CN208104144U

CN208104144U - 利用石墨烯量子点处理废水的设备

Info

Publication number: CN208104144U
Application number: CN201820189702.2U
Authority: CN
Inventors: 卢海凤; 何仕超; 徐虹; 张源辉; 李保明
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2018-02-02
Filing date: 2018-02-02
Publication date: 2018-11-16
Anticipated expiration: 2028-02-02

Abstract

本实用新型提供一种利用石墨烯量子点处理废水的设备，包括光合细菌光生物反应器、石英管、循环液管路、紫外灯管；所述石英管设置在光合细菌光生物反应器内，石英管的一端为石墨烯量子点溶液的进口，另一端为石墨烯量子点溶液的出口，所述进口和出口连接循环液管路；在循环液管路连接进口的管段处，放置所述紫外灯管；所述光合细菌光生物反应器连接有废水储存槽、膜组件，所述膜组件连接有浓缩液储存罐和清液储存罐。本实用新型提出了一种生产高价值光合细菌的污水资源化利用设备，将处理啤酒废水与产出高价值营养物相结合，既可以实现废水中污染物的脱除，产生的生物量又可以提取高价值营养物，起到了环境保护、节约成本、回收资源的多重功效。

Description

利用石墨烯量子点处理废水的设备

技术领域

本实用新型属于废水资源化技术领域，具体涉及一种利用量子点处理废水的设备。

背景技术

我国是啤酒生产大国，全国啤酒废水排放量达3亿m³。尽管啤酒废水为高浓度有机、无毒废水，但易于腐败，容易对水体环境造成危害。目前常用SBR、CASS、UASB等工艺进行处理，这些工艺流程长，同时会产生大量剩余污泥，并且无法有效地回收利用其中的有益物质。使用光合细菌处理啤酒废水能够有效地处理污染物，并且可以将其中的有用物质转化为生物量，回收高价值营养物。

光合细菌是一种分布广泛，集目前世界上所有代谢方式(包括光照自养，光照异养，化能自养，化能异养)为一体的微生物；其生长速度快、生长周期短，同时对有机物利用范围广，去除污染物效率高，很早就被用于处理废水。此外，光合细菌菌体无毒性，富含蛋白质、色素、维生素等多种生理活性物质，被广泛地应用于水产饲料添加剂、农作物肥料、瓜果保鲜剂、保健品、药剂等领域，具有极大的资源化潜力。因此，在本系统中，基于石墨烯量子点光致发光系统，提高光合细菌的光合作用效率，将更多的光能转化成光合细菌自身的生物质化学能，既可以做到废水中污染物的回收利用，产生的生物量又可以提取高价值营养物，实现了污水的处理与资源化利用。

量子点是直径在1-100nm之间的可以产生光致发光现象的半导体纳米粒子，它作为荧光探针，在细胞成像、生物标记、药物传输、医药科学方面的应用研究逐渐成为热点。石墨烯量子点同时具有石墨烯和量子点的特点，表现出更强的量子限域效应和边界效应。此外，石墨烯量子点还表现出低的细胞毒性、良好的水溶性和生物相容性、化学惰性、稳定的光致发光性能，具有应用于细胞成像、重金属离子检测、光催化、生物传感器等领域的良好前景。

石墨烯量子点优异的光致发光性能是人们关注的一个重要性质。研究表明，与传统的有机或无机荧光团相比，石墨烯量子点光致发光无光闪烁并具有显著的稳定性，且不易出现光漂白、光衰减等现象。它的荧光特性应用开始成为研究热点。

目前，光合细菌培养多采用光照厌氧模式，光源为光谱均匀的白炽灯。但是白炽灯光源不能保持长期稳定，衰减较快，且白炽灯发光效率低，使用寿命短，耗电量大。而石墨烯量子点光致发光特性能够弥补这些缺点，为光合细菌生长提供稳定光源。

实用新型内容

针对本技术领域存在的不足之处，本实用新型的目的是提出一种利用石墨烯量子点处理废水的设备。

实现本实用新型上述目的技术方案为：

一种利用石墨烯量子点处理废水的设备，包括光合细菌光生物反应器、石英管、循环液管路、紫外灯管；

所述石英管设置在所述光合细菌光生物反应器内，石英管的一端为石墨烯量子点溶液的进口，另一端为石墨烯量子点溶液的出口，所述进口和出口连接所述循环液管路，构成石墨烯量子点溶液的循环回路；

