本发明涉及工业固体废弃物的无害化处理领域，具体涉及一种赤泥的生物脱碱方法。
背景技术：
赤泥是氧化铝工业产出的固态或半固态粉泥状固体废弃物，其富含三价铁离子而呈现红色或红棕色。每生产1吨氧化铝会产生1.5吨左右的赤泥。截止2016年，全球赤泥堆存量超过30亿吨，并以每年1.2亿吨的速度递增。我国赤泥堆存量已超过4.0亿吨，赤泥年产量超过0.6亿吨。目前赤泥的资源化利用效率很低，因此绝大部分外排的赤泥只能堆存处置。但是由于赤泥具有极高的碱度，在堆存时赤泥的碱性渗滤液一旦外流，会给周边地表水、地下水或土壤环境造成严重污染。且赤泥表层的碱性粉尘会通过风力输送至周边农田，加剧碱性污染程度。同时赤泥极高的碱度会严重抑制其资源化利用效率，例如将赤泥作为建筑材料添加剂或回收赤泥中贵重金属元素。因此，赤泥脱碱对于其安全堆存和资源化利用有重要的现实意义。
目前赤泥脱碱有以下几种方法：
1.石灰脱碱法。该方法通过石灰中的钙离子与赤泥中的氢氧根、碳酸根形成沉淀去除赤泥中的碱度，该方法碱度去除率低，当赤泥表层的氢氧化钙和碳酸钙等沉淀溶解后容易再次释放碱度。
2.二氧化碳中和法。通过二氧化碳水解后与赤泥中钙、镁等离子形成沉淀降低赤泥碱度，该方法仪器设备复杂、能耗高、初期投资花费大，且中和后的ph极易反弹。
3.酸中和法。通过硫酸、盐酸等无机酸或柠檬酸等有机酸中和赤泥的碱度，该方法耗酸量极大，运行费用高，且容易造成二次污染。
4.水洗中和法。该方法通过溶剂水溶解赤泥中的碱性物质，再将碱性水排出，从而降低赤泥的碱度。该方法对赤泥的碱度脱除效率低，且外排的大量碱性液体不能直接排放，提升了整个工艺的后续处理费用。
5.海水中和法。该方法同样具有脱碱效率低下的缺陷，且只适用于沿海地区。
技术实现要素：
本发明的目的就是针对上述已有方法和技术的不足，提供一种赤泥的生物脱碱方法。在该工艺方法的批次运行模式下，赤泥与微生物细胞完全分离，生物脱碱后的赤泥滤渣和真菌菌体可回收利用，且该生物脱碱工艺方法可工业化生产和运营，从而实现了整个赤泥生物脱碱过程的绿色、环保、低成本和规模化运行。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种赤泥的生物脱碱方法，包括以下步骤：
(1)在发酵罐中进行培养基的灭菌及黑曲霉的发酵产酸，具体为：
将黑曲霉孢子接种于pda平板，生长成熟的孢子采用灭菌的生理盐溶液洗脱，制成孢子悬液；
将培养基加入发酵罐中进行灭菌处理，灭菌完毕，待罐体冷却，设置发酵罐发酵参数；将黑曲霉孢子悬液接种于发酵罐中，接种量按照体积为培养基总体积的1～5‰，发酵产酸进程于黑曲霉接种完毕后开始，当发酵罐中发酵液的ph低于2.2时，发酵产酸进程结束，关闭发酵罐；
(2)在菌液分离罐中进行菌丝球与发酵液的分离，具体为：
将由发酵罐产生的含有菌丝球的黑曲霉发酵液输送入菌液分离罐，发酵液在菌液分离罐中静置120～180min，菌液分层后，下层为菌丝球，上层为赤泥脱碱用的含有大量有机酸的发酵上清液，将该发酵上清液迅速排入混凝沉淀罐，当发酵上清液排出进程结束后，从菌液分离罐底部排出菌丝球；
当菌液分离罐运行时间长造成底部滤网堵塞、发酵液通过效率降低时，通过反冲洗管用清水对滤网进行反冲洗，恢复其通水性能，反冲洗后的废水与滤网上冲洗掉的菌丝一起从菌丝球排出管排出系统；
