CN113264617A

CN113264617A - 一种介电泳辅助的放射性海洋污水微藻清洁装置及方法

Info

Publication number: CN113264617A
Application number: CN202110594757.8A
Authority: CN
Inventors: 赵凯; 赵迅; 陈斌; 高天博; 魏云蔓; 唐梦娆; 王俊生; 潘新祥
Original assignee: Dalian Maritime University
Current assignee: Dalian Maritime University
Priority date: 2021-05-28
Filing date: 2021-05-28
Publication date: 2021-08-17

Abstract

本发明提供一种介电泳辅助的放射性海洋污水微藻清洁装置及方法。本发明装置，包括：废水池、液体驱动泵、捕获池、交流信号发生器、净水池；废水池、液体驱动泵、捕获池以及净水池依次由橡胶软管连接；其中：废水池用于存储含有重金属离子或放射性核素⁹⁰Sr的海洋污水；液体驱动泵用于将废水池中含有微藻的海洋污水引流到捕获池中；捕获池用于捕获吸附了大量重金属或放射性核素的微藻；交流信号发生器用于产生特定频率的交流信号，并施加到捕获池产生不均匀电场；净水池用于接收并存储经过处理后的海水。本发明将介电泳捕获技术和微生物处理技术相结合，去除海洋污水中的重金属离子和放射性核素(⁹⁰Sr)，从而实现水质净化。

Description

一种介电泳辅助的放射性海洋污水微藻清洁装置及方法

技术领域

本发明涉及微藻除污和介电泳捕获技术领域，具体而言，尤其涉及一种介电泳辅助的放射性海洋污水微藻清洁装置及方法。

背景技术

核能作为传统能源的替代品，逐渐在世界范围内得到发展，诸多国家掀起了核电研究和核电站建设热潮。然而，核电设施作为主要的放射性污染源，虽为我们带来了巨大的经济效益和社会效益，但对于环境的放射性危害是不可掩盖的。切尔诺贝利和福岛核事故等罕见的严重事故导致淡水或海水受到大量的放射性核素污染，特别是半衰期长达30年和高水溶性的放射性元素—锶(⁹⁰Sr)。未来相当长的一段时间内全球海洋环境势必会受到放射性核素的污染。除此之外，越来越多生活废水和工业污水的排放造成了严重的环境问题。因此，开发有效、环保和经济的技术来处理这一问题变得越来越迫切。

针对海洋污水中⁹⁰Sr和一般重金属离子的传统去除方法均采用浓缩固化再集中处理的方式。目前常用的放射性污水浓缩方法有化学沉淀法、离子交换法、蒸发法等，经过浓缩固化之后再对含放射性元素的物体进行地下深埋。传统方法动力消耗大，工艺不够节俭以及易出现腐蚀、泡沫等问题，尤其是化学沉淀法沉降时间较长且效果较差，容易对环境造成二次污染。与传统污水处理方式相比，利用微藻处理海洋污水具有污染物去除效率高和污水处理类型广泛等诸多优势。微藻的生长繁殖快，利用较高的光合效率可以有效去除污水中的氮、磷、重金属离子(如Hg²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺)、放射性性物质(如⁹⁰Sr)等有害物质。

发明内容

根据上述提出的技术问题，本发明提供一种介电泳辅助的放射性海洋污水微藻清洁装置及方法。本发明主要将介电泳捕获技术和微生物处理技术相结合，去除海洋污水中的重金属离子和放射性核素(⁹⁰Sr)，从而实现水质净化。

本发明采用的技术手段如下：

一种介电泳辅助的放射性海洋污水微藻清洁装置，包括：废水池、液体驱动泵、捕获池、交流信号发生器、净水池；废水池、液体驱动泵、捕获池以及净水池依次由橡胶软管连接；其中：

废水池，用于存储含有重金属离子或放射性核素⁹⁰Sr的海洋污水；

液体驱动泵，用于将废水池中含有微藻的海洋污水引流到捕获池中；

捕获池，用于捕获吸附了大量重金属或放射性核素的微藻；

交流信号发生器，用于产生特定频率的交流信号，并施加到捕获池产生不均匀电场；

净水池，用于接收并存储经过处理后的海水。

进一步地，所述捕获池内设置有多组金属电极滤网，金属电极滤网以交错方式分别连接所述交流信号发生器的正极和负极，在金属电极滤网的结点处产生高梯度的不均匀电场，捕获附着有大量重金属或放射性核素的微藻。

