本发明涉及工业固体废弃物的无害化处理领域，具体涉及赤泥的生物脱碱系统。
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，提供一种赤泥的非接触式连续生物脱碱工艺。以黑曲霉为脱碱菌种、以连续进液和连续出液为运行模式、以微生物细胞与赤泥完全分离的非接触式为运行特点，从而实现整个赤泥生物脱碱工艺的高效、绿色、低成本运营。
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非接触式连续生物脱碱工艺，在非接触式连续生物脱碱装置中进行，具体包括以下步骤：
(1)先将培养基进行灭菌处理，然后在灭菌后的培养基中接种黑曲霉孢子悬液；
(2)将接种后的培养基通过进液管一次性加满产酸过滤罐进行发酵产酸，产酸过滤罐的运行分为启动和连续产酸两个阶段：
启动阶段的作用是使黑曲霉适应环境并进入对数生长期，为系统进入连续淋滤阶段做准备；在启动阶段，关闭排菌管和第一排液管,所述第一排液管设置于产酸过滤罐底部，打开曝气装置、搅拌装置和温控装置，设定启动阶段的运行参数，系统运行44～52h，启动阶段结束，系统转入连续产酸阶段；
在连续产酸阶段，产酸过滤罐的运行模式为连续进液和连续出液，接种后的培养基从进液管进入，过滤后的发酵液从第一排液管排出；设定连续产酸阶段的运行参数，通过进液管和第一排液管上各自的流量泵调节进液管内培养基的进液流量和第一排液管内发酵液的出液流量，使进液流量和出液流量相等，产酸过滤罐内发酵液的总量保持恒定；
每隔1～2周开启排菌管排除产酸过滤罐内过量的菌丝球，在排菌阶段，关闭搅拌装置和曝气装置，发酵液静置30min，观测菌丝球层高度，当菌丝球层的高度超过产酸过滤罐总高度的1/2时，打开排菌管阀门排放菌丝球，当菌丝球层高度降为产酸过滤罐总高度的1/3左右时，关闭排菌管，开启搅拌装置和曝气装置，系统进入连续产酸阶段；在排菌阶段，如果发酵液静置30min后菌丝球层的高度没有超过产酸过滤罐总高度的1/2，则不排菌；
(3)从产酸过滤罐底部的第一排液管流出的发酵液进入脱碱罐，贮泥罐中的赤泥浆液进入脱碱罐与发酵液中的有机酸在脱碱罐中发生酸碱中和反应，脱除赤泥的碱度，降低赤泥的ph值，赤泥浆液由去离子水与赤泥混合制成，去离子水与赤泥的重量比为5:1；
脱碱罐的运行模式为连续进液和连续出液，控制脱碱罐的进液流量和出液流量使脱碱罐内的液体总量保持恒定，同时使发酵液在脱碱罐中的停留时间维持在2～4h，赤泥浆液通过流量泵从贮泥罐连续加入脱碱罐中，投加量为使脱碱罐内发酵液与赤泥浆液组成的混合液体的ph值为6.5～7.5，脱碱罐在运行时开启搅拌装置，使赤泥浆液与发酵液混合均匀；
(4)脱碱罐中反应后的物料从脱碱罐底部流出然后从顶部进入固液分离罐，在固液分离罐中进行赤泥与脱碱液的固液分离反应；固液分离罐的运行模式为连续进液和连续出液；控制固液分离罐的进液流量和出液流量使罐内的液体总量保持恒定，同时使发酵液在固液分离罐中的停留时间维持在120～180min，当固液分离罐的赤泥层高度超过底部漏斗的高度时，打开排泥管进行排泥；
分离后的液体即为脱碱液，从第二排液管排出，直接排放或收集后回收其中富集的金属离子；分离后的固体为脱碱后的赤泥，从排泥管排出回用或安全堆存。
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。