在循环液管路连接进口的管段处，放置所述紫外灯管；

所述光合细菌光生物反应器连接有废水储存槽、膜组件，所述膜组件连接有浓缩液储存罐和清液储存罐。

其中，所述石英管竖直设置在所述光合细菌光生物反应器内，石英管的下端为进口，上端为出口。

其中，所述循环液管路为硅胶管。

其中，所述光合细菌光生物反应器包括有机玻璃制成的容器，在所述容器底部设置有遮光器件。

进一步地，所述循环液管路上设置有循环泵和循环液缓冲室；

所述光合细菌光生物反应器上部通过管路连接所述废水储存槽，光合细菌光生物反应器底部通过管路连接所述膜组件；光合细菌光生物反应器内设置有搅拌器。

采用本实用新型的设备，一种利用石墨烯量子点处理废水的方法，包括步骤：

1)调整废水的浓度，至其中COD为6000-10000mg/L；加入氮源和磷源调节废水中的碳氮磷比；所述废水为啤酒废水、大豆加工废水、糖蜜废水中的一种或多种；

2)以接种量为200-500mg/L干重接种处于对数生长期的光合细菌于废水中，调节pH值至6.8-7.0；

3)用波长为365nm的紫外线为激发光连续照射石墨烯量子点溶液，使其中的石墨烯量子点吸收能量，电子从高能级跃迁回基态发出波长为550-620nm的荧光作为光合细菌生长的光源；用流动的石墨烯量子点溶液照射接种了光合细菌的废水；

4)待光合细菌生长到达平台期，利用滤膜进行菌水分离，得到光合细菌浓缩液和膜滤清水，将所述光合细菌浓缩液用于提取类胡萝卜素、菌绿素。

优选地，步骤1)中，所述氮源为NH₄Cl、硫酸铵、硝酸铵中的一种或多种，所述磷源为KH₂PO₄、K₂HPO₄、NaH₂PO₄、Na₂HPO₄中的一种或多种，加入氮源和磷源以调节废水中C/N/P＝(180-220)：(4-6)：1。

其中，步骤2)中，以接种量为350-400mg/L干重接种光合细菌于废水中，用氢氧化钠和/或盐酸调节pH值至6.8-7.0；所述光合细菌为荚膜红细菌、类球红细菌、沼泽红假单胞菌中的一种或多种。

进一步地，所述光合细菌为荚膜红细菌、类球红细菌、沼泽红假单胞菌3种以1：(1-2)：(1-2)体积比的混合。

其中，步骤3)中，所述氧化石墨烯量子点溶液的浓度为1-50mg/L，优选6-10mg/L；相对于体积为10L的废水，氧化石墨烯量子点溶液的流量为1-5L/min。其中量子点粒径为1-2nm。

其中，步骤3)中，所述步骤5)中连续培养45-60h后，优选培养45-50h后，利用超滤膜进行菌水分离。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型提出了一种生产高价值光合细菌的污水资源化利用设备，将处理啤酒废水与产出高价值营养物相结合，既可以实现废水中污染物的脱除，产生的生物量又可以提取高价值营养物，起到了环境保护、节约成本、回收资源的多重功效。

本实用新型提出的石墨烯量子点光致发光系统利用溶液中的荧光替代传统白炽灯，在提高光合细菌的光能利用率的同时节约了经济成本，并且可通过改变溶液浓度实现发射光光照度的调整，提高光合细菌色素的积累，增强操作的灵活性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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为本实用新型一种污水资源化处理的设备结构简图。

图中，编号和部件名称对应关系为:

图2为实施例1菌体生长及COD变化曲线图；

图3为实施例1色素产量图。

具体实施方式

下面通过最佳实施例来说明本实用新型。本领域技术人员所应知的是，实施例只用来说明本实用新型而不是用来限制本实用新型的范围。

实施例中，如无特别说明，所用手段均为本领域常规的手段。

实施例1：

参见图1，一种利用石墨烯量子点处理废水的设备，包括光合细菌光生物反应器13、石英管14、硅胶管22、紫外灯管18；

光合细菌光生物反应器13为有机玻璃制成的长方体容器，石英管14竖直设置在光合细菌光生物反应器13中央，石英管的下端为石墨烯量子点溶液的进口，上端为石墨烯量子点溶液的出口，所述进口和出口连接硅胶管22，构成石墨烯量子点溶液的循环回路；循环回路上设置有蠕动泵17、液体流量计19、流量控制阀门20和循环液缓冲室21；

