專利名稱：一種穩(wěn)定輸出Fe3+的生物反應(yīng)裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種穩(wěn)定輸出Fe3+的生物反應(yīng)裝置和方法，具體說是一種用于催化 Fe2+生成Fe3+，并穩(wěn)定輸出Fe3+的生物反應(yīng)裝置和方法，這種裝置能與消耗Fe3+的化學(xué)反應(yīng) 兼容，屬于環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近幾年來，氧化亞鐵硫桿菌等微生物在硫化氫和二氧化硫的治理、金屬礦石的浸 出等工業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。例如在硫化氫處理過程中，這些微生物就發(fā)揮了重要的作用2FeS04+l/202+H2S04 — Fe2 (SO4) 3+H20 生物反應(yīng)系統(tǒng)(需要微生物參與)①H2S+Fe2 (SO4) 3 — Fe2 (SO4) 3+H2S04+S I 化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)②生物反應(yīng)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣、系統(tǒng)內(nèi)嗜酸性微生物的生長狀況直接影響到嗜酸性微 生物轉(zhuǎn)變Fe2+為Fe3+的能力，進(jìn)而對實(shí)際應(yīng)用效果產(chǎn)生極大影響。為了構(gòu)建相對穩(wěn)定的生 物反應(yīng)裝置，Ebrahimi等[1]采用內(nèi)循環(huán)式流化床，以反應(yīng)過程中形成的黃鐵礬沉淀為載體 形成生物膜顆粒，從而構(gòu)筑了一種高效的生物反應(yīng)裝置。意大利學(xué)者M(jìn)azuelos等[2]在大量 實(shí)驗的基礎(chǔ)上提出了一種高效的Fe2+氧化固定床反應(yīng)裝置，該反應(yīng)裝置有利于氣液傳質(zhì)， 一定程度上避免生物顆粒的過度擠壓，提高了反應(yīng)效率。但至目前為止，包括上述研究的大 多數(shù)學(xué)者都是相對孤立的針對微生物或生物反應(yīng)裝置進(jìn)行研究，如何從整體出發(fā)，建立更 為實(shí)用的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)_生物反應(yīng)系統(tǒng)兼容的反應(yīng)裝置卻未有報道，例如怎么采用更系統(tǒng) 完善的生物反應(yīng)系統(tǒng)裝置，以便為細(xì)胞反應(yīng)提供更好的條件；怎么更為方便反應(yīng)器內(nèi)部的 固定化細(xì)胞的裝卸；特別是在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，輸送到生物反應(yīng)器內(nèi)部以亞鐵離子為代表的 溶液離子濃度有極大的不穩(wěn)定性，在這種情形下，如何更穩(wěn)定地輸出Fe3+ ；另外，在處理硫 化氫時，當(dāng)硫化氫濃度不穩(wěn)定的情況下，生物反應(yīng)裝置又如何與之適應(yīng)，也就是說如何更好 的實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)與生物反應(yīng)的兼容和統(tǒng)一，是目前急需解決的難題，這就需要采用更為具 體可行的反應(yīng)裝置和方法來實(shí)現(xiàn)。參考文獻(xiàn)1、Ebrahimi S.High-Rate Acidophilic Ferrous Iron Oxidation in a BiofilmAirlift Reactor and the Role of the Carrier Material. Biotechnology andbioengineering, 2005,90 462-472.2、Mazuelos A,Carranza F,Palencia I, et al. High efficiency reactor forthe biooxidation of ferrous iron. Hydrometallurgy,2000,58 :269-275.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述問題，提出一種可與化學(xué)反應(yīng)更好兼容統(tǒng)一、方便高 效的、穩(wěn)定輸出Fe3+的生物反應(yīng)實(shí)驗裝置系統(tǒng)。