(3)在混凝沉淀罐中进一步去除发酵液中的微小菌丝体及悬浮物，具体为：
发酵上清液排进混凝沉淀罐后，通过混凝沉淀罐上配备的加药装置加入混凝剂，开启搅拌装置，将混凝剂与发酵液迅速混合，混凝反应时间为20～40min；混凝反应结束后，关闭搅拌装置，进入沉淀过程，静置30～60min后，沉淀过程结束，将上清液送入脱碱罐，混凝沉淀罐底部的沉渣排入板框压滤机进一步脱水处理；
(4)在脱碱罐中使赤泥与酸性发酵液发生酸碱中和反应及固液分离，具体为：
发酵液进入脱碱罐中之后，将赤泥浆液加入脱碱罐中，赤泥浆液的投加量为使酸碱中和反应结束时脱碱液的ph值为6.5～7.5；开启搅拌装置，将赤泥浆液与发酵液混合均匀，酸碱中和反应进行1～3h；酸碱中和反应结束，关闭搅拌装置，系统进入泥液分离过程，静置90～120min，脱碱罐上部的上清液即为脱碱液，下部即为脱碱后的赤泥；脱碱液从脱碱罐侧壁排出，该脱碱液ph值低于9.0；酸碱中和后的赤泥从脱碱罐底部排出。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的赤泥的生物脱碱方法，其中，步骤(1)孢子悬液中黑曲霉孢子浓度为1×107～1×108个/ml；
培养基的灭菌条件为115～125℃，102.5～105kpa灭菌25～35min；培养基的溶剂为去离子水，其成分按照质量浓度为：蔗糖5～15％、酵母膏0.01～0.02％、牛肉膏0.01～0.02％、kno30.02～0.05％；
发酵罐发酵参数设置为：温度32～35℃，溶解氧2.5～2.8mg/l，搅拌速度120～150r/min。
前述的赤泥的生物脱碱方法，其中，发酵液从进入菌液分离罐到最终全部流出菌液分离罐的时间控制在240min内。
前述的赤泥的生物脱碱方法，其中，步骤(3)所述的混凝剂为聚丙烯酰胺溶液，溶剂为水，聚丙烯酰胺的质量浓度为3～5％，混凝剂按照体积的投加量为混凝沉淀罐中发酵液总体积的0.05～0.1％。
前述的赤泥的生物脱碱方法，其中，步骤(4)中所述赤泥浆液是将赤泥与水混合均匀，赤泥与水的质量比为1:2～1:5。
前述的赤泥的生物脱碱方法，其中，所述发酵罐底部与所述菌液分离罐顶部之间连接有第一输送管20，发酵罐中的发酵液通过该第一输送管20进入所述菌液分离罐；
所述菌液分离罐底部呈锥形，该锥形底部内设有滤网8，滤网8和菌液分离罐锥形底部的侧面之间为滤液槽9，菌液分离罐与滤液槽整体为密封结构，滤液槽9底部设有滤液槽发酵液出流管12和反冲洗管11，滤网8底部中心位置为菌丝球排出管10，菌丝球从该菌丝球排出管排出；所述菌液分离罐侧壁安装有侧壁发酵液出流管7，该侧壁发酵液出流管7与第二输送管21连接，滤液槽发酵液出流管12和第二输送管21汇合为一根总发酵液出流管24接入所述的混凝沉淀罐，或者，滤液槽发酵液出流管12和第二输送管21分别接入所述的混凝沉淀罐；
所述加药装置设于所述混凝沉淀罐顶部，该加药装置包括储药罐14和第三流量泵19，混凝剂储存于储药罐14内，由第三流量泵打入混凝沉淀罐，混凝沉淀罐3底部设有沉渣出口22，混凝沉淀罐底部的沉渣通过该沉渣出口22排入板框压滤机进一步脱水处理；
