采用活性酵母持續(xù)吸附金屬離子的生物修復(fù)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及含重金屬?gòu)U水處理領(lǐng)域，具體涉及一種生物修復(fù)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)在我國(guó)社會(huì)市場(chǎng)上仍占據(jù)主要地位，電鍍、采礦、冶金、金屬加工、化工生產(chǎn)、化石燃料的燃燒等都產(chǎn)生大量含重金屬的工業(yè)廢水，在自然和人為干擾的作用下進(jìn)入水體，破壞水環(huán)境質(zhì)量。部分重金屬元素本為生物生長(zhǎng)所必需的元素，但大部分具有毒性且是致癌因子，具有隱蔽性、長(zhǎng)期性和不可逆轉(zhuǎn)性，是一類保守性、非降解的元素型污染物，對(duì)水生生物具有致畸、致癌、致死的危害，過(guò)量排放到環(huán)境水體中容易破壞生態(tài)平衡，并通過(guò)食物鏈富集危害生態(tài)系統(tǒng)和人類健康，因而水體的重金屬污染長(zhǎng)期以來(lái)都是研究者特別關(guān)注的環(huán)境污染問(wèn)題。
[0003]水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的重金屬污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，處理手段也一直受到普遍關(guān)注。傳統(tǒng)的重金屬?gòu)U水處理技術(shù)包括化學(xué)沉淀法、碳吸收法、離子交換法、蒸發(fā)法等等，但普遍具有難處理低濃度廢水，易造成二次污染等缺點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)的治理技術(shù)，生物治理技術(shù)具有成本低、適于處理低濃度廢水、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)。啤酒酵母細(xì)胞作為一種良好的生物吸附劑，酵母細(xì)胞的固定化技術(shù)在重金屬?gòu)U水的治理中已廣泛開展。然而，生物細(xì)胞的固定化技術(shù)雖然能有效吸附去除廢水中的重金屬，減少二次污染，但仍存在固定基質(zhì)難以清洗及回收利用，且固定化生物細(xì)胞與廢水的接觸面積有限等問(wèn)題，成本較高且處理效果不甚理想。
[0004]目前，固定化酵母細(xì)胞處理技術(shù)仍需將吸附質(zhì)的生產(chǎn)和吸附過(guò)程分開進(jìn)行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)吸附生物質(zhì)并同時(shí)進(jìn)行吸附作用的持續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)。已有研究表明，最優(yōu)的吸附物質(zhì)需要最大的表面積，而這種表面積要求生物細(xì)胞具有較高的生長(zhǎng)速率，固定化酵母細(xì)胞處理技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)將最高生長(zhǎng)速率下的酵母細(xì)胞直接快速地用于吸附過(guò)程，進(jìn)而會(huì)對(duì)吸附作用產(chǎn)生影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可持續(xù)高效地去除工業(yè)廢水中重金屬離子的采用活性酵母持續(xù)吸附金屬離子的生物修復(fù)裝置及方法，能夠提高水質(zhì)并回收利用重金屬。
[0006]技術(shù)方案:本發(fā)明提供了一種采用活性酵母持續(xù)吸附金屬離子的生物修復(fù)裝置，其特征在于:包括順序連接的生物質(zhì)培養(yǎng)模塊、吸附反應(yīng)模塊以及分離回收模塊，所述吸附反應(yīng)模塊包括連接生物質(zhì)培養(yǎng)模塊且同時(shí)連接金屬溶液儲(chǔ)槽、酸液儲(chǔ)存罐和基質(zhì)儲(chǔ)存罐的雙向流化吸附管柱，所述雙向流化吸附管柱的底部設(shè)有曝氣凈化模塊，所述曝氣凈化模塊包括通過(guò)流量計(jì)連接所述雙向流化吸附管柱的氣罐，所述分離回收模塊包括依次連接的沉淀池、金屬分離裝置、酵母活化裝置、酵母接種液培養(yǎng)裝置并接回所述生物質(zhì)培養(yǎng)模塊。
[0007]進(jìn)一步，所述生物質(zhì)培養(yǎng)模塊包括連接有液體基質(zhì)儲(chǔ)槽的生物質(zhì)培養(yǎng)反應(yīng)器，所述生物質(zhì)培養(yǎng)反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有攪拌器。
[0008]進(jìn)一步，所述曝氣凈化模塊的氣罐還通過(guò)另一流量計(jì)連接所述生物質(zhì)培養(yǎng)反應(yīng)器，通向所述生物質(zhì)培養(yǎng)反應(yīng)器的氣罐和流量計(jì)之間設(shè)有氣體凈化裝置。
[0009]進(jìn)一步，所述雙向流化吸附管柱為包括三層柱壁的圓柱形管體，將管內(nèi)空間由外向內(nèi)依次劃分為外部導(dǎo)流區(qū)、空氣注入環(huán)形區(qū)和內(nèi)部導(dǎo)流區(qū)，所述空氣注入環(huán)形區(qū)的外壁上設(shè)有空氣噴氣渦流管。
