技术领域
[0001] 本
发明属于重金属污染治理领域，特别是涉及一种用于底泥的重金属生物淋滤的设备及其方法。
背景技术
[0002] 我国是一个
水域面积较大的国家，每年由于航道疏浚及
水体修复工程而产生大量的的疏浚底泥，其中受到重金属污染的底泥比例颇高。相较于现阶段实际工程应用中的化学或物理方法，生物淋滤技术具有绿色环保、节能低耗、处理容量大等特点。生物淋滤技术的前身是
微生物湿法
冶金，该技术指利用淋滤功能菌群(例如：
氧化硫硫杆菌T.thiooxidans，氧化亚
铁硫杆菌T.ferrooxidans)氧化还原性物质(常见的低价硫化合物、硫粉或低价铁化合物)以
酸化淋滤液相体系或提升体系氧化还原电势，从而实现体系中重金属转移到液相，再通过其他方式去除液相中的重金属成分。
[0003] 在周立祥教授及其他学者的带领下，重金属生物淋滤技术由理论研究输出形成工程实际应用，实现了质的发展。然而尽管生物淋滤技术作为一种绿色环保的新兴技术拥有诸多的优势，但是其短板也相对突出。现阶段应用生物淋滤技术多是通过接种含有淋滤功能菌的底泥或
污泥，添加淋滤生长基质(硫粉等)后通过曝气及底泥回流来实现淋滤的快速进行，其主要的工艺形式还是依托污
水处理厂原有的
污水处理设备，采用以“污泥生物淋滤—固液分离—压滤脱水”为主体的处理。一般生物淋滤反应器利用污泥回流促使淋滤体系pH降低，并增加淋滤微生物的浓度，同时利用曝气方式加强氧化速率。然而，污泥回流操作本身便使得淋滤单次污泥处理量下降，且在污泥回流过程中微生物的富集回用未必能完全实现，种种原因导致淋滤周期延长，淋滤效率有待进一步地提升。其次，淋滤产生的酸性
废水由于pH低，需要进行二次处理才能实现回用或排放，处理能耗及成本问题尤为突出。因此，针对重金属生物淋滤所特有的问题，本发明提出一种高效且低能耗的去除底泥中重金属的生物炭负载复合酸洗沉降一体化生物淋滤方法及其设备，该设备利用斜板有效的实现底泥与酸洗废液的有效分离，并通
过酸液的100％回流酸洗预处理底泥，在避免底泥回流的同时实现淋滤悬浮功能菌及H+资源的再利用，大大提升了淋滤效率。同时为了克服淋滤微生物富集缓慢困难的问题，本装置利用
生物质炭颗粒固定富集淋滤微生物菌群，即使不添加外来菌剂也能在多轮淋滤中高效重复使用。最后，本发明装置通过气体式循环曝气
加速了淋滤装置的氧化
进程。
[0004] 参考文献：
[0005] [1]吴薇,
马宏瑞,周建军.制革污泥生物淋滤技术进展及工程可行性分析[J].中国皮革,2016,45(01):1-4+9.
[0006] [2]周顺桂,周立祥,黄焕忠.生物淋滤技术在去除污泥中重金属的应用[J].生态学报,2002(01):125-133.
[0007] [3]周立祥,王电站,王世梅.一种污泥中重金属生物脱除工艺及其设备:,2005.[0008] [4]周立祥,王电站.空气提升式生物淋滤反应器:.
