一种有色金属选冶渣微生物矿化反应系统及方法

摘要

本发明公开了一种有色金属选冶渣微生物矿化反应系统及方法，属于重金属污染矿渣生物修复领域。该反应系统包括矿化反应单元、压滤单元和微生物培养单元等组成。利用该反应系统进行有色金属选冶渣微生物矿化的步骤包括：选冶渣由进料口投入罐体内，添加一定量的菌液，开启搅拌装置将选冶渣与菌液充分混合，反应过程通过夹套内的循环水调节罐内温度，反应一段时间后即可完成选冶渣的矿化修复。本发明修复效率高、修复效果长期稳定性好，可安全修复各类重金属污染矿渣与土壤。

说明书

技术领域

本发明属于重金属污染矿渣生物修复领域，具体涉及一种有色金属选冶渣微生物矿化反应系统及方法。

背景技术

据《第二次全国污染源普查公报》显示，2017年我国产生一般工业固体废物达38.68亿吨，而由于采矿活动产生的固废占工业废物排放量的80％-85％，其中有不少有色金属选冶过程中产生的重金属污染废渣。目前工业上对这类废渣的主要处理手段有化学稳定填埋、井下回填、回炼等方式。井下回填是将选冶渣固化至井下进行充填，用量十分有限；选冶渣回炼则受限于当前的技术条件和工艺成本，也只能处理其中的一小部分。化学稳定填埋技术由于其处理量大、见效快、运行简单的优点，是目前我国处理有色金属选冶废渣的主要方式。但该技术只是将选冶渣中的重金属转变为难溶的形态，在填埋场封场后的十几年或几十年内，重金属在环境、生物的作用下不断活化，后期仍然存在重金属污染的风险。

相对以上技术，微生物修复技术具有修复成本低，修复长效性好，对土壤和环境结构破坏小，有利于生态恢复等优点，具有很大的研究价值和发展空间。微生物修复技术的缺点则是耗时较长、修复菌种在重金属中的生存能力和环境适应性弱而导致运行条件苛刻，因此限制了目前微生物修复技术在工程上的应用。

发明内容

针对现有微生物修复技术存在的不足，本发明的目的是提供一种集温度控制、电导控制、分散搅拌、固液分离等装置为一体的微生物矿化反应装置及方法，该反应装置可解决微生物的环境适应性和生存能力差等问题，并提高物料搅拌混合度，增加菌液与选冶渣的接触面积，大大提高了微生物修复的速率。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：

一种有色金属选冶渣微生物矿化反应系统，所述系统包括矿化反应单元、压滤单元和微生物培养单元：

所述矿化反应单元为微生物与选冶渣发生矿化反应的单元，该矿化反应单元包括矿化反应罐；

所述压滤单元为对矿化反应完的反应料液进行后处理的单元，该压滤单元包括压滤装置；

所述微生物培养单元为将微生物培养成合格菌液的单元，该微生物培养单元包括微生物培养罐；

所述矿化反应单元与压滤单元之间还设置有动力单元，所述动力单元包括渣浆泵。

进一步地，所述矿化反应罐包括罐体和设置在罐体内部的搅拌装置。

进一步地，所述罐体外围设有控温夹套，该罐体上方设置有进料口、下方设置出料口。

进一步地，所述罐体内设置有温度监测探头和电导率监测探头。

进一步地，所述搅拌装置为螺带搅拌器。

进一步地，所述螺带搅拌器为双螺带结构，所述螺带搅拌器顶部设置有减速电机。

一种利用上述矿化反应系统进行有色金属选冶渣矿化修复的方法，所述方法包括如下步骤：

S1原料准备：将有色金属选冶渣研磨至一定粒径大小，将微生物放入微生物培养罐中培养至最佳状态，得到培养好的菌液；

S2矿化反应：将S1中研磨好的有色金属选冶渣放入矿化反应罐中，再将培养好的菌液从所述微生物培养罐经过进料口投入至罐体内，关闭进料口，开启所述搅拌装置并在一定速率下进行搅拌反应，控制反应料液比重在一定范围内，向所述控温夹套内通入流体控制反应温度，通过电导率监测探头实时监控反应料液电导率，当反应料液电导率下降至最低点时，继续反应30min后停止反应，得到浆液；

