一种利用微生物诱导鸟粪石生成的装置及方法与流程

本发明涉及兼性厌氧微生物诱导成矿领域，具体涉及一种利用微生物在含Mg²⁺、NH₄⁺和PO₄^3-废水中诱导鸟粪石生成的装置及其方法。

背景技术：

目前对工业废水中Mg²⁺、NH₄⁺和PO₄^3-的去除方法以化学方法居多，如鸟粪石结晶沉淀法，其基本原理是通过向废水中投加镁盐和磷酸盐使Mg²⁺、NH₄⁺和PO₄^3-发生化学反应生成复盐鸟粪石(MgNH₄PO₄·6H₂O)。鸟粪石是矿石的一种，亦称鸟兽积粪，成分为MgNH₄PO₄·6H₂O，由于富含氮磷等元素，同时不易被水冲失，可以用于河漫滩，盐碱地等环境，这些特点使其成为一种优质缓释肥料，可实现良好的经济效益和环境效益，实现氮磷废水的资源化利用。在实际处理工业废水中的Mg²⁺、NH₄⁺和PO₄^3-过程中，使用鸟粪石结晶沉淀法存在种种限制因素。许多废水中的氮磷浓度很高，但彼此之间的比例不能满足鸟粪石沉淀法的要求，在这种情况下添加某些化学药剂可以提高沉淀效率，但会增加处理成本，操作复杂，而且氮磷本身是废水处理的控制目标，添加过量会造成二次污染，因而有必要探求一种高效廉价的生成鸟粪石的装置，能够改变生成鸟粪石所需的条件，从而降低生产成本。

利用微生物诱导矿物生成已经在实验室得到验证，但目前还没有相应的微生物诱导生成矿物的设备用于废水处理。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题之一在于提供一种利用微生物诱导鸟粪石生成的装置，该装置通过反应单元、沉淀单元和水循环单元配合使用，弥补了微生物诱导生产鸟粪石装置的缺陷，该装置克服了现有的化学沉积法生产鸟粪石中存在的成本高、操作复杂、二次污染等缺点。

其技术解决方案包括：

一种利用微生物诱导鸟粪石生成的装置，其包括反应单元、沉淀单元、水循环单元和N₂气罐，所述反应单元包括流化床反应器和安装在其顶部的封头，在所述封头上开设有接口一、接口二和排气管道，所述接口一通过管道连接有微生物菌液，所述接口二通过管道连接所述N₂气罐；在所述流化床反应器内充填有填料，所述流化床反应器的底部平行设置有布水支路管道，所述布水支路管道被所述填料覆盖，所述布水支路管道上分布有小孔，所述小孔通过管道对应连接有布水主管，在所述流化床反应器的侧部还连接有用于监测流化床反应器内液体的pH计和控制温度的温度调节器；

所述水循环单元包括供水装置，所述布水主管的一端与所述小孔相连的管道连接，另一端与所述供水装置连通，在所述布水主管上还设置有回流管道；

所述沉淀单元包括沉淀器，所述沉淀器上开设有进口一、出口一、出口二和出口三，所述进口一通过导管与流化床反应器连接，所述出口一用于将水排出，所述出口二位于所述沉淀器的底部，用于将鸟粪石排出；所述出口三通过回流管道与布水主管连通；

