH 7.4)

葡萄糖10g，KH₂PO₄2g，K₂HPO₄5g，MgSO₄.7H₂O0.5～10g，NH₄Cl1g，NaCl24g，酵母膏0.6g

本发明公开的水体铅离子富集处理装置，利用微生物对污染水体中铅离子的富集与处理作用，并主动提供稳定的繁殖环境-培养基以培养繁殖功能菌类，和良好的工作环境并且有利于对富集后的铅进行吸附固定避免二次流失，提高微生物对铅离子的富集效率，而达到对污染水体中铅离子富集和处理的目的，对各种水体具有良好的适应性，微生物活性好，对污染的处理能力强，并且设备利用效率高，维护使用成本低廉。

附图说明

图1、本发明公开的水体铅离子富集处理装置的一种实施方案的主视图；

图2、图1所示的本发明公开的水体铅离子富集处理装置的一种实施方案的剖视图。

附图标记列表：

1、壳体；2、编织网层；3、介质层；

4、培养基；5、上端部开口；6、下端部开口；

7、分隔网。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

实施例1

本实施例中，水体铅离子富集处理装置，包括

壳体，其为刚性结构件，并且壳体上具有供水体和菌种进出的窗口；

设置于壳体内侧的网孔层，其上具有起到过滤作用并供水体和菌种进出的孔结构；

设置于网孔层内侧的介质层，其包括多孔活性材料，铅离子与菌种于多孔活性材料处进行反应而实现对铅离子的富集和回收，铅离子包括游离铅离子、铅络合离子；

设置于介质层内侧的培养基，其供菌种生长与繁殖。

实施例2

本实施例中，与实施例1的区别仅在于网孔层为编织网层。

与上述实施例相区别的，介质层包括一层介质单元(介质层还可以设置有两层介质单元、三层介质单元、四层介质单元、五层介质单元、六层介质单元、七层介质单元、八层介质单元、九层介质单元或者更多层介质单元)。

与上述实施例相区别的，当介质层包括两层或两层以上介质单元时，其至少部分相邻的两侧介质单元之间还设置有阻隔网层，即当介质层包括两层或两层以上介质单元时，如当介质层设置有两层介质单元、三层介质单元、四层介质单元、五层介质单元、六层介质单元、七层介质单元、八层介质单元、九层介质单元或者更多层介质单元，该多层介质单元中可以部分相邻的两侧介质单元之间设置有阻隔网层(如设置介质层设置有三层介质单元时，其两两相邻的介质单元形成两个间隙处，其中一个间隙处设置阻隔网层，而另一个不设置而由相邻的两介质单元自身相接触)，也可以全部的相邻的两侧介质单元之间均设置有阻隔网层。

与上述实施例相区别的，阻隔网层为编织网层。

与上述实施例相区别的，介质层主要由生物碳填充得到，生物碳为稻壳炭(生物碳还可以为包括而不限于如下情形的任一：果壳炭；骨炭；秸秆炭；木炭；稻壳炭、果壳炭；骨炭、秸秆炭；木炭、稻壳炭；果壳炭、骨炭；秸秆炭、木炭；稻壳炭、果壳炭、骨炭；秸秆炭、木炭、稻壳炭；果壳炭、骨炭、秸秆炭；木炭、稻壳炭、果壳炭；骨炭、秸秆炭、木炭；稻壳炭、果壳炭、骨炭、秸秆炭；木炭、稻壳炭、果壳炭、骨炭；秸秆炭、木炭、稻壳炭、果壳炭；骨炭、秸秆炭、木炭、稻壳炭；果壳炭、骨炭、秸秆炭、木炭；稻壳炭、果壳炭、骨炭、秸秆炭、木炭)。

与上述实施例相区别的，壳体为柱形。

与上述实施例相区别的，壳体上端还设置有供装拆其内结构和清理的端部开口。

与上述实施例相区别的，壳体下端还设置有供装拆其内结构和清理的端部开口。

与上述实施例相区别的，壳体上端和下端均还设置有供装拆其内结构和清理的端部开口。

与上述实施例相区别的，当壳体为柱形时，培养基沿壳体的中心轴设置。

与上述实施例相区别的，介质层与培养基之间还设置有分隔网。

与上述实施例相区别的，菌种为鲑色诺卡氏菌(菌种还可以为包括而不限于如下任一：沼泽红假单胞菌；深红诺卡氏菌；珊瑚诺卡氏菌；嗜热毁丝霉；铜绿假单胞菌；解糖热解纤维素菌；白地霉；肺炎克雷伯氏菌；海洋盐单胞菌；鲑色诺卡氏菌、沼泽红假单胞菌菌群；深红诺卡氏菌、珊瑚诺卡氏菌菌群；嗜热毁丝霉、铜绿假单胞菌菌群；解糖热解纤维素菌、白地霉菌群；肺炎克雷伯氏菌、海洋盐单胞菌菌群；鲑色诺卡氏菌；沼泽红假单胞菌、深红诺卡氏菌菌群；珊瑚诺卡氏菌、嗜热毁丝霉菌群；铜绿假单胞菌、解糖热解纤维素菌菌群；白地霉、肺炎克雷伯氏菌菌群；海洋盐单胞菌、菌群；鲑色诺卡氏菌、沼泽红假单胞菌、深红诺卡氏菌菌群；珊瑚诺卡氏菌、嗜热毁丝霉、铜绿假单胞菌菌群；解糖热解纤维素菌、白地霉、肺炎克雷伯氏菌菌群；海洋盐单胞菌、、鲑色诺卡氏菌菌群；沼泽红假单胞菌、深红诺卡氏菌、珊瑚诺卡氏菌菌群；嗜热毁丝霉、铜绿假单胞菌、解糖热解纤维素菌菌群；白地霉、肺炎克雷伯氏菌、海洋盐单胞菌菌群以及更多种菌类组成的菌群，混合菌群时对菌类的组合配比无特定限定，并且中心的培养基则以多种菌类对应的培养基块共同组成，并且每种培养基块均与外界有接触面)。

