CN109576139B - 一种生物还原预处理提高赤铁矿磁性的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生物还原预处理提高赤铁矿磁性的方法与装置，所述装置包括赤铁矿生物还原反应器、车库式干发酵反应器、生物预处理反应器、集液池和热电厂块；对赤铁矿生物还原反应器，其排气管通过气管连接热电厂块，其矿浆进口管通过管道连接集液池壳体的出液口，设于其侧壁的溢流口通过管道连接车库式干发酵反应器；对车库式干发酵反应器，其顶端的排气管通过气管连接热电厂块，其进料口通过管道连接生物预处理反应器的出料口，其出液口通过管连接集液池。本发明利用厌氧处理固体有机废料产生小分子有机物，所产生的小分子有机物可提供电子供体，将赤铁矿中Fe2O3生物还原为Fe3O4，从而提高赤铁矿的磁性。

Description

一种生物还原预处理提高赤铁矿磁性的方法与装置
技术领域
本发明涉及一种赤铁矿选别技术，具体而言，本发明涉及一种生物还原预处理提高赤铁矿磁性的方法与装置。
背景技术
钢铁工业的快速发展导致了我国铁矿石需求量的快速增长。从我国铁矿资源的利用情况来看，易选的磁铁矿资源正面临日益短缺的局面，而占铁矿石资源总量18％以上的赤铁矿资源由于原矿品位低、磁性弱、选矿加工成本高，开发利用的水平较低。因此研究如何经济、合理和高效的利用丰富的赤铁矿资源，对缓解当前我国铁矿资源严重紧缺的矛盾、确保钢铁行业的可持续发展具有十分重要的战略意义。
赤铁矿粒度细、磁性弱，需要强磁选机才能选别。一般为提高赤铁矿的回收率，采用提高磁选机的磁选强度，但磁选强度的提高又降低了精矿的品位。伍喜庆等为提高赤铁矿的回收率，采用空气氧化法在矿浆中直接合成磁性Fe3O4粒子，从而达到表面磁化弱磁性赤铁矿的目的[1]。该方法是在pH＞12、50℃温度下进行，虽然提高了赤铁矿的回收率，但降低了赤铁矿精矿的品位，同时存在设备腐蚀严重及能耗高的问题。提高赤铁矿磁性的另一方法是利用CO或煤粉在高温下将赤铁矿还原磁铁矿。该方法效果显著，但是能耗高且污染大。赤铁矿的微生物还原磁化，其是利用微生物代谢有机物产生的电子，直接将赤铁矿中弱磁性的Fe2O3还原为Fe3O4，从而达到提高赤铁矿磁性的目的。
近年来，随着生物学科的飞速发展，以及矿石资源贫化严重，通过微生物处理矿石能耗低，污染少甚至无污染，符合绿色冶金的要求。
文中涉及如下参考文献：
[1]伍喜庆，段云峰，许鹏云，曹扬帆，刘杰.赤铁矿表面磁化研究.矿冶工程，2011，31(6)：39-42，50.
发明内容
本发明的目的是提供一种生物还原预处理提高赤铁矿磁性的方法与装置。
本发明在提高赤铁矿磁性的同时，还能提高赤铁矿的回收率和品位，降低赤铁矿选冶成本，同时具有环境污染小的优点，对节能减排和环境治理都具有重要的意义。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供的生物还原预处理提高赤铁矿磁性的装置，包括赤铁矿生物还原反应器、车库式干发酵反应器、生物预处理反应器(26)、集液池和热电厂块(33)；
所述赤铁矿生物还原反应器包括还原反应器壳体(1)、溢流槽(2)、传动装置(3)、稳流筒(4)、主轴(5)、刮臂(6)、刮板(7)、栅条(8)、填料函(9)、矿浆进口管(10)、集砂坑(11)和沉砂管(12)；
其中，溢流槽(2)设于还原反应器壳体(1)内侧壁；传动装置(3)设于还原反应器壳体(1)顶部外，传动装置(3)的输出轴连接位于还原反应器壳体(1)中心轴位置的主轴(5)；填料函(9)设于还原反应器壳体(1)顶端，主轴(5)穿过填料函(9)；主轴(5)上固定连接有稳流筒(4)和刮臂(6)，稳流筒(4)位于刮臂(6)上方；矿浆进口管(10)出口端伸入稳流筒(4)稳流筒(4)内；刮臂(6)底端设有接触还原反应器壳体(1)底面的刮板(7)；刮臂(6)上还设有栅条(8)；还原反应器壳体(1)底部设有集砂坑(11)，集砂坑(11)底部开设出口，出口处设置延伸至还原反应器壳体(1)外的沉砂管(12)；