S3后处理：将S2中得到的所述浆液通过渣浆泵抽入至压滤装置中进行压滤，滤液返回微生物培养罐进行循环利用，滤渣即为微生物矿化修复的有色金属选冶渣。

进一步地，在步S1中，所述有色金属选冶渣为铅选冶渣、锌选冶渣、砷选冶渣、铜选冶渣中的一种或几种，所述有色金属选冶渣研磨至粒径小于60目。

进一步地，在S1中，所述微生物为硫酸盐还原菌、碳酸盐还原菌中的任一种，培养好的所述菌液中的营养元素为C:N:P＝100:5:1。

进一步地，在S2中，所述反应料液比重控制在1.3-1.4，反应温度为33-35℃，搅拌速率为10-30r/min。

本发明的技术原理如下：

本发明提供的有色金属选冶渣微生物矿化反应装置将选冶渣输送至一个密闭的反应系统内，向系统中注入微生物菌剂，有色金属选冶渣中的重金属离子在微生物的作用下逐渐矿化，形成稳定的天然矿物形态，可永久性降低重金属的迁移性。硫酸盐还原菌和碳酸盐还原菌的重金属的矿化机理如下：

S

M

(M代表Cu、Pb、Zn、Cd、As、Sb等重金属)。

在微生物菌液培养过程中，由于微生物代谢作用会产生CO

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的反应器为立式密封罐体，设置螺带搅拌器促进罐内浆液的循环流动，设置夹套控温系统改善微生物的生存条件以保证微生物的活性，设置电导率监测探头以实现反应终点的自动判别，具有传质效果好，反应迅速、彻底的优点。

2、本发明将反应结束后的浆液进行压滤，滤液回用为微生物培养液，实现水资源的循环利用，安全环保，运行成本低。

3、利用本发明装置的微生物矿化修复方法，可以有效改变重金属的赋存形态，重金属通过微生物矿化作用转变为稳定的原始矿物形态，实现选冶渣中重金属的长久稳定，不会造成二次污染，特别适用于中高浓度重金属含量选冶渣的修复治理。

附图说明

图1为本发明的有色金属选冶渣微生物矿化反应装置的结构示意图。

附图中，1-矿化反应单元；11-矿化反应罐；110-罐体；111-搅拌装置；112-控温夹套；113-进料口；114-出料口；115-温度监测探头；116-电导率监测探头；117-减速电机；2-压滤单元；21-压滤装置；3-微生物培养单元；31-微生物培养罐；4-动力单元；41-渣浆泵。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

实施例1

如图1所述，本发明公开了一种有色金属选冶渣微生物矿化反应系统，系统包括矿化反应单元1、压滤单元2和微生物培养单元3。矿化反应单元1为微生物与选冶渣发生矿化反应的单元，该矿化反应单元包括矿化反应罐11；压滤单元2为对矿化反应完的反应料液进行后处理的单元，该压滤单元2包括压滤装置21；微生物培养单元3为将微生物培养成合格菌液的单元，该微生物培养单元3包括微生物培养罐31，该微生物培养罐31中设置有电导率监测探头(图中未示出)，用于监测微生物代谢培养程度，当电导率上升至一定值且不再发生明显变化时则微生物菌液已培养完成达到最佳状态；矿化反应单元1与压滤单元2之间还设置有动力单元4，动力单元包括渣浆泵41。矿化反应罐11包括罐体110和设置在罐体110内部的搅拌装置111。罐体110外围设有控温夹套112，该罐体110上方设置有进料口113、下方设置出料口114，罐体110内设置有温度监测探头115和电导率监测探头116。搅拌装置111为螺带搅拌器，螺带搅拌器为双螺带结构，螺带搅拌器顶部设置有减速电机117。

在本发明中，矿化反应罐11为立式密封罐体，该罐体110外围设有控温夹套112，罐体上方设置有进料口113、下方设置出料口114，进料口113与微生物培养罐31通过管道连接，出料口114通过管道依次连接渣浆泵41和压滤装置21，该压滤装置21为板框压滤机。板框压滤机的出料端与微生物培养罐31通过管道连接，用于将板框压滤机中的滤液输送至微生物培养罐中重复培养利用，节约资源，避免资源浪费。罐体110内设置有温度监测探头115和电导率监测探头116，罐体110内设有搅拌装置111，该搅拌装置111为螺带搅拌器，该螺带搅拌器为双螺带结构，螺带边缘与罐体内壁间距为1cm，旋转半径大，范围广，螺带搅拌器顶部设置有减速电机117，该减速电机117位于罐体110的上方。

本发明中的温度监测探头、电导率监测探头、螺带搅拌器、板框压滤机、减速电机均为现有市面上的设备。

本发明在使用时，首先将有色金属选冶渣球磨至粒径＜60目，之后由进料口114投入罐体110内，由微生物培养罐31向罐体110内投加培养好的菌液，开启搅拌装置111将菌液与选冶渣搅拌均匀，控制反应料液比重为1.3-1.4。同步的，关闭进料口114密封盖，像控温夹套112通入循环水对罐体110进行控温，控制反应温度为33-35℃。