如图1和图2所示，本发明方案一种实施例的水体铅离子富集处理装置，包括具有窗口的壳体1，设置于壳体上、下两端的上端部开口5和下端部开口6，以及匹配与上端部开口5和下端部开口6的上端盖和下端盖；设置于壳体1内侧的编织网层2；设置于编织网层2内侧的介质层3，其为一层稻壳炭填充而成；设置于介质层3与培养基4之间的分隔网7；设置于分隔网7内侧的培养基4，其为适应菌种生长繁殖的富含营养的培养基(可以为琼脂与营养物质调制得到的)，其中菌种为肺炎克雷伯氏菌，1升培养基中含葡萄糖10g，KH₂PO₄2g，K₂HPO₄5g，MgSO₄.7H₂O 0.5～10g，NH₄Cl 1g，NaCl 24g，酵母膏0.6g，pH7.4，在菌种引入完成后，在使菌种初步繁殖稳定后再置于治理水体。装配完成的水体铅离子富集处理装置置于需要治理的水体中，装置中可以预先培养有菌株，也可以在水体中由其自行培育生长(此时效率较低，且易导致死亡)，水流携带金属元素在经过编织网层2过滤后到达介质层3，主要在该层与相应的菌类发生沉淀或者吸附等，而实现对铅离子的富集，菌类由培养基4提供足够的营养而保证装置内的菌株浓度，从而保证具有良好的生物活性，而在培养基营养不足或者介质层富集到足够的铅后则从水体取出该装置，打开其上端盖和下端盖由上端部开口5和下端部开口6对培养基或介质层进行更换回收、清理清洗，重新组装后此时最好也预先培养繁殖一段时间再重新放入水体)即可重新放入水体。取出的介质层，经过浸渍分离铅元素后，再行电解或者直接获取铅盐。

本处实施例对本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处以及在实施例技术方案中对单个或者多个技术特征的同等替换所形成的新的技术方案，同样都在本发明要求保护的范围内；同时本发明方案所有列举或者未列举的实施例中，在同一实施例中的各个参数仅仅表示其技术方案的一个实例(即一种可行性方案)，而各个参数之间并不存在严格的配合与限定关系，其中各参数在不违背公理以及本发明述求时可以相互替换，特别声明的除外。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。以上所述是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种水体铅离子富集处理装置，包括

壳体，其为刚性结构件，并且壳体上具有供水体和菌种进出的窗口；

设置于壳体内侧的网孔层，其上具有起到过滤作用并供水体和菌种进出的孔结构；

设置于网孔层内侧的介质层，其包括多孔活性材料，铅离子与菌种于多孔活性材料处进行反应而实现对铅离子的富集和回收，所述铅离子包括游离铅离子、铅络合离子；

设置于介质层内侧的培养基，其供菌种生长与繁殖。

2.根据权利要求1所述的水体铅离子富集处理装置，其特征在于，所述介质层包括至少一层介质单元。

3.根据权利要求2所述的水体铅离子富集处理装置，其特征在于，当介质层包括两层或两层以上介质单元时，其至少部分相邻的两侧介质单元之间还设置有阻隔网层。

4.根据权利要求1-3任一所述的水体铅离子富集处理装置，其特征在于，所述介质层主要由生物碳填充得到，所述生物碳为稻壳炭、果壳炭、骨炭、秸秆炭、木炭中的一种或者几种。

5.根据权利要求1所述的水体铅离子富集处理装置，其特征在于，所述壳体为柱形。

6.根据权利要求1或5所述的水体铅离子富集处理装置，其特征在于，所述壳体上端和/或下端还设置有供装拆其内结构和清理的端部开口。

7.根据权利要求6所述的水体铅离子富集处理装置，其特征在于，所述壳体对应于端部开口还设置有用于封闭的端盖。

8.根据权利要求5所述的水体铅离子富集处理装置，其特征在于，当壳体为柱形时，所述培养基沿壳体的中心轴设置。

9.根据权利要求1所述的水体铅离子富集处理装置，其特征在于，所述菌种为为如下一种或者几种：鲑色诺卡氏菌、沼泽红假单胞菌、深红诺卡氏菌、珊瑚诺卡氏菌、嗜热毁丝霉、铜绿假单胞菌、解糖热解纤维素菌、白地霉、肺炎克雷伯氏菌、海洋盐单胞菌。