所述车库式干发酵反应器包括U形壳体(17)、气密性门(18)、喷淋装置(19)、发酵室地板(20)、机械搅拌器(21)、倾斜防渗地基(22)、采暖进水管(31)及采暖出水管(32)；
其中，气密性门(18)用来密封U形壳体(17)的开口；喷淋装置(19)设于U形壳体(17)顶面；倾斜防渗地基(22)位于发酵室地板(20)下方；机械搅拌器(21)横向设于U形壳体(17)内；采暖进水管(31)和采暖出水管(32)设于发酵室地板(20)下，采暖进水管(31)和采暖出水管(32)均连接热电厂块(33)；
所述U形壳体(17)，其进料口通过管道连接生物预处理反应器(26)的出料口，其出液口和集液池的进液口通过管道连接，其排气口通过管道连接热电厂块(33)，所述喷淋装置(19)的进液口通过管道连接还原反应器壳体(1)侧壁上的溢流口，所述溢流口连通溢流槽(2)且与溢流槽(2)底端平齐；
所述还原反应器壳体(1)，其排气口通过管道连接热电厂块(33)；
所述集液池的集液池壳体(35)，其出液口通过管道连接矿浆进口管(10)。
作为优选，刮板(7)角度可调。
作为优选，U形壳体(17)的出液口位于U形壳体(17)的最低点。
本发明提供的生物还原预处理提高赤铁矿磁性的方法，采用上述装置，包括：
(1)对赤铁矿依次进行一次磨矿、强磁选、二次磨矿，获得预处理后的赤铁矿，预处理后的赤铁矿经矿浆进口管(10)泵入赤铁矿生物还原反应器；
(2)在车库式干发酵反应器进行异化金属还原菌和电活性甲烷厌氧氧化菌的筛选、富集及扩培，获得功能混合微生物；
(3)将固体有机废料在生物预处理反应器内进行生物水解发酵；
(4)将生物水解发酵完成后的固体有机废料输送至车库式干发酵反应器继续培养，至检测到甲烷后，执行步骤(5)；
(5)车库式干发酵反应器底部滤液和扩培获得的功能混合微生物输送至赤铁矿生物还原反应器；
(6)赤铁矿生物还原反应器内，功能混合微生物及滤液中的小分子有机产生的电子直接将赤铁矿中的Fe2O3还原为Fe3O4；赤铁矿生物还原反应器内的溢流液收集在溢流槽(2)后，又输送至车库式干发酵反应器的喷淋装置(19)，被喷淋出来；
(7)当赤铁矿生物还原反应器内赤铁矿磁性不再变化时，生物还原预处理结束。
进一步的，异化金属还原菌和电活性甲烷厌氧氧化菌的筛选、富集及扩培，具体为：
以赤铁矿和氢氧化铁胶体为电子受体，以水稻田污泥和厌氧活性污泥为接种物，以乙酸钠为电子供体，进行厌氧培养，获得筛选、富集的异化金属还原菌和电活性甲烷厌氧氧化菌；
以异化金属还原菌、电活性甲烷厌氧氧化菌以及Geobacter metallireducens、Geobacter grbiciae、Geobacter sulfurreducens、Methanosarcina barkeri strainFusaro、Methanosarcina mazei strain OCM88、Methanobacterium palustre、Methanosarcina barkeri 800、Methanosarcina barkeri、Methanosarcina mazei为接种物，以赤铁矿为电子受体，以乙酸钠为电子供体，进行厌氧扩培。
进一步的，所述固体有机废料为玉米秸秆颗粒和/或动物粪便。
本发明利用车库式干发酵反应器厌氧处理农业和城市的固体有机废料(例如颗粒秸秆、牛粪等)产生小分子有机物，所产生的小分子有机物可提供电子供体，从而将赤铁矿中Fe2O3生物还原为Fe3O4。
和现有技术相比，本发明具有以下特点和有益效果：
(1)本发明在利用有机废弃物来提高赤铁矿磁性的同时，还可实现固体有机废气物的治理。
(2)本发明中，秸秆等有机废弃物的水解剩余物还可与尾矿堆肥，用来促进植被生长，有利于矿区生态环境的修复。
(3)本发明可提高赤铁矿的回收率和品位，降低赤铁矿选冶成本，同时，还具有环境污染小的优点，对节能减排和环境治理都具有重要的意义
附图说明
图1为本发明装置具体的原理结构示意图。