在密闭条件下持续搅拌反应，控制减速电机117转速为30-50r/min，并通过电导率监测探头116实时监控反应料液电导率变化情况，当反应料液电导率下降至最低点时，继续反应30min，之后停止反应。反应罐体1内的浆液由底部的渣浆泵41抽至板框压滤机内进行压滤，滤渣即为微生物矿化修复的有色金属选冶渣。滤液返回微生物培养罐31进行微生物培养，当菌液电导率升至最高点完成培养并输送至反应罐体进行循环利用。

实施例2

本发明还提供了一种利用实施例1所公开的矿化反应系统进行有色金属选冶渣矿化修复的方法，所述方法包括如下步骤：

S1原料预处理：首先将铅锌选冶渣球磨至粒径＜60目，将硫酸盐还原菌放入微生物培养罐中培养至最佳状态，培养好的菌液的功能菌数量为2×107cfu/g，营养元素C:N:P＝100:5:1；

S2矿化反应：将研磨好的铅锌选冶渣投入罐体内，由微生物培养罐向罐体内投加培养好的菌液，开启搅拌装置将菌液与铅锌选冶渣搅拌均匀，调节浆液比重为1.3。同步的，关闭进料口密封盖，向控温夹套内通入循环水对罐体进行控温，控制反应温度为33℃，在密闭条件下持续搅拌反应，控制减速电机转速为30r/min，并通过电导率探头实时监控浆液电导率变化情况，当浆液电导率下降至最低点时，继续反应30min，之后停止反应，得到反应完全的浆液。

S3反应后处理：将S2中在罐体内反应完全得到的浆液由底部的渣浆泵抽至板框压滤机内进行压滤，滤渣即为微生物矿化修复的铅锌选冶渣。滤液返回微生物培养装置进行微生物培养，当菌液电导率升至最高点完成培养并输送至反应罐体进行循环利用。

实施例3

S1原料预处理：首先将砷选冶渣球磨至粒径＜60目，将硫酸盐还原菌放入微生物培养罐中培养至最佳状态，培养好的菌液的功能菌数量为功能菌数量为8×107cfu/g，营养元素C:N:P＝100:5:1；

S2矿化反应：将研磨好的铅锌选冶渣投入罐体内，由微生物培养罐向罐体内投加培养好的菌液，开启搅拌装置将菌液与铅锌选冶渣搅拌均匀，调节浆液比重为1.35。同步的，关闭进料口密封盖，向控温夹套内通入循环水对罐体进行控温，控制反应温度为35℃，在密闭条件下持续搅拌反应，控制减速电机转速为50r/min，并通过电导率探头实时监控浆液电导率变化情况，当浆液电导率下降至最低点时，继续反应30min，之后停止反应，得到反应完全的浆液。

S3反应后处理：将S2中在罐体内反应完全得到的浆液由底部的渣浆泵抽至板框压滤机内进行压滤，滤渣即为微生物矿化修复的砷选冶渣。滤液返回微生物培养装置进行微生物培养，当菌液电导率升至最高点完成培养并输送至反应罐体进行循环利用。

实施例4

S1原料预处理：首先将铜选冶渣球磨至粒径＜60目，将硫酸盐还原菌放入微生物培养罐中培养至最佳状态，培养好的菌液的功能菌数量为功能菌数量为功能菌数量为3×107cfu/g，营养元素C:N:P＝100:5:1；

S2矿化反应：将研磨好的铅锌选冶渣投入罐体内，由微生物培养罐向罐体内投加培养好的菌液，开启搅拌装置将菌液与铅锌选冶渣搅拌均匀，调节浆液比重为1.4。同步的，关闭进料口密封盖，向控温夹套内通入循环水对罐体进行控温，控制反应温度为33℃，在密闭条件下持续搅拌反应，控制减速电机转速为50r/min，并通过电导率探头实时监控浆液电导率变化情况，当浆液电导率下降至最低点时，继续反应30min，之后停止反应，得到反应完全的浆液。

S3反应后处理：将S2中在罐体内反应完全得到的浆液由底部的渣浆泵抽至板框压滤机内进行压滤，滤渣即为微生物矿化修复的铜选冶渣。滤液返回微生物培养装置进行微生物培养，当菌液电导率升至最高点完成培养并输送至反应罐体进行循环利用。

经过上述修复处理后的有色金属选冶渣，其中砷、镉、铅、铜、锌等重金属的浸出毒性与生物有效性均大大降低，无酸化反溶风险，修复完成后的选冶渣可进行安全储存等待二次利用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原则前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。