[0010]—種采用活性酵母持續(xù)吸附金屬離子的生物修復(fù)方法，液體基質(zhì)和酵母細(xì)胞懸液在生物質(zhì)培養(yǎng)模塊中進(jìn)行培養(yǎng)，吸附反應(yīng)模塊將培養(yǎng)得到的生物基質(zhì)抽入吸附反應(yīng)模塊的雙向流化吸附管柱中，同時(shí)所述雙向流化吸附管柱分別抽入金屬溶液儲(chǔ)槽、酸液儲(chǔ)存罐和基質(zhì)儲(chǔ)存罐中的金屬離子溶液、酸液和基質(zhì)培養(yǎng)液，曝氣凈化模塊通過(guò)氣體流量計(jì)控制氣罐進(jìn)入所述雙向流化吸附管柱中的空氣量，分離回收模塊收集所述雙向流化吸附管柱中吸附金屬后的溶液，通過(guò)沉淀池，上部溢流出水，下部沉淀進(jìn)入金屬分離裝置進(jìn)行金屬的分離并回收利用，酵母細(xì)胞則繼續(xù)進(jìn)入酵母活化裝置活化，再通過(guò)酵母接種液培養(yǎng)裝置培養(yǎng)后導(dǎo)入所述生物質(zhì)培養(yǎng)模塊中重新使用。
[0011]進(jìn)一步，含重金屬?gòu)U水從所述雙向流化吸附管柱的上部分別流入管中的外部導(dǎo)流區(qū)和內(nèi)部導(dǎo)流區(qū)，下端的所述曝氣凈化模塊將氣體注入外部導(dǎo)流區(qū)和內(nèi)部導(dǎo)流區(qū)之間的空氣注入環(huán)形區(qū)，再通過(guò)空氣噴氣渦流管注入內(nèi)、外部導(dǎo)流區(qū)的液體中，使液體形成流化狀態(tài)，從而使吸附柱內(nèi)的顆粒團(tuán)聚并沉淀，酵母細(xì)胞懸浮在液體中，從而增加酵母細(xì)胞和金屬離子的接觸面積，達(dá)到最佳吸附濃度。
[0012]進(jìn)一步，所述生物質(zhì)培養(yǎng)模塊設(shè)有液體基質(zhì)儲(chǔ)槽，液體基質(zhì)通過(guò)抽吸栗進(jìn)入生物質(zhì)培養(yǎng)反應(yīng)器并通過(guò)攪拌器進(jìn)行攪拌培養(yǎng)。
[0013]進(jìn)一步，所述生物質(zhì)培養(yǎng)反應(yīng)器和雙向流化吸附管柱同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)酵母細(xì)胞懸液的在線生產(chǎn)，并持續(xù)高效地提供酵母細(xì)胞懸浮液以吸附廢水中的重金屬離子。
[0014]優(yōu)選的，所述生物質(zhì)培養(yǎng)反應(yīng)器中酵母細(xì)胞最大的特定的生長(zhǎng)速率為0.099611.1,
1.5L的生物質(zhì)培養(yǎng)反應(yīng)器的氣體通入速率為1.4L/min，物質(zhì)外排流速為2.37mL/min，以維持液面穩(wěn)定。
[0015]優(yōu)選的，所述雙向流化吸附管柱中酵母細(xì)胞懸浮液的最佳吸附濃度為2.8g/L。
[0016]有益效果:本發(fā)明將酵母細(xì)胞在生物反應(yīng)器中培養(yǎng)至最高生長(zhǎng)速率時(shí)直接用于重金屬?gòu)U水的處理，既保證了酵母細(xì)胞最大的吸附能力，懸浮分散的酵母細(xì)胞更能增加吸附面積；同時(shí)，使用過(guò)的酵母細(xì)胞懸液可及時(shí)回收處理后循環(huán)利用，既提高了處理效果，又降低了運(yùn)行成本，達(dá)到高效經(jīng)濟(jì)的目的。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明生物修復(fù)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為雙向流化吸附管柱的橫截面示意圖；
[0019]圖3為酵母細(xì)胞生長(zhǎng)曲線圖(點(diǎn)劃線為擬合酵母細(xì)胞最佳生長(zhǎng)速率曲線)；
[0020]圖4為不同初始濃度下Cu+和Pb+的去除效率曲線；
[0021]圖5為初始濃度為5mg/L的Cu+和Pb+在30h內(nèi)的去除效率曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。
[0023]實(shí)施例:本實(shí)施例一種活性酵母持續(xù)吸附金屬離子的生物修復(fù)裝置，如圖1所示，包括生物質(zhì)培養(yǎng)模塊A，吸附反應(yīng)模塊B，曝氣凈化模塊C和分離回收模塊D。生物質(zhì)培養(yǎng)模塊A設(shè)有液體基質(zhì)儲(chǔ)槽I，液體基質(zhì)通過(guò)抽吸栗2進(jìn)入生物質(zhì)培養(yǎng)反應(yīng)器3，使液體充滿容器的4/5，通過(guò)攪拌器4攪拌培養(yǎng)。酵母細(xì)胞懸液的制備:轉(zhuǎn)移活性干酵母至500mL含無(wú)菌基質(zhì)的細(xì)頸瓶中配制酵母接種液，25 °C下，將細(xì)頸瓶置于搖速為200rpm的搖床中培養(yǎng)，在酵母細(xì)胞生長(zhǎng)的指數(shù)階段(培養(yǎng)14_18h后)時(shí)獲取酵母細(xì)胞懸浮液，并接種到1.5L生物質(zhì)培養(yǎng)反應(yīng)器3中；此外，該反應(yīng)器3在200rpm下攪動(dòng)，并在室溫下通入1.4L/min的氣體。液體基質(zhì)由18g/L的葡萄糖、4.5g/L的蛋白胨、2.9g/L的酵母提取液以及2.9g/L的麥芽提取物組成，最終獲得濃度大約為2.8g/L的生物質(zhì)溶液。
[0024]吸附反應(yīng)模塊B為連接有金屬溶液儲(chǔ)槽21、酸液儲(chǔ)存罐19和基質(zhì)儲(chǔ)存罐20的雙向流化吸附管柱6，如圖2所示，雙向流化吸附管柱6為圓柱形管體，設(shè)有三層柱壁，柱壁將管內(nèi)空間由外向內(nèi)依次劃分為外部導(dǎo)流區(qū)30、空氣注入環(huán)形區(qū)31和內(nèi)部導(dǎo)