图中，1-还原反应器壳体，2-溢流槽，3-传动装置，4-稳流筒，5-主轴，6-刮臂，7-刮板，8-栅条，9-填料函，10-矿浆进口管，11-集砂坑，12-沉砂管，14、16、23、25、34、38、39、41-管，13、15、40-泵，17-U形壳体，18-气密性门，19-喷淋装置，20-发酵室地板，21-机械搅拌器，22-倾斜防渗地基，24、37-阀，26-生物预处理反应器，27-进料槽，28-排气管，29-气管，30-排气管，31-采暖进水管，32-采暖出水管，33-热电厂块，35-集液池壳体，36-排液管。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例
本实施例将提供生物还原预处理提高赤铁矿磁性的装置的一种具体结构，以及采用该装置提高赤铁矿磁性的详细过程。
参见图1，所示装置主要包括赤铁矿生物还原反应器、车库式干发酵反应器、生物预处理反应器26、集液池和热电厂块33。所述赤铁矿生物还原反应器包括还原反应器壳体1、溢流槽2、传动装置3、稳流筒4、主轴5、刮臂6、刮板7、栅条8、填料函9、矿浆进口管10、集砂坑11和沉砂管12。其中，溢流槽2设于还原反应器壳体1内侧壁；传动装置3设于还原反应器壳体1顶部外，传动装置3的输出轴连接位于还原反应器壳体1中心轴位置的主轴5，其用来驱动主轴5旋转。填料函9设于还原反应器壳体1顶端，主轴5穿过填料函9。主轴5上固定连接有稳流筒4和刮臂6，稳流筒4位于刮臂6上方，主轴5旋转将带动稳流筒4和刮臂6同步旋转，刮臂6旋转可对浆料进行搅拌。矿浆进口管10出口端伸入稳流筒4内，浆料从矿浆进口管10进入稳流筒4内，由矿浆进口管10缓慢溢到反应器壳体1内，从而起到稳流的作用。刮臂6底端设有接触还原反应器壳体1底面的刮板7，刮板7用来对还原反应器壳体1底面进行刮扫。本实施例中，刮板7优选为角度可调。刮臂6上还设有栅条8。还原反应器壳体1底部设有集砂坑11，集砂坑11底部开设出口，出口处设置延伸至还原反应器壳体1外的沉砂管12，沉砂管12上设有泵13，沉砂管12用于出料。
所述车库式干发酵反应器包括U形壳体17、气密性门18、喷淋装置19、发酵室地板20、机械搅拌器21、倾斜防渗地基22、采暖进水管31及采暖出水管32。其中，气密性门18用来密封U形壳体17的开口；喷淋装置19设于U形壳体17顶面，并依次通过管16、泵15、管14连接还原反应器壳体1侧壁上的溢流口，所述溢流口连通溢流槽2且与溢流槽2底端平齐，溢流槽2内液体通过溢流口和管道，进入喷淋装置19，并喷淋到U形壳体17内。倾斜防渗地基22位于发酵室地板20下方，发酵产生的滤液渗透至倾斜防渗地基22，并通过设于U形壳体17最低点处的渗液出口进入集液池。机械搅拌器21横向设于U形壳体17内；采暖进水管31和采暖出水管32设于发酵室地板20下，采暖进水管31和采暖出水管32均连接热电厂块33，用来给发酵室地板20供暖。
所述U形壳体17的进料口依次通过管23、阀24、管25连接生物预处理反应器26的出料口。粉碎的固体有机废料(例如玉米秸秆)通过进料槽27进入生物预处理反应器26。U形壳体17顶部设有排气管28，排气管28通过气管29连接热电厂块33。所述U形壳体17的出液口通过管34连接集液池的集液池壳体35，出液口设于U形壳体17的最低点处。集液池壳体35的出口依次通过管39、泵40、管41连接矿浆进口管10，集液池壳体35底部设有排液管36，排液管36通过阀37连接管38。
为便于理解，下面将单独提供赤铁矿生物还原反应器、车库式干发酵反应器、生物预处理反应器26、集液池和热电厂块33间的管道连接关系。
设于还原反应器壳体1顶端的排气管30通过气管29连接热电厂块33，还原反应器壳体1的矿浆进口管10依次通过管41、泵40、管39连接集液池壳体的出液口，设于还原反应器壳体1侧壁的溢流口依次通过管14、泵15、管16连接喷淋装置19。U形壳体17顶端的排气管28通过气管29连接热电厂块33，U形壳体17的进料口依次通过管23、阀24、管25连接生物预处理反应器26的出料口；U形壳体17的出液口通过管34连接集液池壳体35。
下面将提供利用上述装置对赤铁矿进行生物还原预处理的步骤：
①赤铁矿的预处理
对赤铁矿依次进行一次磨矿、强磁选、二次磨矿，获得预处理后的赤铁矿。磨矿粒度由赤铁矿的嵌布粒度决定。以砂泵为动力源，将预处理后的赤铁矿经矿浆进口管10泵入还原反应器壳体1内。