為了達(dá)到這個目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案 為一種穩(wěn)定輸出Fe3+的生物反應(yīng)裝置和方法，裝置包括固定床反應(yīng)器、可拆卸反應(yīng)盒、把手、固定螺栓、出氣口、進(jìn)料口、進(jìn)氣口、循環(huán)泵、回流輸液管道、緩沖儲液罐、出液口 (具體細(xì)節(jié)見說明書附圖1)。固定床反應(yīng)器為立方體結(jié)構(gòu)，共分多層，每層為可拆卸反應(yīng) 盒(說明書附圖2)，可用螺栓固定于反應(yīng)器主體，兩者間用橡膠墊密封。盒間距為盒高的 1/3-1/6，一定的盒間距可保證反映其內(nèi)部填料的均一性，氣體和料液從罐底通入，裝置內(nèi) 是適合微生物生長的反應(yīng)液，反應(yīng)液初始PHI. 0-2. 5，含有l(wèi)-30g/L的Fe2+離子，操作溫度 設(shè)定在5-75°C，并以稀釋率0. l-2/h的速度在生物反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)。盒內(nèi)裝載固定化微生物 或吸附微生物的填料，也可空載，使整個反應(yīng)器培養(yǎng)懸浮細(xì)胞，微生物可以是氧化亞鐵硫桿 菌、氧化亞鐵鉤端螺旋菌等能使催化劑Fe2+轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3+的某一微生物或者多種微生物群體。 在主體外部增設(shè)緩沖儲液罐和外循環(huán)管道，并從緩沖儲液罐輸出Fe3+實(shí)現(xiàn)和化學(xué)反應(yīng)部分 連接，緩沖儲液罐中有效Fe3+濃度可由外循環(huán)調(diào)節(jié)控制。當(dāng)緩沖儲液罐中生成的Fe3+占總 鐵離子的90%以下時，可開通反應(yīng)裝置的外循環(huán)，并通過該循環(huán)泵來控制外循環(huán)的循環(huán)流 量。外循環(huán)流速要根據(jù)未反應(yīng)完的Fe3+的多少而正比例調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對Fe2+連續(xù)催化生成并 穩(wěn)定輸出Fe3+。本發(fā)明的有益效果如下1、反應(yīng)器主體采用立方體固定床反應(yīng)器，催化床層設(shè)計成可有一定間距的方便拆 卸反應(yīng)盒，方便裝卸固定化細(xì)胞或填料，保證內(nèi)部填料的均一性。2、回流反應(yīng)的液體由生物反應(yīng)器的底部流入生物反應(yīng)器，其中的Fe2+經(jīng)過微生物 的作用大多數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3+后，再由生物反應(yīng)器上部溢出。3、設(shè)置了外循環(huán)通道，具有更廣的適應(yīng)性和優(yōu)良的靈活性。當(dāng)生物反應(yīng)器內(nèi)大量 的Fe2+未能來 得及反應(yīng)時，開通外循環(huán)，或者加速外循環(huán)可更有效地產(chǎn)生Fe3+，從而為后續(xù) 反應(yīng)穩(wěn)定輸出Fe3+。4、更好的實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)與生物反應(yīng)的兼容和統(tǒng)一，能耗低，結(jié)構(gòu)簡單，操作維修方 便，無二次污染物產(chǎn)生。


附圖1是本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)示意圖。固定床反應(yīng)器(1)、可拆卸反應(yīng)盒(2)、把手 (3)、固定螺栓(4)、出氣口(5)、進(jìn)料口(6)、進(jìn)氣口(7)、循環(huán)泵(8)、回流輸液管道(9)、緩 沖儲液罐(10)、出液口(11)。附圖2是可拆卸反應(yīng)盒俯視圖。把手⑴、外板(2)、反應(yīng)盒壁板(3)、篩孔⑷、密 封墊(5)，固定螺母(6)。實(shí)施例一該發(fā)明主體是立方形固定床反應(yīng)器(附圖1)，立方形固定床生物反應(yīng)器底部 邊長38cm、高200cm，設(shè)置5層反應(yīng)盒，每層為可拆卸反應(yīng)盒(附圖2)，在整個反應(yīng)過程 中，反應(yīng)盒內(nèi)裝載的是經(jīng)活化培養(yǎng)后的固定化氧化亞鐵鉤端螺旋菌(L印tospirillum ferrooxidans)顆?