所述混凝沉淀罐侧壁通过第三输送管25与所述脱碱罐顶部连接，所述脱碱罐顶部还设有赤泥投加管15，其底部设有赤泥排出管17，侧壁设有脱碱液排出管16；
所述的混凝沉淀罐和脱碱罐内部均装有搅拌装置13。
进一步，所述菌液分离罐锥形底部的侧面和滤网的侧面与水平面均呈30～60°角；所述滤网的滤孔尺寸为0.075～0.125mm；
所述菌丝球排出管10的管径大于2cm。
进一步，所述菌液分离罐侧壁垂直方向上设有多个不同高度的侧壁发酵液出流管7，每个侧壁发酵液出流管7分别有一个阀门控制；多个不同高度的侧壁发酵液出流管汇总至第二输送管21。
进一步，所述搅拌装置13为叶片式的旋转机械搅拌器。
进一步，所述第一输送管20、总发酵液出流管24、第三输送管25上分别装有第一流量泵6、第二流量泵18、第四流量泵23。
借由上述技术方案，本发明的优点和有益效果在于：
1.本生物脱碱工艺在运作过程中，菌丝球和赤泥颗粒并没有接触，因此不会形成难以处理的赤泥微生物混合残渣，在生物脱碱后菌丝球与赤泥颗粒分别保持较完整的原有形态，有利于菌丝球和赤泥的进一步资源化利用。
2.本生物脱碱工艺采用批次运行模式，具有脱碱流程短、机械设备简单、易保养维护的优点。
3.本生物脱碱工艺采用批次运行模式，即使单批次内发生严重的菌种污染现象，也不会对下一批次的生物脱碱效率产生负面影响。
4.本生物脱碱工艺不存在因菌种污染而严重破坏整个生物脱碱系统的问题，发酵液在很短时间内即与赤泥浆液进行酸碱中和反应。
附图说明
图1是本发明的装置图。
【元件符号说明】
1：发酵罐2：菌液分离罐3：混凝沉淀罐4：脱碱罐5：阀门6：第一流量泵7：侧壁发酵液出流管8：滤网9：滤液槽10：菌丝球排出管11：反冲洗管12：滤液槽发酵液出流管
13：搅拌装置14：储药罐15：赤泥投加管16：脱碱液排出管17：赤泥排出管18：第二流量泵19：第三流量泵20：第一输送管21：第二输送管22：沉渣出口23：第四流量泵24：总发酵液出流管25：第三输送管
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种赤泥的生物脱碱方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
本发明的工艺方法具体为：
(1)在发酵罐中进行培养基的灭菌及黑曲霉的发酵产酸，具体为：
首先，培养基加入发酵罐1中进行灭菌处理，灭菌条件为115～125℃和102.5～105kpa灭菌25～35min。培养基的溶剂为去离子水，其成分为：蔗糖5～15％、酵母膏0.01～0.02％、牛肉膏0.01～0.02％、kno30.02～0.05％(质量浓度)。
灭菌完毕，待罐体冷却，设置发酵罐发酵参数：温度32～35℃，溶解氧2.5～2.8mg/l，搅拌速度120～150r/min。将黑曲霉孢子悬液接种于发酵罐中，接种量为培养基总体积的1～5‰。发酵产酸进程于黑曲霉接种完毕后开始，当发酵罐中发酵液的ph低于2.2时，发酵产酸进程结束，关闭发酵罐。
黑曲霉可购买，也可自行分离培养。黑曲霉在接种前需活化：将黑曲霉孢子接种于pda平板，生长成熟的孢子采用灭菌的生理盐溶液洗脱，制成孢子悬液，孢子悬液中黑曲霉孢子浓度约为1×107～1×108个/ml。