进一步地，每层所述金属电极滤网之间相距10mm；所述金属电极滤网的孔径为10um。

进一步地，所述液体驱动泵的流速、捕获池的大小以及金属电极滤网的数量和规格均能够根据捕获要求来进行调整。

进一步地，所述液体驱动泵用于调节废水池中海洋污水流入捕获池的速度。

本发明还提供了一种基于上述介电泳辅助的放射性海洋污水微藻清洁装置的介电泳辅助的放射性海洋污水微藻清洁方法，包括如下步骤：

S1、培养样品混合溶液，给予样品混合溶液一定的光照，培养24小时；

S2、调整样品混合溶液的电导率；

S3、打开液体驱动泵，将含有微藻的放射性海洋污水引流到捕获池中；

S4、调节信号发生器输出电压的幅值和频率，吸附了大量锶元素的微藻受到正介电泳力的作用，被捕获在金属电极滤网的结点处；

S5、经过多层金属电极滤网的捕获，最终在净水池得到处理之后的海水。

进一步地，所述步骤S1中，微藻在光照下进行光合作用矿化放射性海洋污水中的⁹⁰Sr，并将其固化在细胞壁表面或摄取到细胞质中，不同含量的⁹⁰Sr 在细胞壁和细胞质中引起不同的介电性质，即介电常数和电导率。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的介电泳辅助的放射性海洋污水微藻清洁装置及方法，利用微藻处理海洋污水中的重金属离子和放射性核素，处理效果好，成本低，环保，不会对环境造成二次污染；

2、本发明提供的介电泳辅助的放射性海洋污水微藻清洁装置及方法，利用介电泳捕获技术，相较传统过滤方式，能够更好地实现微米级尺寸微藻的捕获和过滤，将吸附了大量重金属离子或放射性核素的微藻同处理后的海水分离开，真正意义上实现海洋污水的净化；

3、本发明提供的介电泳辅助的放射性海洋污水微藻清洁装置，简单方便、易安装、实用性强、经济性强；介电泳捕获技术和微生物处理技术的组合方法有望在未来的试验中进行大规模的水处理，有效去除工业废水和海洋污水中的各种有害物质。

基于上述理由本发明可在微藻除污和介电泳捕获等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明装置结构示意图。

图2为本发明装置中捕获池结构示意图。

图3为本发明装置中介电泳辅助的微藻捕获示意图。

图中：1、废水池；2、液体驱动泵；3、捕获池；4、交流信号发生器；5、净水池。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种介电泳辅助的放射性海洋污水微藻清洁装置，包括：废水池1、液体驱动泵2、捕获池3、交流信号发生器4、净水池5；废水池1、液体驱动泵2、捕获池3以及净水池5依次由橡胶软管连接；其中：

废水池1，用于存储含有重金属离子或放射性核素⁹⁰Sr的海洋污水；

液体驱动泵2，用于调节废水池1中海洋污水流入捕获池3的速度，将废水池1中含有微藻的海洋污水引流到捕获池3中；

捕获池3，用于捕获吸附了大量重金属或放射性核素的微藻；

交流信号发生器4，用于产生特定频率的交流信号，并施加到捕获池3 产生不均匀电场；

净水池5，用于接收并存储经过处理后的海水。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图2所示，所述捕获池3 内设置有多组金属电极滤网，金属电极滤网以交错方式分别连接所述交流信号发生器4的正极和负极，在金属电极滤网的结点处产生高梯度的不均匀电场，捕获附着有大量重金属或放射性核素的微藻。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，继续参见图2，每层所述金属电极滤网之间相距10mm；所述金属电极滤网的孔径为10um。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，液体驱动泵2的流速、捕获池3的大小以及金属电极滤网的数量和规格均能够根据捕获要求来进行调整，以达到最好的过滤效果。

本发明装置的工作原理如下：

继续参见图1，废水池1通过橡胶软管连接到液体驱动泵2，液体驱动泵 2处于工作状态时，将废水池1中的海洋污水通过橡胶软管引流到捕获池3 的一端，捕获池3的另一端通过橡胶软管连接有净水池5。交流信号发生器4 正极和负极通过导线交错连接到捕获池3中的金属电极滤网。通过调节交流电场的频率和电压以及液体驱动泵2将海洋污水引流到捕获池3的流速，使吸附了大量重金属离子或放射性核素的微藻在介电泳作用的辅助下，牢固的吸附在金属电极滤网的一侧，显著提高金属滤网的过滤能力，实现微藻与处理后海水的分离。