②异化金属还原菌和电活性甲烷厌氧氧化菌的筛选、富集及扩培
异化金属还原菌和电活性甲烷厌氧氧化菌的筛选、富集及扩培的条件为：
以赤铁矿和氢氧化铁胶体为电子受体，以水稻田污泥和厌氧活性污泥为接种物，以乙酸钠为电子供体，在35℃下厌氧培养，获得筛选、富集的异化金属还原菌和电活性甲烷厌氧氧化菌。
以异化金属还原菌、电活性甲烷厌氧氧化菌以及Geobacter metallireducens、Geobacter grbiciae、Geobacter sulfurreducens、Methanosarcina barkeri strainFusaro(
Figure BDA0001845181950000067
BAA-2329)、Methanosarcina mazei strain OCM88(
Figure BDA0001845181950000068
BAA-159)、Methanobacterium palustre(
Figure BDA0001845181950000069
BAA-1077)、Methanosarcina barkeri 800(DSM800)、Methanosarcina barkeri(DSM 8687)及Methanosarcina mazei(DSM 10132)为接种物、以赤铁矿为电子受体，以乙酸钠为电子供体，在35℃下进行厌氧扩培。
③固体有机废料的生物预处理
本实施例采用对玉米秸秆进行生物预处理，生物预处理条件为：将玉米秸秆粉粹至粒度为1mm～3mm，其含水量65％，木质素降解菌接种量5％，于28℃下培养7～15天。
④车库式干发酵反应器的启动
启动条件为：生物预处理后的玉米秸秆与鸡粪(w/w＝5∶1)、原料总固含物浓度为20％(w/w)、接种量25％(污水处理厂的厌氧活性污泥)、35℃下培养，当车库式干发酵反应器中能检测到甲烷时，启动完成。
车库式干发酵反应器内主要发生如下反应：
Figure BDA0001845181950000061
Figure BDA0001845181950000062
Figure BDA0001845181950000063
Figure BDA0001845181950000064
Figure BDA0001845181950000065
Figure BDA0001845181950000066
⑤赤铁矿的生物还原预处理
将扩培获得的功能混合微生物与车库式干发酵反应器的滤液按2∶8(v/v)的比例混合，再泵送到赤铁矿生物还原反应器内进行赤铁矿的生物还原预处理。该预处理过程中，实时检测赤铁矿磁性，当磁性不再变化时，则结束该预处理。之后，利用砂泵将赤铁矿生物还原反应器内的赤铁矿，通过沉砂管12输送至磁选机，采用弱磁选即可对磁性得到提高的赤铁矿进行分选。
赤铁矿生物还原反应器内主要发生如下反应：
Figure BDA0001845181950000071
Figure BDA0001845181950000072
Figure BDA0001845181950000073
Figure BDA0001845181950000074
Figure BDA0001845181950000075
Figure BDA0001845181950000076
Figure BDA0001845181950000077
Figure BDA0001845181950000078
Figure BDA0001845181950000079
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明专利精神作举例说明。本发明专利所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明专利的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种生物还原预处理提高赤铁矿磁性的装置，其特征是：
包括赤铁矿生物还原反应器、车库式干发酵反应器、生物预处理反应器(26)、集液池和热电厂块(33)；