发明内容
[0009] 为了针对实际工程利用中重金属生物淋滤效率低下，淋滤酸液由于pH低下需要二次处理的问题，本发明提供一种高效淋滤重金属的生物炭负载复合酸洗沉降一体化生物淋滤方法及其设备。
[0010] 本发明具体采用的技术方案是：
[0011] 一种生物炭负载复合酸洗沉降一体化生物淋滤设备，它包括反应器、斜板沉淀装置和储蓄池；所述反应器为上部圆筒状、下部漏斗形的空心装置；反应器内部垂直设有一
块隔板，通过隔板将反应器内腔分为左腔室和右腔室，且左腔室和右腔室的上下均连通；
[0012] 在隔板与反应器壁面之间的左腔室中设有兜网，且兜网内装有供微生物富集生长的颗粒填料；在兜网下方设有用于向左腔室进行曝气的旋流曝气装置，旋流曝气装置通过进气管道与位于反应器外部的气
泵相连，在进气管道上设有用于控制管道开闭的第一
阀门；在反应器中安装有第一pH检测器与
温度检测器；反应器底部设有排泥管道，排泥管道上设有控制管道开闭的第二阀门；
[0013] 所述的反应器的右腔室下部
侧壁上开设有出水口，所述的储蓄池上设有高于反应器出水口的进水口，反应器的出水口与储蓄池的进水口之间通过斜板沉淀装置连通，且斜板沉淀装置与储蓄池的进水口的连通
位置设有控制进水口开度的活动隔板；所述储蓄池通过
回流管道与反应器内部连通，且回流管道上设有抽水泵，构成使淋滤酸液在反应器和储蓄池之间循环的回路；储蓄池底部设有
排水管道，排水管道上设有第三阀门；储蓄池中设有第二pH检测器。
[0014] 作为优选，所述旋流曝气装置由旋流曝气头构成，旋流曝气头主体为若干十字交叉气管，每根十字交叉气管中的四条分支管道的一侧沿水平面方向顺
时针或逆时针均匀打孔。
[0015] 作为优选，所述兜网上的开孔尺寸小于填充的颗粒填料尺寸但大于污染物颗粒尺寸。
[0016] 作为优选，所述的颗粒填料为生物质炭颗粒。
[0017] 作为优选，所述的颗粒填料优选为竹炭颗粒。
[0018] 作为优选，所述斜板沉淀装置由若干平行的斜板构成，斜板从反应器一侧向储蓄池一侧倾斜向上。
[0019] 作为优选，所述活动隔板以上下抽拉的方式设置于储蓄池的进水口处，能够完全密闭储蓄池的进水口。
[0020] 本发明的另一目的在于提供一种基于前述任一方案所述淋滤设备的生物炭负载复合酸洗沉降方法，其步骤如下：
[0021] 1)向反应器中加入由重金属污染底泥，然后再加入硫基质、淋滤功能菌以及淋滤用水，形成
混合液；以生物质炭作为颗粒填料填充至密闭兜网内；
[0022] 2)开启气泵，使旋流曝气头实现曝气与旋转，利用其产生的旋流气体驱动底泥混合液以隔板为界，在反应器的左腔室和右腔室之间循环流动；
[0023] 3)当第一pH检测器检测到反应器内的pH低于
阈值时，关闭气泵停止曝气；打开活动隔板，使泥水混合物在斜板沉淀装置的泥水分离作用下，底泥被沉降滞留于反应器中，澄清的淋滤液进入储蓄池；反应器内的淋滤液排尽后，关闭活动隔板，打开第二阀门，将底部沉积的淋滤处理后的底泥通过排泥管道排空；
[0024] 4)向反应器内重新加入受重金属污染的底泥，利用回流管道及抽水泵将储蓄池中储存的淋滤液注入反应器，打开气泵对新加入的底泥进行酸洗预处理；
[0025] 5)当第一pH检测器检测到反应器内的淋滤液pH不再升高时，关闭气泵停止曝气；打开活动隔板，使全部淋滤液通过斜板沉淀装置分离后进入储蓄池，再通过排水管道排出；
待反应器内的淋滤液排尽后，关闭活动隔板，并向反应器内重新加入硫基质以及淋滤用水；