；蛭教盍?，反應(yīng)盒用螺栓固定于反應(yīng)器主體，兩者間用橡膠墊密封。 盒間距為盒高的1/4，保證反映其內(nèi)部填料的均一性。料液和空氣從罐底通入，為了防止因 通入的空氣而造成的循環(huán)液的蒸發(fā)，通入的空氣分別經(jīng)過增濕處理。在反應(yīng)器主體外部增 設(shè)緩沖儲液罐和外循環(huán)管道，以循環(huán)泵為動力，并通過該循環(huán)泵來控制外循環(huán)的循環(huán)流量。 循環(huán)液相由保證細(xì)菌生長的9K培養(yǎng)液(反應(yīng)液)組成，反應(yīng)液初始pHl.O，含有l(wèi)g/L的Fe2+離子，操作溫度設(shè)定在35°C，并以稀釋率0. Ι/h的速度在生物反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)，循環(huán)液經(jīng)生物 反應(yīng)器后，溶液中的Fe2+轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3+，并流入緩沖儲液罐，再從中為后續(xù)反應(yīng)輸出Fe3+。如果 此時，緩沖儲液罐中Fe3+不足，即低于總鐵離子含量的90%時，開通外循環(huán)通道，或者加速 其循環(huán)速度，從而充分利用生物反應(yīng)催化生成Fe3+，當(dāng)緩沖儲液罐中Fe3+濃度偏高時，降低 循環(huán)速度或者關(guān)閉，保證緩沖儲液罐中Fe3+濃度的滿足后續(xù)反應(yīng)的需要、持續(xù)穩(wěn)定的輸出 Fe3+，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)吸收和生物反應(yīng)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，使兩步反應(yīng)形成有機(jī)的整體。實(shí)施例二 該發(fā)明主體是立方形固定床反應(yīng)器(附圖1)，立方形固定床生物反應(yīng)器底部邊長 38cm、高200cm，設(shè)置5層反應(yīng)盒，每層為可拆卸反應(yīng)盒(附圖2)，在整個反應(yīng)過程中，反應(yīng) 盒內(nèi)裝載的是固定化微生物為氧化亞鐵硫桿菌(Acidithiobacillus ferroxidans)，反應(yīng) 液為9K培養(yǎng)液，菌的活力可通過分析其對亞鐵離子的氧化速率判斷，重鉻酸鉀滴定法檢測 系統(tǒng)內(nèi)Fe2+離子濃度，使其維持在1 8g/L，初始pHl. 8，溫度保持在30°C、通氣量20kg02/ m3d、水力停留時間(生物反應(yīng)器)lh，在以上條件下連續(xù)操作，可連續(xù)催化輸出Fe3+離子 180mol/d(以生物反應(yīng)器容積計算)，輸出Fe3+離子溶液直接輸送到實(shí)驗室銅、金、鎳等貴重 金屬硫化礦石浸出柱中，實(shí)現(xiàn)銅、金、鎳的浸出。實(shí)施例三在處理含硫化氫的沼氣和其他氣體時時，以總體積Im3的5層立方形固定床反應(yīng) 器作為主體(附圖1)，設(shè)置5層反應(yīng)盒，每層為可拆卸反應(yīng)盒(附圖2)，反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)液 相由細(xì)菌生長的9K培養(yǎng)液組成，培養(yǎng)液中的Fe2+濃度在30g/L，反應(yīng)液初始pH2. 5，操作 溫度設(shè)定在20°C，并以稀釋率2/h的速度在生物反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)，接種氧化亞鐵鉤端螺旋菌 (Leptospirillum ferrooxidans)使整個反應(yīng)器培養(yǎng)懸浮細(xì)胞，菌的活力可通過分析其對 亞鐵離子的氧化速率判斷，重鉻酸鉀滴定法檢測系統(tǒng)內(nèi)Fe2+離子濃度的變化，反應(yīng)系統(tǒng)的 外循環(huán)以循環(huán)泵為動力，并通過該循環(huán)泵來控制外循環(huán)的循環(huán)流量。循環(huán)管道中設(shè)置有緩 沖儲液罐，并從緩沖儲液罐輸出Fe3+實(shí)現(xiàn)和用于沼氣處理的化學(xué)反應(yīng)部分連接，緩沖儲液 罐中有效Fe3+濃度低于90%時，由外循環(huán)調(diào)節(jié)控制，外循環(huán)流速要根據(jù)生物反應(yīng)器中未反 應(yīng)完的作用劑量的多少而調(diào)整。輸出Fe3+離子處理含硫化氫5000ppm的沼氣，處理效率可 以99%以上。