前述的赤泥的非接触式连续生物脱碱工艺，其中，步骤(1)所述的培养基的灭菌条件为120℃及102.5kpa以上灭菌30min以上；培养基成分按照质浓度为：蔗糖5～15％、酵母膏0.01～0.02％、牛肉膏0.01～0.02％、kno30.02～0.05％，溶剂为去离子水；
所述黑曲霉在接种前需活化，活化步骤为：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，孢子悬液中黑曲霉孢子浓度约为1×107～1×108个/ml；黑曲霉孢子悬液的接种量按照体积为产酸过滤罐中培养基总量的0.1％～0.5％。
前述的赤泥的非接触式连续生物脱碱工艺，其中，步骤(2)所述启动阶段的运行参数设定为：搅拌速度为160～240rpm，温度为30～36℃，溶解氧为2.0～3.0mg/l；
所述连续产酸阶段的运行参数设定为：搅拌速度为160～240rpm，温度为30～36℃，溶解氧为2.5～3.5mg/l。
前述的赤泥的非接触式连续生物脱碱工艺，其中，步骤(2)所述进液流量和出液流量的流量控制措施为：通过ph监测器检测发酵液的ph，当发酵液的ph值低于2.2时，控制产酸过滤罐的进液流量和出液流量使发酵液在产酸过滤罐中的停留时间为32～40h；当发酵液的ph值高于2.2时，延长发酵液在产酸过滤罐中的停留时间至48～72h。
前述的赤泥的非接触式连续生物脱碱工艺，其中，所述的非接触式连续生物脱碱装置包括产酸过滤罐1，脱碱罐2和固液分离罐3；其中，所述产酸过滤罐1内设置有曝气装置，微孔过滤板10、ph监测器11、溶解氧监测器12、温控装置13；
所述微孔过滤板10是位于产酸过滤罐的下部，与罐体周边密封，产酸过滤罐内微孔过滤板的下方为滤液收集槽17；产酸过滤罐顶部还设置有进液管14和排气管15，产酸过滤罐的侧壁和底部分别设置有排菌管16和第一排液管18，所述排菌管16是位于微孔过滤板10的上方；
所述产酸过滤罐1和脱碱罐2均设置有搅拌装置，产酸过滤罐1与脱碱罐2通过第一排液管18连接，脱碱罐底部与固液分离罐3顶部通过管道连接，脱碱罐外部的贮泥罐21与脱碱罐顶部通过管道连接；
所述固液分离罐3包括设于其内部的分隔板22、设于其侧壁上部的第二排液管23和设于其底部的排泥管24。
前述的非接触式连续生物脱碱装置，其中，所述搅拌装置为叶片式的旋转机械搅拌器，包括搅拌轴和搅拌桨6，搅拌轴通过无菌封轴5固定于产酸过滤罐顶端且与产酸过滤罐外部的电机4连接，搅拌浆6固定于搅拌轴上；
所述曝气装置包括设置于产酸过滤罐外部的空压机7、滤菌器8及设于产酸过滤罐内部的微孔曝气器9，滤菌器8位于微孔曝气器9和空压机7之间，微孔曝气器9设于搅拌桨6和微孔过滤板10之间，所述微孔曝气器的开孔位置朝下。
前述的非接触式连续生物脱碱装置，其中，所述微孔过滤板10的材质为高分子有机聚合物，其平均孔径为10～20μm，表面覆盖有5～10μm的微滤膜；所述排菌管的孔径为2～5cm。
前述的非接触式连续生物脱碱装置，其中，所述温控装置13由温度传感器和加热棒组成，将产酸过滤罐中发酵液的温度固定在确定的数值。
前述的非接触式连续生物脱碱装置，其中，所述排气管15上还装有滤菌器。
借由上述技术方案，本发明的优点和有益效果在于：
1.本赤泥生物脱碱工艺采用非接触式，赤泥不与菌丝体直接接触，所以避免了赤泥毒性对菌丝体生长繁殖和新陈代谢的负面影响，因此菌体生长速度快、代谢产酸能力强，整个生物脱碱周期短。