在所述沉淀器的顶部安设有超声波装置。

作为本发明的一个优选方案，所述接口二与所述N₂气罐连接的管道上布设有针型阀和流量计。

作为本发明的另一个优选方案，所述填料占流化床反应器体积的1/5～1/4。

优选的，所述流化床反应器与所述导管相通处设置有用于阻挡载体通过的滤网。

优选的，所述滤网由耐酸碱的不锈钢材料制成，所述滤网上每一孔隙规格为1mm*1mm。

优选的，所述布水支路管道上连接有阀门、压力计、流量计和水泵。

优选的，所述填料为沸石或聚氨酯材料载体。

所述布水支路管道上的小孔分布有多个，每个小孔均通过管道连接在布水主管上，所述布水主管、布水支路管道均由耐酸碱不锈钢材料制成。

上述每个小孔的出水面积基本相等，有利于鸟粪石流化生长。

本发明所要解决的另一技术问题是提供一种采用微生物诱导鸟粪石生成的方法。

一种利用微生物诱导鸟粪石生成的方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

a将安装在流化床反应器上方的封头打开，向该流化床反应器内装入填料，其中填料的加入量为流化床反应器体积的1/5～1/4，关闭封头；

通过N₂气罐向流化床反应器内通入N₂气体，与此同时，打开封头上的排气管道，使流化床反应器内的空气排出后关闭所述排气管道和N₂气罐，控制流化床反应器内液体的温度为37℃；从进口一向流化床反应器内注入酸碱液，通过pH计显示的数据来调整并保持流化床反应器内的pH为8.2-8.4；在流化床反应器底部设置布水支路管道，该布水支路管道上分布小孔，所述小孔通过管道连接布水主管，布水主管上设置回流管道，所述回流管道的另一端连接有沉淀器，通过控制该回流管道上水泵的流速，使得所述流化床反应器内的填料处于“上升-沉降”状态；

c通过供水装置向流化床反应器内注水，打开与供水装置连接的布水主管通水，布水主管在布水支路管道的初步过滤下，水进入流化床反应器内，与此同时打开位于沉淀器顶部的超声波装置；

d超声波装置以50kHz的频率和300W的功率工作120s，使鸟粪石悬浊粒子与容器壁或微生物等分离，充分沉降进入沉淀器底部的出口二，当沉积的鸟粪石达到一定规模，打开出口二并将所得鸟粪石排出，排净后关闭出口二；

e将沉淀器的出口一打开，使处理后的废水排出。

本发明所带来的有益技术效果：

采用体积小、比表面积大、透水性好、吸附性强的颗粒填料作为微生物载体，填料的投放、补充、更新操作简单，同时具有很强的抵抗冲击负荷的能力，使细菌附着其上可以长达百天。

布水支路管道位于反应器底部，每个小孔的出水面积基本相等，具有均匀配置污水的功能，使布水均匀无死区，同时进水与填料或载体可以充分接触、微生物菌体与填料或载体充分接触，有利于鸟粪石流化生长，避免了生成的鸟粪石结晶堵塞的问题。

在沉淀器顶部安设超声波装置，超声波具有较高的能量，当超声波通过有微生物菌体附着的鸟粪石颗粒时，会使鸟粪石颗粒从微生物团聚物中分离沉降出来。利用超声波对鸟粪石悬浮液进行处理，使矿物沉淀效率提高。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明流化床反应器底部的俯视图；

图中，1、封头，2、接口一，3、接口二，4、排气管道，5、流量计，6、针型阀，7阀门，8、法兰，9、流化床反应器，10、pH计，11、温度调节器，12、填料，13、滤网，14、导管，15、沉淀器，16、超声波装置，17、出口三，18、出口二，19、出口一，20、阀门，21、回流管道，22、布水主管，23、布水支路管道，24、回流泵，25、阀门，26、阀门，27、压力计，28、流量计，29、水泵，30、N₂气罐，31、小孔。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

本发明所指微生物如非脱羧勒克菌(leclercia adecarboxylata)JLS2，其在中国微生物菌种保藏管理委员会普通生物中心的保藏编号为CGMCC No.11782，利用这种菌可以沉降Mg²⁺和/或PO₄^3-和/或NH₄⁺生成鸟粪石。