[0026] 6)不断重复步骤2)～5)对待处理的底泥进行淋滤，实现利用酸洗预处理缩短污染底泥的淋滤时间。
[0027] 作为优选，所述的阈值取2.5。
[0028] 与背景技术相比，本发明的优点与效果包括：
[0029] 本发明复合微生物负载、旋流循环曝气及预酸化处理等手段，大幅减短淋滤所需时间，避免了每一轮淋滤中菌液的重新投加且实现淋滤酸液pH值的有效回升。整体装置构建简单，运行稳定，淋滤方法简便可行，是一种投入成本低，运行效率高的处理底泥中重金属的生物淋滤方法及其设备。
附图说明
[0030] 图1为生物炭负载复合酸洗沉降一体化生物淋滤设备示意图；
[0031] 图2为旋流曝气头俯视示意图；
[0032] 图3为
实施例中第一轮淋滤pH下降情况；
[0033] 图4为实施例中第二轮淋滤pH下降情况；
[0034] 图5为实施例中第三轮淋滤pH下降情况；
[0035] 图6为实施例中第一轮淋滤重金属淋出情况；
[0036] 图7为实施例中第二轮淋滤重金属淋出情况；
[0037] 图8为实施例中第三轮淋滤重金属淋出情况；
[0038] 图9为实施例中预酸化实验情况；
[0039] 图10为实施例中预酸化实验情况。
[0040] 图1中，1.反应器，2.储蓄池，3.隔板，4.兜网，5.斜板沉淀装置，6.旋流曝气头，7.活动隔板，8.进气管道，9.排泥管道，10.回流管道，11.排水管道，12.气泵，13.抽水泵，14.第一pH检测器，15.第二pH检测器，16.温度检测器，17.第一阀门，18.第二阀门，19.第三阀门。
具体实施方式
[0041] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的阐述。
[0042] 如图1所示，为本发明的一种生物炭负载复合酸洗沉降一体化生物淋滤设备，其包括反应器1、斜板沉淀装置5和储蓄池2。反应器1为上部圆筒状、下部漏斗形的空心装置；反应器1内部圆筒部分垂直设有一块隔板3，隔板3两侧侧壁于反应器1壳体内壁连接，通过隔板3将反应器1内腔分为左腔室和右腔室，且左腔室和右腔室的上下均连通。
[0043] 在隔板3上部与反应器1壁面之间的左腔室中设有兜网4，且兜网4内装有供微生物富集生长的颗粒填料。兜网4的开孔尺寸应当小于颗粒填料尺寸但大于反应器1中污染物颗粒(主要是污泥颗粒)尺寸，使得污染物颗粒能够顺利通过兜网4而颗粒填料则无法流出兜网4。颗粒填料的主要作用使作为淋滤功能菌等微生物附着的载体，可以选用多孔材料制成，例如生物质炭等，优选为竹炭颗粒。兜网4中颗粒填料的加入
质量需要根据淋滤液含量而定，一般可以为5～10g/L。为了保证淋滤效果，兜网4应当尽量填充左腔室地一个断面，使泥水混合物在循环过程中均需要
接触兜网4中的颗粒填料。
[0044] 底泥的淋滤需要配合曝气进行，因此在兜网4下方设有用于向左腔室进行曝气的旋流曝气装置，旋流曝气装置通过进气管道8与位于反应器1外部的气泵12相连，在进气管道8上设有用于控制管道开闭的第一阀门17。在本发明中，旋流曝气装置的一种形式由旋流曝气头6构成，旋流曝气头6主体为若干条水平布置的十字交叉气管，不同的十字交叉气管的中心均通过一条垂直的中心管道连通进气管道8，十字交叉气管沿中心管道的高度方向均布。如图2所示，每根十字交叉气管中的四条分支管道的一侧沿水平面方向朝同一方向(顺时针或逆时针)均匀打孔，使得所有十字交叉气管在曝气时形成顺时针或逆时针方向的