所述发酵罐1底部与菌液分离罐2顶部之间连接有第一输送管20，发酵罐中的发酵液通过该第一输送管20进入所述菌液分离罐。
(2)在菌液分离罐中进行菌丝球与发酵液的分离，所述菌液分离罐底部呈锥形，该锥形底部内设有滤网8，滤网8和菌液分离罐锥形底部的侧面之间为滤液槽9，菌液分离罐与滤液槽整体为密封结构，滤液槽9底部设有滤液槽发酵液出流管12和反冲洗管11，滤网8底部中心位置为菌丝球排出管10，菌液分离罐侧壁安装有侧壁发酵液出流管7，该侧壁发酵液出流管7与第二输送管21连接，滤液槽发酵液出流管12和第二输送管21汇合为一根总发酵液出流管24接入所述的混凝沉淀罐，或者，滤液槽发酵液出流管12和第二输送管21分别接入所述的混凝沉淀罐。
将由发酵罐产生的含有菌丝球的黑曲霉发酵液通过第一输送管20送入菌液分离罐，发酵液在菌液分离罐中静置120～180min，菌液分层后，下层为菌丝球，上层即为赤泥脱碱用的含有大量有机酸的发酵上清液，打开位于菌丝球层上部的侧壁发酵液出流管7，迅速排出发酵液，再打开滤液槽底部的滤液槽发酵液出流管12，进一步排出菌液分离罐中剩余的发酵液，侧壁发酵液出流管和滤液槽发酵液出流管中的发酵液均排入混凝沉淀罐，当发酵液排出进程结束后，打开菌丝球排出10，从菌液分离罐中排出菌丝球；
为防止杂菌在发酵液中大量生长消耗有机酸，菌丝球与发酵液的分离过程需快速进行。在发酵罐中发酵结束后的发酵液一次性全部进入菌液分离罐中，从发酵液进入菌液分离罐到最终全部流出的时间控制在240min以内。
当菌液分离罐运行时间长造成底部滤网堵塞、发酵液通过效率降低时，通过反冲洗管11用清水对滤网8进行反冲洗，恢复其通水性能，反冲洗后的废水与滤网上冲洗掉的菌丝一起从菌丝球排出管排出系统；
从菌液分离罐中排出的菌丝球，因其在赤泥脱碱时没有与赤泥颗粒接触，在菌液分离时也没有采用机械式离心或压缩等方式对细胞造成破坏，因此保留有较高的生物活性和较好的完整性，可直接回收利用，例如用于废水的污染治理领域。
(3)在混凝沉淀罐中进一步去除发酵液中的微小菌丝体及悬浮物，避免微小菌丝体与悬浮物在下一步的赤泥脱碱阶段与赤泥颗粒接触，以利于赤泥的回收利用。混凝沉淀罐配备有加药装置和搅拌装置13。加药装置为储药罐14和第三流量泵19，混凝剂储存于储药罐14内，由第三流量泵打入混凝沉淀罐。混凝剂为聚丙烯酰胺，溶剂为水，聚丙烯酰胺质量浓度为3～5％，投加量为发酵液总体积的0.05～0.1％。搅拌装置为叶片式的旋转机械搅拌器。
通过混凝沉淀罐上配备的加药装置加入混凝剂，开启搅拌装置，将混凝剂与发酵液迅速混合，混凝反应时间为20～40min。混凝反应结束后，关闭搅拌装置，进入沉淀过程，静置30～60min后，沉淀过程结束，将上清液通过第三输送管送入脱碱罐，混凝沉淀罐底部的沉渣通过沉渣出口排入板框压滤机进一步脱水处理。
(4)在脱碱罐中使赤泥与发酵液发生金属离子的酸解浸出反应及泥液分离过程，所述脱碱罐顶部设有赤泥投加管15，其底部设有赤泥排出管17，侧壁设有脱碱液排出管16；混凝沉淀罐侧壁通过第三输送管25与脱碱罐顶部连接。