2.本赤泥生物脱碱工艺采用连续进液和连续出液为运行模式，在该模式下脱碱菌种始终处于对数生长期，有效避免了批次运行模式下菌体延滞期和衰亡期对生物脱碱效率的不利影响。
3.在脱碱泥浆的固液分离工艺前端不需设置混凝工艺，因为脱碱泥浆中不含微细菌丝体，其已通过微孔过滤板滞留于产酸过滤罐中，因此脱碱泥浆中的固相物质赤泥的自然沉降性能较佳。
4.经生物脱碱后的赤泥中的碱性矿物大部分已被有机酸中和，反应较为完全，基本不存在碱性矿物二次沉淀包裹于赤泥颗粒表面的状况，其ph值为中性，可以安全的进行资源化利用，例如用于建筑材料的添加剂，同时也可以安全的进行堆存处置。
5.赤泥脱碱液的ph值为中性，可以直接排放。
附图说明
图1是本发明的装置图
【元件符号说明】
1、产酸过滤罐；2、脱碱罐；3、固液分离罐；4、电机；
5、无菌封轴；6、搅拌浆；7、空压机；8、滤菌器；
9、微孔曝气器；10、微孔过滤板；11、ph监测器；12、溶解氧监测器；
13、温控装置；14、进液管；15、排气管；16、排菌管；
17、滤液收集槽；18、第一排液管；19、阀门；20、流量泵；
21、贮泥罐；22、分隔板；23、第二排液管；24、排泥管。
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非接触式连续生物脱碱工艺，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
本发明在生物脱碱装置中进行，结合附图将本发明的技术方案说明如下：
(1)培养基先进行灭菌处理，灭菌条件为120℃及102.5kpa以上灭菌30min以上。培养基成分：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)，溶剂为去离子水。
在灭菌后的培养基中接种黑曲霉孢子，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。黑曲霉孢子悬液的接种量按照体积为产酸过滤罐中培养基总量的0.1％～0.5％。
(2)黑曲霉代谢产酸、以及有机酸等代谢产生的发酵液与菌体的分离过程在产酸过滤罐1中进行。
产酸过滤罐1包括搅拌装置、曝气装置、微孔过滤板10、ph监测器11、溶解氧监测器12、温控装置13、进液管14、排气管15、排菌管16、滤液收集槽17和第一排液管18。搅拌装置为叶片式的旋转机械搅拌器，搅拌桨6位于产酸过滤罐内部，搅拌桨固定于搅拌轴上，搅拌轴在产酸过滤罐中心位置，由无菌封轴5固定于产酸过滤罐顶端，并与外部的电机4连接。
曝气装置由微孔曝气器9、空压机7和滤菌器8组成，微孔曝气器9布置于搅拌桨6下部、微孔过滤板10上部，处于二者中间。滤菌器位于微孔曝气器和空压机之间，过滤由空压机运送进产酸过滤罐内部的空气中的杂菌。微孔曝气器的开孔位置朝下，即朝向微孔过滤板的位置，当微孔曝气器运行时，不仅可以为产酸过滤罐输送溶解氧，还能够以气体扰动的方式冲刷微孔过滤板，防止菌丝球在微孔过滤板上长时间堆积从而降低发酵液的通过效率。
微孔过滤板的作用是过滤发酵液中有机酸等大分子物质，即能够使黑曲霉分泌的有机酸等代谢产物通过微孔过滤板、而将菌丝球或菌丝残体滞留于产酸过滤罐中。微孔过滤板位于产酸过滤罐下部位置，与罐体周边密封，使黑曲霉发酵液只能从微孔过滤板内通过。微孔过滤板的材质为高分子有机聚合物，平均孔径为10～20μm，表面覆盖有5～10μm的微滤膜。
ph监测器可测定发酵液的ph。溶解氧监测器可测定发酵液的溶解氧。温控装置由温度传感器和加热棒组成，可将产酸过滤罐中的发酵液的温度固定在确定的数值。