气动推
力。该推力能够推动汽水混合物在左腔室中以螺旋形式向上流动，充分混合，然后越过隔板3从右腔室向下流动，从而不断循环。在反应器1中安装有第一pH检测器14与温度检测器16，分别对内部混合液的pH及温度进行实时监测。
[0045] 在本发明中，反应器1底部设有排泥管道9，排泥管道9上设有控制管道开闭的第二阀门18，被淋滤处理完毕的底泥可以从该管道排出，而淋滤液则需要在下一轮处理时进行回用，用以对新的底泥中的耗酸物质进行中和，加快淋滤过程。因此，需要对泥水混合物进行分离，本发明中该功能时通过斜板沉淀装置5来实现的。反应器1的右腔室下部侧壁上开设有出水口，而储蓄池2上设有高于反应器1出水口的进水口，反应器1的出水口与储蓄池2的进水口通过斜板沉淀装置连通。斜板沉淀装置5由若干平行的斜板构成，斜板从反应器1一侧向储蓄池2一侧倾斜向上。斜板所具有的倾斜
角度及斜板安置块数由淋滤结束底泥泥水比计算决定。而在斜板沉淀装置5与储蓄池2的进水口的连通位置设有控制进水口开度的活动隔板7。活动隔板7以上下抽拉的方式设置于储蓄池2的进水口处，能够完全密闭储蓄池2的进水口，当需要对反应器1中的泥水混合物进行分离时可以通过活动隔板7打开储蓄池2的进水口，否则保持关闭状态。
[0046] 另外，底泥的淋滤液中含有大量淋滤悬浮功能菌及H+，这些物质可以再次用于对新的底泥进行酸洗预处理，从而中和底泥中的耗酸物质，加速后续的淋滤反应进程。因此，储蓄池2上设有一条回流管道10，储蓄池2通过回流管道10与反应器1内部的右腔室连通，且回流管道10上设有提供动力的抽水泵13，构成使淋滤酸液在反应器1和储蓄池2之间循环的回路。储蓄池2底部设有排水管道11，排水管道11上设有第三阀门19，当淋滤液酸洗完毕后可以通过打款第三阀门19从排水管道11排出。储蓄池2中也可以设有第二pH检测器15，用于对淋滤液的pH进行检测，掌握其pH状态。
[0047] 在该生物淋滤设备中，反应器1作为淋滤的主体，用于通过曝气对底泥进行淋滤，脱除重金属。由反应器1顶部可实现排入底泥等重金属污染物的功能，并且可以通过与反应器1底部连接的排泥管道9实现排出淋滤反应污染物的功能。而利用斜板沉淀装置5连接储蓄池2后，可以将淋滤液经过泥水分离后排入储蓄池2中。淋滤设备的储蓄池2，用于暂时储存淋滤酸液的罐体，当反应器1中加入新的底泥后，可以通过回流管道10及抽水泵13实现淋滤酸液的回流，对底泥进行酸洗预处理。而当淋滤液酸洗完毕再次排到储蓄池2中时，可以利用排水管11实现排放淋滤酸液的功能。储蓄池2上安装pH检测器15以实时监测储蓄池2内的酸液pH。
[0048] 连接反应器1与储蓄池2的斜板沉淀装置5中，斜板具有一定的倾斜角度以便在收集淋滤酸液时可尽量实现分离液相并在反应器1中沉降固相污染物。为了使反应器1中的淋滤液能够尽可能地排至储蓄池2中，反应器1上的出水口以及斜板沉淀装置5最下方的斜板通道应当尽可能低。另外，斜板沉淀装置5一侧所安装的活动隔板7，能实现斜板沉淀装置5通道的打开与关闭，即活动隔板7可向下移动，使得斜板沉淀装置5通道由上至下逐渐打开。为了保证在反应器1中曝气淋滤过程中混合液不会溢流，其活动隔板7在关闭时应当保持良好地密闭性。
[0049] 下面基于上述淋滤设备，提供一种生物炭负载复合酸洗沉降方法，其步骤如下：
[0050] 1)向反应器(1)中加入由重金属污染底泥，然后再加入硫基质、淋滤功能菌以及淋滤用水(可采用