權(quán)利要求
1.一種穩(wěn)定輸出狗3+的生物反應(yīng)裝置和方法，有出氣口、進(jìn)料口、進(jìn)氣口，其特征是， 以多層立方形固定床反應(yīng)器作為主體，包括可拆卸反應(yīng)盒、把手、固定螺栓、循環(huán)泵、回流輸 液管道、緩沖儲液罐、出液口、外循環(huán)通道和緩沖儲液罐，裝置內(nèi)裝載反應(yīng)液和微生物，實(shí)現(xiàn) 對!^2+連續(xù)催化生成并穩(wěn)定輸出狗3+。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種穩(wěn)定輸出狗3+的生物反應(yīng)裝置和方法，其特征是可拆卸 反應(yīng)盒用螺栓固定于反應(yīng)器主體，兩者間用橡膠墊密封，盒間距為盒高的1/3-1/6。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種穩(wěn)定輸出狗3+的生物反應(yīng)裝置和方法，其特征是反應(yīng)系 統(tǒng)中有外循環(huán)，外循環(huán)管道中設(shè)置有緩沖儲液罐，并從緩沖儲液罐輸出Fe3+，實(shí)現(xiàn)和化學(xué)反 應(yīng)部分連接，緩沖儲液罐中有效!^3+濃度可由外循環(huán)調(diào)節(jié)控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種穩(wěn)定輸出狗3+的生物反應(yīng)裝置和方法，其特征是裝置內(nèi) 是適合微生物生長的反應(yīng)液，盒內(nèi)裝載固定化微生物或吸附有微生物的填料，也可空載，使 整個反應(yīng)器培養(yǎng)懸浮細(xì)胞。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任意一項所述的一種穩(wěn)定輸出！^3+的生物反應(yīng)裝置和方法， 其特征是所使用的微生物可以是氧化亞鐵硫桿菌、氧化亞鐵鉤端螺旋菌等能使催化劑1^2+ 轉(zhuǎn)變?yōu)楣?+的某一微生物或者多種微生物群體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4任意一項所述的一種穩(wěn)定輸出狗3+的生物反應(yīng)裝置和方法，其 特征是反應(yīng)液初始PHI. 0-2. 5，含有l(wèi)-30g/L的!^2+離子。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4任意一項所述的一種穩(wěn)定輸出狗3+的生物反應(yīng)裝置和方法，其 特征是生物反應(yīng)裝置內(nèi)反應(yīng)液的操作溫度設(shè)定在20-35°C，并以稀釋率0. l-2/h的速度循 環(huán)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至3任意一項所述的一種穩(wěn)定輸出!^3+的生物反應(yīng)裝置和方法，當(dāng) 緩沖儲液罐中生成的狗3+占總鐵離子的90%以下時，可開通反應(yīng)裝置的外循環(huán)，并通過該 循環(huán)泵來控制外循環(huán)的循環(huán)流量。外循環(huán)流速要根據(jù)未反應(yīng)完的的多少而正比例調(diào)整 ο
全文摘要
本發(fā)明為一種穩(wěn)定輸出Fe3+的生物反應(yīng)裝置和方法，主要涉及一種和化學(xué)反應(yīng)相兼容的連續(xù)催化Fe2+生成Fe3+，并穩(wěn)定輸出Fe3+的生物反應(yīng)裝置和方法。催化Fe2+生成Fe3+的反應(yīng)步驟在工業(yè)生產(chǎn)中有極大的應(yīng)用潛力。該裝置與方法以固定床反應(yīng)器作為主體，催化床設(shè)計成可方便移動裝卸的填充盒，在此基礎(chǔ)上，增加外循環(huán)通道，外循環(huán)以泵為循環(huán)動力。使Fe3+得到更加高效穩(wěn)定的輸出，可在環(huán)保、冶金及其它領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
文檔編號C22B3/18GK102127638SQ201010300198
公開日2011年7月20日 申請日期2010年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月12日
發(fā)明者李紅玉, 王玉建 申請人:李紅玉