所述赤铁矿生物还原反应器包括还原反应器壳体(1)、溢流槽(2)、传动装置(3)、稳流筒(4)、主轴(5)、刮臂(6)、刮板(7)、栅条(8)、填料函(9)、矿浆进口管(10)、集砂坑(11)和沉砂管(12)；
其中，溢流槽(2)设于还原反应器壳体(1)内侧壁；传动装置(3)设于还原反应器壳体(1)顶部外，传动装置(3)的输出轴连接位于还原反应器壳体(1)中心轴位置的主轴(5)；填料函(9)设于还原反应器壳体(1)顶端，主轴(5)穿过填料函(9)；主轴(5)上固定连接有稳流筒(4)和刮臂(6)，稳流筒(4)位于刮臂(6)上方；矿浆进口管(10)出口端伸入稳流筒(4)稳流筒(4)内；刮臂(6)底端设有接触还原反应器壳体(1)底面的刮板(7)；刮臂(6)上还设有栅条(8)；还原反应器壳体(1)底部设有集砂坑(11)，集砂坑(11)底部开设出口，出口处设置延伸至还原反应器壳体(1)外的沉砂管(12)；
所述车库式干发酵反应器包括U形壳体(17)、气密性门(18)、喷淋装置(19)、发酵室地板(20)、机械搅拌器(21)、倾斜防渗地基(22)、采暖进水管(31)及采暖出水管(32)；
其中，气密性门(18)用来密封U形壳体(17)的开口；喷淋装置(19)设于U形壳体(17)顶面；倾斜防渗地基(22)位于发酵室地板(20)下方；机械搅拌器(21)横向设于U形壳体(17)内；采暖进水管(31)和采暖出水管(32)设于发酵室地板(20)下，采暖进水管(31)和采暖出水管(32)均连接热电厂块(33)；
所述U形壳体(17)，其进料口通过管道连接生物预处理反应器(26)的出料口，其出液口和集液池的进液口通过管道连接，其排气口通过管道连接热电厂块(33)，所述喷淋装置(19)的进液口通过管道连接还原反应器壳体(1)侧壁上的溢流口，所述溢流口连通溢流槽(2)且与溢流槽(2)底端平齐；
所述还原反应器壳体(1)，其排气口通过管道连接热电厂块(33)；
所述集液池的集液池壳体(35)，其出液口通过管道连接矿浆进口管(10)。
2.如权利要求1所述的生物还原预处理提高赤铁矿磁性的装置，其特征是：
所述刮板(7)角度可调。
3.如权利要求1所述的生物还原预处理提高赤铁矿磁性的装置，其特征是：
所述U形壳体(17)的出液口位于U形壳体(17)的最低点。
4.一种生物还原预处理提高赤铁矿磁性的方法，其特征是：
采用权利要求1～3中任一项所述的装置，包括：
(1)对赤铁矿依次进行一次磨矿、强磁选、二次磨矿，获得预处理后的赤铁矿，预处理后的赤铁矿经矿浆进口管(10)泵入赤铁矿生物还原反应器；
(2)在车库式干发酵反应器进行异化金属还原菌和电活性甲烷厌氧氧化菌的筛选、富集及扩培，获得功能混合微生物；
(3)将固体有机废料在生物预处理反应器内进行生物水解发酵；
(4)将生物水解发酵完成后的固体有机废料输送至车库式干发酵反应器继续培养，至检测到甲烷后，执行步骤(5)；
(5)车库式干发酵反应器底部滤液和扩培获得的功能混合微生物输送至赤铁矿生物还原反应器；
(6)赤铁矿生物还原反应器内，功能混合微生物及滤液中的小分子有机产生的电子直接将赤铁矿中的Fe2O3还原为Fe3O4；赤铁矿生物还原反应器内的溢流液收集在溢流槽(2)后，又输送至车库式干发酵反应器的喷淋装置(19)，被喷淋出来；
(7)当赤铁矿生物还原反应器内赤铁矿磁性不再变化时，生物还原预处理结束。
5.如权利要求4所述的生物还原预处理提高赤铁矿磁性的方法，其特征是：
异化金属还原菌和电活性甲烷厌氧氧化菌的筛选、富集及扩培，具体为：
以赤铁矿和氢氧化铁胶体为电子受体，以水稻田污泥和厌氧活性污泥为接种物，以乙酸钠为电子供体，进行厌氧培养，获得筛选、富集的异化金属还原菌和电活性甲烷厌氧氧化菌；
以异化金属还原菌、电活性甲烷厌氧氧化菌为接种物，以赤铁矿为电子受体，以乙酸钠为电子供体，进行厌氧扩培。
6.如权利要求4所述的生物还原预处理提高赤铁矿磁性的方法，其特征是：
所述固体有机废料为玉米秸秆颗粒和/或动物粪便。
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