自来水)，形成混合液；以生物质炭作为颗粒填料填充至密闭兜网(4)内，填充量根据实际调整。硫基质可选用硫磺或其他适合淋滤的含硫化合物。淋滤功能菌可采用具有重金属淋滤功能的一种或多种菌种，可以采用现有的菌株或者自行筛选。淋滤用水可采用自来水或者蒸馏水等。
[0051] 2)开启气泵(12)，使旋流曝气头(6)实现曝气与旋转，利用其产生的旋流气体驱动底泥混合液以隔板(3)为界，在反应器(1)的左腔室和右腔室之间循环流动。在该过程中，利用污泥回流促使淋滤功能菌利用硫基质对底泥中的重金属进行脱除，同时利用曝气方式加强氧化速率。随着淋滤不断进行，淋滤体系pH降低，淋滤微生物的浓度不断增加并附着于生物质炭上。
[0052] 3)当第一pH检测器(14)检测到反应器(1)内的pH低于阈值(可以设为2.5～3.0)时，关闭气泵(12)停止曝气，静置使得泥水混合物初步分离。然后打开活动隔板(7)，使泥水混合物进入斜板沉淀装置(5)，在斜板沉淀装置(5)的高效泥水分离作用下，底泥被沉降滞留于反应器(1)中，澄清的淋滤液进入储蓄池(2)。反应器(1)内的淋滤液排尽后，关闭活动隔板(7)，打开第二阀门(18)，将底部沉积的淋滤处理后的底泥通过排泥管道(9)排空。此时储蓄池(2)中的淋滤液中依然含有大量游离的淋滤功能菌以及大量的酸性物质，此部分直接排放仍需要二次处理，而本发明中将其进行循环利用作为后续新的底泥的酸洗液。
[0053] 4)向反应器(1)内重新加入受重金属污染的底泥，利用回流管道(10)及抽水泵(13)将储蓄池(2)中储存的淋滤液注入反应器(1)，打开气泵(12)对新加入的底泥进行酸洗预处理。在该酸洗预处理过程中，回流的淋滤液与底泥充分混合，其中的酸性物质与底泥中的耗酸物质中和，使得底泥pH降低而淋滤液pH升高，且淋滤功能菌部分附着于兜网中的颗粒填料上。
[0054] 5)当第一pH检测器(14)检测到反应器(1)内的淋滤液pH不再升高时，表明淋滤液中的酸性物质已消耗完毕，此时关闭气泵(12)停止曝气，静置进行初步泥水分离。然后再打开活动隔板(7)，使全部淋滤液通过斜板沉淀装置(5)分离后进入储蓄池(2)，再打开阀门将其通过排水管道(11)排出。待反应器(1)内的淋滤液排尽后，关闭活动隔板(7)，并向反应器(1)内重新加入硫基质以及淋滤用水，用于进行后续的曝气淋滤过程。
[0055] 6)不断重复步骤2)～5)对待处理的底泥进行淋滤，即可实现利用酸洗预处理缩短污染底泥的淋滤时间。
[0056] 在该过程中，可以利用两个pH检测器与温度检测器16定时检查反应器1及储蓄池2内状况，以便了解当期的运行状态，及时调整运行参数。
[0057] 下面基于部分实施例中的实验，展示本发明的上述酸洗沉降方法中参数选择依据，以便于理解本发明的实质。
[0058] 实施例1:竹炭生物富集载体实验
[0059] 在250ml的锥形瓶内，称取2.5g干重的被重金属污染的湿泥，加入150ml超纯水，加入3g/L(硫含量)的硫基质，另加3ml混培菌液(由污泥菌驯化得到的淋滤功能菌)。设置7个实验组，同时设置一组未加任何填料颗粒的对照组。每个实验组设置三个平行，不同实验组内各自加入如下7种不同填料颗粒：
[0060]
[0061] 将所有组的锥形瓶置于28℃，180r/min的恒温振荡
培养箱中培养。每天定时测定pH，并通过补充蒸馏水保持体系恒重。