本发明提供的介电泳辅助的海洋污水微藻清洁装置，利用介电泳技术来捕获吸附了大量重金属离子或放射性核素的微藻，介电泳技术作为一种非侵入性、无标记的方法，并且对细胞电学性质的细微变化十分敏感。当微藻摄取重金属离子或放射性核素到细胞质或在细胞壁上形成生物矿物。不同重金属离子或放射性核素含量会在细胞壁和细胞质中引起不同的介电性质(即介电常数和电导率)，因此在一定的工作频率下，吸附有不同含量重金属离子或放射性核素的微藻会受到不同的介电泳力，甚至是方向相反的正、负介电泳力(即P-DEP或N-DEP)。因此，利用介电泳力可以有效地将吸附了大量重金属离子或放射性核素的微藻吸附在金属电极滤网上，从而将其从处理后的海水中分离出来，并实现高效的海洋污水生物去污。

S1、培养样品混合溶液，给予样品混合溶液一定的光照，培养24小时；微藻在光照下进行光合作用矿化放射性海洋污水中的⁹⁰Sr，并将其固化在细胞壁表面或摄取到细胞质中，不同含量的⁹⁰Sr在细胞壁和细胞质中引起不同的介电性质，即介电常数和电导率。

S2、调整样品混合溶液的电导率；

实施例

鉴于放射性污水处理要求高，常规试验下不适宜操作等限制，且非放射性锶元素除衰变放射特性外具有与放射性锶元素(⁹⁰Sr)完全相同的性质，因此本实施例采用锶的非放射性同位素进行。

本实施例的样品混合溶液包含锶的非放射性同位素、小球藻KMMCC9、适当的营养物质并给予一定的光照，便于小球藻KMMCC9进行光合作用，培养24小时。小球藻KMMCC9在样品的混合溶液中培养24小时后，小球藻KMMCC9会进行光合作用矿化放射性海洋污水中的⁹⁰Sr，将其固化在细胞壁表面或摄取到细胞质中，不同⁹⁰Sr含量会在细胞壁和细胞质中引起不同的介电性质(即介电常数和电导率)。调整混合溶液的电导率为3.35ms/cm。打开液体驱动泵2将含有小球藻KMMCC9的放射性海洋污水引流到捕获池3中，调节信号发生器输出电压的幅值10v，频率5MHz，此时吸附了大量锶元素的小球藻KMMCC9会受到正介电泳力的作用，被捕获在金属电极滤网的结点处，经过多层金属电极滤网的捕获，最终在净水池得到处理之后的海水。如图3所示，为介电泳辅助的放射性海洋污水微藻清洁装置中介电泳辅助的微藻捕获示意图。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种介电泳辅助的放射性海洋污水微藻清洁装置，其特征在于，包括：废水池、液体驱动泵、捕获池、交流信号发生器、净水池；废水池、液体驱动泵、捕获池以及净水池依次由橡胶软管连接；其中：

捕获池，用于捕获吸附了大量重金属或放射性核素的微藻；

净水池，用于接收并存储经过处理后的海水。

2.根据权利要求1所述的介电泳辅助的放射性海洋污水微藻清洁装置，其特征在于，所述捕获池内设置有多组金属电极滤网，金属电极滤网以交错方式分别连接所述交流信号发生器的正极和负极，在金属电极滤网的结点处产生高梯度的不均匀电场，捕获附着有大量重金属或放射性核素的微藻。

3.根据权利要求2所述的介电泳辅助的放射性海洋污水微藻清洁装置，其特征在于，每层所述金属电极滤网之间相距10mm；所述金属电极滤网的孔径为10um。

4.根据权利要求3所述的介电泳辅助的放射性海洋污水微藻清洁装置，其特征在于，所述液体驱动泵的流速、捕获池的大小以及金属电极滤网的数量和规格均能够根据捕获要求来进行调整。

5.根据权利要求3所述的介电泳辅助的放射性海洋污水微藻清洁装置，其特征在于，所述液体驱动泵用于调节废水池中海洋污水流入捕获池的速度。

6.一种基于权利要求1-5中任意一项权利要求所述介电泳辅助的放射性海洋污水微藻清洁装置的介电泳辅助的放射性海洋污水微藻清洁方法，其特征在于，包括如下步骤：

S2、调整样品混合溶液的电导率；

7.根据权利要求1所述的介电泳辅助的放射性海洋污水微藻清洁方法，其特征在于，所述步骤S1中，微藻在光照下进行光合作用矿化放射性海洋污水中的⁹⁰Sr，并将其固化在细胞壁表面或摄取到细胞质中，不同含量的⁹⁰Sr在细胞壁和细胞质中引起不同的介电性质，即介电常数和电导率。