发酵液从第三输送管25进入脱碱罐中之后，将赤泥浆液通过赤泥投加管15加入脱碱罐中，赤泥浆液的投加量为使酸碱中和反应结束时脱碱液的ph值为6.5～7.5。开启搅拌装置，将赤泥浆液与发酵液混合均匀，酸碱中和反应进行1～3h。赤泥浆液的制备方式：赤泥与水混合均匀，赤泥与水的质量比为1:2～1:5。酸碱中和反应结束，关闭搅拌装置，系统进入泥液分离过程，静置90～120min，脱碱罐上部的上清液即为脱碱液，下部即为脱碱后的赤泥。脱碱液从脱碱罐侧壁的脱碱液排出管排出。
因脱碱液ph值低于9.0，可直接排放，也可回收其中的钾、钠等元素。酸碱中和后的赤泥从脱碱罐底部的赤泥排出管排出。因为赤泥的大部分碱度已脱除，ph值已降为中性，因此可直接回收利用，例如作为混凝土等建筑材料添加剂，或者不需预酸化直接作为回收贵重金属的原材料。同时也可以将脱碱后的赤泥安全堆存，避免了碱性液体或粉尘对周边环境的污染。通过该系统进行赤泥的生物脱碱，赤泥颗粒并没有与菌丝体接触，因此不需对脱碱后的赤泥进行高温焚烧等后续处理。
本发明所述的各个管道、出口、入口上均设置有阀门5，用以控制打开或关闭。
实施例：
将保存的黑曲霉在pda平板上活化，生长成熟的孢子采用灭菌的生理盐溶液洗脱，制成孢子悬液，将孢子悬液中黑曲霉的孢子浓度调整为约1×108个/ml。
配制培养基，其成分配比为：蔗糖10％、酵母膏0.015％、牛肉膏0.02％、kno30.03％，溶剂为去离子水。将培养基加入发酵罐中进行灭菌处理。发酵罐型号为洋格ygf300/s，有效容积20l。调整发酵罐灭菌参数为121.5℃和103kpa，灭菌时间为30min，启动发酵罐。
灭菌完毕后等罐体冷却，在发酵罐中接种50ml黑曲霉的孢子悬液。将发酵罐发酵条件设置为：温度33℃，溶解氧2.6mg/l，搅拌速度140r/min。发酵48h后发酵液ph值降为2.13，发酵进程结束。
将发酵液泵入菌液分离罐。菌液分离罐有效容积30l，304不锈钢制成，罐体表面有玻璃制的观测孔。静置150min，下层菌丝球与上层发酵液出现明显分层现象，上层发酵液变清澈透明。打开菌液分离罐侧壁菌丝球层上部的所有发酵液出流管阀门及流量泵，排出发酵液至混凝沉淀罐。然后打开菌液分离罐底部滤液槽的发酵液出流管，进一步滤除发酵液至混凝沉淀罐。当混凝沉淀罐内没有发酵液流入时，打开菌液分离罐底部的菌丝球排出管，排出菌液分离罐内的菌丝球。
混凝沉淀罐有效容积为30l，材质为304不锈钢。打开混凝沉淀罐的加药装置投入混凝剂，混凝剂投加总量为24ml，同时打开搅拌装置。混凝剂用聚丙烯酰胺和去离子水制成，聚丙烯酰胺浓度为4％。搅拌30min后关闭搅拌装置，静置50min。将混凝沉淀罐上层清澈的发酵液排入脱碱罐。混凝沉淀罐底部残渣排入板框压滤机进行脱水处理。
赤泥与水按照1:4的比例制成赤泥浆液，在脱碱罐中加入12l赤泥浆液。打开搅拌装置，搅拌2h后关闭搅拌装置。静置120min，将脱碱罐上部的脱碱液从脱碱液排出管排出系统。将脱碱罐下部脱碱后的赤泥从赤泥排出管排出系统。经ph仪检测，脱碱液的ph值为7.11，可直接排放。脱碱后的赤泥ph值为7.13，可安全堆存，或直接作为建筑材料添加剂。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，利用上述技术内容做出些许更动或修饰的实施例，均仍属于本发明技术方案的范围内。