[0062] 当各组pH基本不再下降时，结束这一轮淋滤实验。对淋滤体系进行过滤，得到体系中的竹炭与陶粒，利用这些可能附着微生物的基质，再一次重复以上淋滤实验，但是此次淋滤除对照组外不添加任何淋滤菌液，仅添加硫基质，记录pH下降情况。这样的淋滤重复2轮。
[0063] 三轮淋滤实验各组pH下降情况如如图3～5所示。实验结果表明，经过3轮的淋滤实验后，不同质量及粒径的竹炭表面已富集了大量的微生物，且其淋滤速率比添加陶粒组及对照组都要快。竹炭本身包含一系列
营养元素(如K+、Mg2+、Na+、N、P等)，而且由于竹炭的负表面电荷，它还可
吸附周围环境中的盐离子为微生物提供营养物质。淋滤过程产生的有毒重金属在生物质炭上的吸附固定及其生物有效性的降低也缓解它们对淋滤菌群的毒性。竹炭的大
比表面积也有利于微生物的附着生长。
[0064] 综上而论，向淋滤体系中添加竹炭有利于微生物的富集生长，能够加快淋滤速率且后续的淋滤中不必再次添加淋滤菌液。淋滤时，判断淋滤达到终点的pH阈值可以设为2.5。
[0065] 图6～8为经过三轮生物富集载体实验的重金属淋出情况。由图可知，相较于陶粒颗粒组T与对照组S，添加竹炭更有利于重金属的淋出，尤其是对于重金属Cu而言其效果更为明显。且经过三轮的淋滤富集，即使不添加淋滤菌液也能得到更好的淋滤效果，这也进一步说明淋滤菌已在竹炭颗粒上充分富集生长。综合以上pH下降情况图及重金属淋出情况图，20/0.50g组具有最佳的淋滤效果及促进酸化的效果。
[0066] 实施例2:淋滤预酸化实验
[0067] 利用实施例1的第一轮淋滤实验中20/0.50g组中产生的淋滤液经过澄清，取上清液进行预酸化实验，做法为：
[0068] 在3个平行的250ml锥形瓶内均投入2.5g干重的被重金属污染的底泥，3g/L的硫粉。再加入约100ml淋滤液上清液并在摇床上震荡酸洗0.5h。
[0069] 酸洗完成后，静置足够时间，去除上层清液，然后重新加入150ml超纯水及0.45g硫粉与3ml菌液。将所有锥形瓶置于28℃，180rpm培养箱中培养。同时设置未进行酸洗的对照组。每天进行pH测定，用超纯水补足失重部分。每天记录各组pH变化。预酸化实验共进行两轮以检验多轮预酸化的效果，第二轮预酸化所用酸液源于第一轮淋滤实验，操作同之前步骤。图9为各实验组pH变化图，图中turn 1代表利用实验1第一轮淋滤实验中20/0.50g产生的淋滤上层清液进行预酸化后的淋滤实验，turn 2代表利用turn1淋滤结束后产生的淋滤上层清液进行预酸化后的淋滤实验，同时S代表不做预酸化处理的淋滤对照组。可以发现，经过预酸化处理后，淋滤体系初始pH得到降低，且淋滤达到pH＜2.5所需的时间也明显得到缩短。
[0070] 且根据图10可知，经过预酸化处理后重金属的淋出率大大提升。为避免预酸化过程中重金属重新回到底泥中而导致淋出率的出现计算的系统误差，每一次预酸化结束后都对预酸化废液进行重金属含量的测定，最终通过重金属的质量守恒来计算经过预酸化处理后的底泥的重金属淋出效率。可以发现，在预酸化的过程中，一方面重金属淋出率大大提升，底泥中耗酸物质也得到了有效去除使得后续淋出时间得到缩短；另一方面，由于淋滤体系pH下降，淋滤微生物菌群的生存繁衍及代谢活动得到促进与优化。
[0071] 综上所述，利用淋滤预酸化实验可有效缩短淋滤所需的时间，且使淋滤产生的废酸液pH得到回升，在利用淋滤酸液H+资源的同时避免二次处理中所需投入的治理成本，最重要的是大大提升了生物淋滤的重金属淋出率。