进液管14在产酸过滤罐顶部，其功能是将培养基导入产酸过滤罐。排气管15在产酸过滤罐上部，带有滤菌器，其作用是当曝气的时候排出罐内多余空气，维持产酸过滤罐内部的正常压力。
排气管上有控制开度的阀门，当发酵液通过微孔过滤板的流量达不到系统需求时，可在产酸过滤罐曝气时关闭排气管阀门或减小阀门的开度，从而增大产酸过滤罐内部的压力，最终起到加速发酵液通过微孔过滤板的作用，增大单位时间内微孔过滤板的过滤效能。
排菌管16在产酸过滤罐侧壁下部位置，位于微孔过滤板上方，其作用是当黑曲霉菌丝球生长过剩时排出菌丝球，排菌管的孔径为2～5cm，孔径过小会造成菌丝球排出不畅，孔径过大在排出菌丝球时会造成发酵液大量流失。
滤液收集槽在微孔曝气板的下部，即产酸过滤罐罐体的底部，其作用是收集由微孔过滤板过滤菌丝体后的含有有机酸等代谢产物的发酵液。
第一排液管在滤液收集槽底部，其作用是将发酵液排出产酸过滤罐。
产酸过滤罐的运行分为启动和连续产酸两个阶段。
启动阶段的作用是使黑曲霉适应环境并进入对数生长期，为系统进入连续淋滤阶段做准备。将接种后的培养基通过进液管一次性加满产酸过滤罐。关闭排菌管和排液管，打开曝气装置、搅拌装置和温控装置。产酸过滤罐在启动阶段的运行参数控制在：搅拌速度为160～240rpm，温度为30～36℃，溶解氧为2.0～3.0mg/l。系统运行44～52h，启动阶段结束，系统转入连续产酸阶段。
在连续产酸阶段，产酸过滤罐的运行模式为连续进液和连续出液。通过流量泵调节进液管内培养基的进液流量和排液管内发酵液的出液流量，使进液流量和出液流量相等，产酸过滤罐内发酵液的总量保持恒定。进液流量和出液流量的流量控制：当发酵液的ph值低于2.2时，控制产酸过滤罐的进液流量和出流流量使发酵液在产酸过滤罐中的停留时间为32～40h；当发酵液的ph值高于2.2时，延长发酵液在产酸过滤罐中的停留时间至48～72h。连续产酸阶段产酸过滤罐的运行参数为：搅拌速度为160～240rpm，温度为30～36℃，溶解氧为2.5～3.5mg/l。
每隔1～2周开启排菌管排除产酸过滤罐内过量的菌丝球。在排菌阶段，关闭搅拌装置和曝气装置，发酵液静置30min，观测菌丝球层高度，当菌丝球层的高度超过产酸过滤罐总高度的1/2时，打开排菌管阀门排放菌丝球，当菌丝球层高度降为产酸过滤罐总高度的1/3左右时，关闭排菌管，开启搅拌装置和曝气装置，系统进入连续产酸阶段。在排菌阶段，如果发酵液静置30min后菌丝球层的高度没有超过产酸过滤罐总高度的1/2，则不排菌。
(3)从产酸过滤罐的第一排液管流出的发酵液进入脱碱罐，在脱碱罐中进行赤泥与发酵液中有机酸等代谢产物的酸碱中和反应，从而脱除赤泥的碱度，降低赤泥的ph值。脱碱罐内配备有搅拌装置，为叶片式的旋转机械搅拌器，作用是将赤泥泥浆与发酵液充分搅拌均匀，使赤泥颗粒与发酵液中的有机酸充分接触。脱碱罐外部配有贮泥罐，贮泥罐通过管道与脱碱罐顶部连接，管道上设置流量泵和阀门。赤泥与去离子水混合制成赤泥浆液，去离子水与赤泥的重量比为5:1～2:1。制备好的赤泥浆液储存于贮泥罐中。
脱碱罐的运行模式为连续进液和连续出液。控制脱碱罐的进液流量和出液流量使脱碱罐内的液体总量保持恒定，同时使发酵液在脱碱罐中的停留时间维持在2～4h。赤泥浆液通过流量泵从贮泥罐连续加入脱碱罐中，投加量为使脱碱罐内发酵液与赤泥浆液组成的混合液体的ph值为6.5～7.5。脱碱罐在运行时开启搅拌装置，使赤泥浆液与发酵液混合均匀。