如图1所示，本发明一种利用微生物诱导鸟粪石生成的装置，包括反应单元、沉淀单元、水循环单元和N₂气罐30，其中，反应单元包括流化床反应器9，在流化床反应器9的顶部通过封头1进行密封，流化床反应器与封头1之间可通过常规结构如法兰8配合，在需要向流化床反应器内加入填料12时，封头1为打开状态，在开启反应后，封头1均为关闭状态，在封头1上分别设置有接口一2、接口二3和排气管道4，接口一也作为菌液和酸碱液的注入口，接口二3通过管道连接N₂气罐30，通过接口二3可以向流化床反应器内提供N₂气体，在接口二3与N₂气罐连接的管道上布设有流量计5和针形阀6，便于调节气体进量，在排气管道上安设有阀门7，在流化床反应器9的侧上方通过导管14连接沉淀器15，在导管处还安装有一滤网13，该滤网13由耐酸碱的不锈钢材料制成，每一孔隙规格为1mm*1mm，用于挡住填料12；在流化床反应器9上还设有pH计10和温度调节器11。如图2所示，流化床反应器底部设置布水支路管道23，布水支路管道23上分布有多个小孔31，每个小孔的出水面积基本相等，有利于鸟粪石流化生长，每个小孔31均通过管道连接在布水主管上，布水支路管道23被填料12覆盖并与布水主管22相连，布水主管22上分别连接有水泵29、流量计28、压力计27、阀门26，布水主管22与回流管道21相连，回流管道21上设有回流泵24和阀门25，回流管道21的另一端与出口三17相连，在沉淀器15上部安装有超声波装置16，中部开设有阀门20的出口一19，底部开设有出口二18，鸟粪石从出口二18排出。

上述流化床反应器和沉淀器均由耐酸碱的不锈钢材料制成，横截面为圆形。流化床反应器长径比为2-5，沉淀器长径比为1-2。

上述充填在流化床反应器内的填料，优选为沸石或聚氨酯材料载体，其添加量占流化床反应器体积的1/5～1/4，直径略大于1mm，具有良好的透水性，可作为微生物的良好载体，利用底部小孔向上的均匀水流，填料在反应器内达到“上浮—沉降”的循环流化状态。

布水支路管道位于反应器底部，具有均匀配置污水的功能，每个小孔的出水面积基本相等，使布水均匀无死区，进水与填料或载体可以充分接触，微生物与填料或载体充分接触，运行稳定，避免了生成的鸟粪石结晶堵塞的问题。

利用上述装置处理含Mg²⁺、NH₄⁺和PO₄^3-工业废水，其处理方法如下：

(1)接种微生物菌液(非脱羧勒克菌液)：

先将封头1打开，将填料12装入流化床反应器9内，填料装入量为流化床反应器体积的1/5-1/4,关闭封头1；

将非脱羧勒克菌液从接口一2注入流化床反应器内，使液位达到沉淀器15的出水口一19时，合上接口一2并密封，打开阀门6，向流化床反应器内通入N₂气体约10分钟，并且同时打开阀门7，使流化床反应器内的空气排出后，关闭阀门7，打开温度调节器11，对流化床反应器内的液体进行加热，使温度维持在37℃；通过封头上的接口一向流化床反应器内注入酸碱液，保持流化床反应器内的pH在8.2-8.4；

打开并调节回流泵24和布水支路管道23，使流化床反应器内的填料发生流化，填料在流化床反应器内呈“上升-沉降”状态，将流化床反应器上述状态保持48小时；

(2)加入废水

位于布水主管上的水泵29将供水装置提供的废水经过初步过滤，悬浮物含量较少的废水泵入流化床反应器内，泵入量为1.2-1.5L/h；与此同时观察温度和pH，使流化床反应器内的液体温度维持在37℃，pH值保持在8.2-8.4；同时保持水泵29泵入量为1.2-1.5L/h，调整水泵24流速使填料在反应器内达到“上浮—沉降”的循环流化状态；

(3)收集鸟粪石

打开超声波装置16，以50kHz的频率和300W的功率运行120s，使鸟粪石与微生物菌体分离，沉降进入出口二18，当沉降的鸟粪石达到一定规模，打开出口二18将所得鸟粪石排出，排净后关闭出口二18。

(4)将出口一打开，使处理后的废水排出。

(5)重复进行(2)、(3)和(4)。

需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。