在硅胶管连接进口的管段处，放置紫外灯管18；在光合细菌光生物反应器13底部设置有遮光布16，遮挡紫外光进入反应器。

所述光合细菌光生物反应器13上部通过管路、隔膜泵、进水阀门10连接废水储存槽9，光合细菌光生物反应器底部的出水口8通过管路连接内压式中空纤维膜组件4(其中的滤膜为微滤膜)，管路上设置出水阀门7和隔膜泵6；内压式中空纤维膜组件4两端设有入水口和光合细菌浓缩液流出口，下部设有滤液出水阀门3，两个出口分别连接至光合细菌浓缩液储存罐1和膜滤清液储存罐2。

光合细菌光生物反应器内设置有二个搅拌器15。连接至膜滤清液储存罐2的管路、循环回路、进膜组件的管路上均设置有压力表11。

采用本实施例的设备，基于石墨烯量子点的作用，处理废水的步骤为：

一、通过水泵，由废水进水口12向反应器主体中泵入啤酒废水1L，添加蒸馏水9L，NH₄Cl 0.71g，KH₂PO4 1.0g，最终COD为6520.4mg/L，TN为162.5mg/L，TP为32.1mg/L；

二、向处理好的废水中添加光合细菌种液，直至配至光合细菌干重为0.3-0.4g/L，总液体量为反应器主体的三分之二体积，调节pH值至6.8-7.0，打开搅拌装置。

光合细菌为混合菌，包括荚膜红细菌Rhodobacter capsulate、类球红细菌Rhodobacter Sphaeroides、沼泽红假单胞菌Rhodopseudomonas palustris，菌种编号分别为：1.3367、1.8927、1.5028购自中国普通微生物保藏管理中心(地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所)。

三、在循环液缓冲室中加入5-10mg/L的氧化石墨烯量子点溶液，打开流量控制阀门，调节液体流量计和蠕动泵，控制循环系统液体流量为2L/min；

四、打开紫外灯管使石墨烯量子点发射荧光作为光合细菌生长的光源，在该条件下培养光合细菌，并测定培养过程中生物量、COD的变化，以及类胡萝卜素、菌绿素的变化。

五、开启光合细菌收获系统。打开光生物反应器出水口阀门，开启隔膜泵，调节液体流量计，控制超滤膜的进水流量和压力；超滤后的清液经中空纤维膜组件清液出口流出，超滤后的光合细菌浓缩液由膜组件浓缩液出口流出，用其他容器收集光合细菌浓缩液。

图2为最佳实施例菌体生长及COD变化曲线图，图3为最佳实施例色素产量图，比较可知，在48小时时可以获得最大产量的类胡萝卜素、菌绿素，在经过48小时培养后，测得光合细菌生物量3278.2mg/L,COD去除率为87.5％，并获得了13.4mg/L的类胡萝卜素以及12.1mg/L的菌绿素。本方法可以有效提高光合细菌的光合色素产量，提升光合作用效率，在对污水资源化的同时产出更多的价值，减少了污水处理的成本。

以上的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种利用石墨烯量子点处理废水的设备，其特征在于，包括光合细菌光生物反应器、石英管、循环液管路、紫外灯管；

在循环液管路连接进口的管段处，放置所述紫外灯管；

2.根据权利要求1所述利用石墨烯量子点处理废水的设备，其特征在于，所述石英管竖直设置在所述光合细菌光生物反应器内，石英管的下端为进口，上端为出口。

3.根据权利要求1所述利用石墨烯量子点处理废水的设备，其特征在于，所述循环液管路为硅胶管。

4.根据权利要求1所述利用石墨烯量子点处理废水的设备，其特征在于，所述光合细菌光生物反应器包括有机玻璃制成的容器，在所述容器底部设置有遮光器件。

5.根据权利要求1所述利用石墨烯量子点处理废水的设备，其特征在于，所述循环液管路上设置有循环泵和循环液缓冲室。

6.根据权利要求1～5任一项所述利用石墨烯量子点处理废水的设备，其特征在于，所述光合细菌光生物反应器上部通过管路连接所述废水储存槽，光合细菌光生物反应器底部通过管路连接所述膜组件。

7.根据权利要求1～5任一项所述利用石墨烯量子点处理废水的设备，其特征在于，所述光合细菌光生物反应器内设置有搅拌器。