(4)从脱碱罐中流出的发酵液与赤泥浆液混合组成的脱碱泥浆进入固液分离罐，在固液分离罐中进行赤泥与脱碱液的固液分离反应。固液分离罐的进液管位于罐体顶部中心位置，固液分离罐内部设置分隔板，将沉降区控制在固液分离罐的中心位置，从进液管流入的含赤泥颗粒的脱碱泥浆进入分隔板内部沉降区。固液分离罐下部为漏斗状，用以承接脱碱浆液中沉淀下来的赤泥颗粒，漏斗状底部设置排泥管，用以排出固液分离罐中脱碱后的赤泥。固液分离罐侧壁上部位置设置第二排液管，排出已不含赤泥颗粒的脱碱液。
固液分离罐的运行模式为连续进液和连续出液。控制固液分离罐的进液流量和出液流量使罐内的液体总量保持恒定，同时使脱碱泥浆在固液分离罐中的停留时间维持在120～180min。当固液分离罐的赤泥层高度超过底部漏斗的高度时，打开排泥管进行排泥。
从固液分离罐排出的上清液即为脱碱液ph值为6.5～7.5，可直接排放，也可回收其中富集的钾、钠等金属离子。
从固液分离罐底部漏斗排出的赤泥ph值为6.5～7.5，回收后可直接用于建筑材料添加剂，或不需预酸化可直接作为回收贵重金属元素的原材料，同时还可以安全堆存。
本发明的各个管道上及各入口、出口均设置有阀门，其中，产酸过滤罐1与脱碱罐2连接的管道上、脱碱罐2与固液分离罐3连接的管道上、贮泥罐21与脱碱罐2连接的管道上还均设置有流量泵。
实施例：
先将22l培养基在高温灭菌锅内121℃、103kpa灭菌30min。培养基成分为：蔗糖2.2kg、酵母膏3.3g、牛肉膏3.3g、kno36.6g，溶剂为去离子水。当培养基冷却后在培养基中接种50ml黑曲霉孢子悬液。将接种后的培养基一次性泵入产酸过滤罐中，产酸过滤罐有效容积为23l，材质为不锈钢，产酸过滤罐内微孔过滤板的孔径为20μm，表面覆盖有5μm的微滤膜。
打开产酸过滤罐的搅拌装置、曝气装置和温控装置，将运行参数调整为：搅拌速度200rpm，温度33℃，溶解氧2.5mg/l。当产酸过滤罐运行2d后，系统启动阶段结束，黑曲霉的生长驯化完毕，系统转入连续产酸阶段。
通过流量泵调节培养基的进液流量和发酵液的出液流量为0.6l/h。连续产酸阶段产酸过滤罐的运行参数为：搅拌速度200rpm，温度33℃，溶解氧3.0mg/l。脱碱罐的有效容积4l，与脱碱罐连接的贮泥罐的有效容积为20l。取3kg干赤泥加入贮泥罐中，再加入15kg去离子水于贮泥罐中，混合均匀制成赤泥浆液，将0.8l赤泥浆液泵入脱碱罐中。调整脱碱罐的搅拌速度为200rpm。同时从产酸过滤罐流出的发酵液泵入脱碱罐，直到脱碱罐内充满液体，此时脱碱罐进入连续进液和连续出液模式。调整流量泵使发酵液进液流量为0.6l/h，赤泥浆液的进液流量为0.6l/h，脱碱罐的出液流量为1.2l/h。固液分离罐有效容积2.7l。从脱碱罐中流出的脱碱泥浆进入固液分离罐，当脱碱泥浆充满固液分离罐后其进入连续进液和连续出液模式。调整流量泵使固液分离罐的进液流量和出液流量为1.2l/h。
从固液分离罐中流出的上清液为脱碱液，其ph值为7.04，可直接排放。从固液分离罐底部排出的赤泥为脱碱后的赤泥，其ph值为7.17，可作为建筑材料添加剂，或置于堆场堆存处置。产酸过滤罐内排出的菌丝球可作为废水生物吸附剂。通过该系统和工艺，实现了整个赤泥生物脱碱过程的绿色、环保、高效率运行。
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。