一种甲烷氧化驱动金属还原系统及构建方法技术方案

本发明专利技术提供一种甲烷氧化驱动金属还原系统及构建方法，该系统包括储气罐、进气管、进气泵、气体流量计、曝气系统以及反应器，在储气罐和反应器之间连接有进气管，在进气管上分别安装有进气泵和气体流量计，在反应器内由上至下依次设置有填料层、反应层和承托层，在反应层的下方安装有与进气管连接的曝气系统，在承托层的底部安装有反冲洗系统，在反应器的侧壁上部分别安装有污水进水管和反冲洗水排水管，在反应器的侧壁下部安装有处理水排水管。本发明专利技术利用自然环境中广泛存在的甲烷为唯一电子供体，在有效去除工业废水中金属元素的同时减少甲烷的排放，实现甲烷的资源化利用，为生态文明建设提供技术支撑。明建设提供技术支撑。明建设提供技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种甲烷氧化驱动金属还原系统及构建方法


[0001]本专利技术涉及一种甲烷氧化驱动金属还原系统及构建方法，属于环境生物


技术介绍

[0002]随着我国工业的高速发展，工业废水量不断增加，工业废水中含有不同类型的重金属污染物，如铬、镉、砷、铁、锰等，对生态环境和人类身体健康产生了巨大的威胁。因此，研发重金属废水处理新技术，实现含重金属废水的有效处理，对保护生态环境具有重要意义。
[0003]甲烷氧化驱动金属还原是嗜甲烷菌在利用甲烷的同时，能将高价态的重金属污染物还原为低价态，并通过沉淀实现水体中重金属污染物的去除。该过程对全球碳元素、硫元素、磷元素以及金属元素迁移有着重要影响，是生物地球化学、地质微生物学等许多基础学科的热点课题。其中，将Fe(III)或Mn(IV)为电子受体的甲烷厌氧氧化是最早发现的甲烷氧化驱动金属还原。相关研究发现，甲烷厌氧氧化也可以还原铬、砷、硒等其他高价态重金属离子。此外，甲烷作为最简单的碳氢化合物，其来源广泛，是典型的温室气体，对甲烷的有效控制也是碳减排的目标之一。
[0004]废水重金属离子的去除方法主要包括化学沉淀、吸附、离子浮选、离子交换、混凝/絮凝、膜分离等技术。化学沉淀法是通过添加沉淀剂来去除废水中的离子成分，将可溶性化合物转化为氢氧化物、硫化物和碳酸盐等沉淀物，具有操作过程简单、成本低、温度适用范围广等特点。吸附主要包括物理吸附和化学吸附两种类型，是一种表面现象，通过物理力或化学键使金属离子在固体物体表面的附着。离子浮选是一种从低离子浓度溶液中分离各种离子的技术，能实现工业废水重金属离子的去除。离子交换是将可溶性离子从液相交换为固相，属于可逆的化学反应，其中选择性还是完全性去除离子，主要取决于溶液的组成和污染程度。混凝/絮凝是在添加混凝剂的条件下，通过化学反应、吸附架桥、网捕卷扫、电中和等作用去除废水中的重金属离子和胶体颗粒。膜分离包括纳滤、反渗透、电渗析等，能有效去除废水中的污染物，出水水质好。
[0005]针对废水中高价态重金属离子(如铬、钒等)，去除方法主要包括电化学、光催化等技术。电化学法是指在电极或外加电场的作用下，在特定的电化学反应器内，通过一定的化学反应、电化学方法或物理过程，对废水中污染物进行降解的过程。此处理技术快速且易于控制、需要的化学物质更少，处理效率高且污泥产量低。光催化是一种用超过半导体带隙的光能照射半导体
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电解质界面，导致在半导体的导带和价带两者中形成电子
‑
空穴对的方法。该技术反应条件温和、工艺简单、成本低、效益高、无二次污染且不会对环境造成负担，是一种较绿色的重金属去除技术。
[0006]现有工业废水中重金属的去除技术仍存在一定的缺陷。例如，化学沉淀法和混凝/絮凝会产生大量的有毒且含水率较高的污泥，这些污泥需要进行化学稳定化处理，增加了污泥处理成本。吸附法并未真正实现污染物的无害化处理，只是位置发生转移。离子交换法
的阴阳离子树脂需要再生和定期维护，且再生频繁，存在再生废水的处理处置难和对环境的二次污染问题。离子浮选存在捕集剂浓度相对较高，捕集剂显著影响污染物去除效率，溶液中其他的竞争离子会降低特定重金属离子的去除率。电化学法的初始投资高、能耗高、运行成本高。膜处理技术的膜需要定期维护或者更换，对进水水质有较高要求。光催化技术一般用于水中单一重金属离子的去除，且去除效率受光催化剂和外界环境的影响较大，并需要昂贵的初始投资和电力供应。

技术实现思路

[0007]针对废水中高价态重金属的还原难度大、效率低、运行成本高、适用范围窄的问题，本专利技术提出一种甲烷氧化驱动金属还原系统及其构建方法，通过以嗜甲烷菌为主的微生物菌群驱动金属元素的生物还原，实现低碳、低耗、节能的高价态重金属生物去除。
[0008]本专利技术的技术方案：一种甲烷氧化驱动金属还原系统，包括储气罐、进气管、进气泵、气体流量计、曝气系统以及反应器，在储气罐和反应器之间连接有进气管，在进气管上分别安装有进气泵和气体流量计，在反应器内由上至下依次设置有填料层、反应层和承托层，在反应层的下方安装有与进气管连接的曝气系统，在承托层的底部安装有反冲洗系统，在反应器的侧壁上部分别安装有污水进水管和反冲洗水排水管，在反应器的侧壁下部安装有处理水排水管。
[0009]进一步，所述反应器的顶部安装有密封盖，在密封盖的顶部连接有气体收集管。
[0010]进一步，所述承托层采用卵石铺设而成，卵石的粒径为4～16mm，承托层的厚度为50～250mm。
[0011]进一步，所述填料层采用石英砂、火山石、陶粒、活性炭的一种或多种混合铺设而成。
[0012]进一步，所述填料层采用石英砂和陶粒按1：3的比例混合后铺设而成，其中石英砂粒径为1～2mm，陶粒粒径为3～4mm。
[0013]进一步，所述反冲洗系统包括安装在反应器底部的反冲洗用进气管以及连接在处理水排水管进口端的反冲洗水进水管。
[0014]同时，本专利技术还提供一种基于上述甲烷氧化驱动金属还原系统的构建方法，包括以下步骤：
[0015]步骤一、打开反应器顶部的密封盖，向反应器内添加嗜甲烷菌进行接种，然后通过污水进水管向反应器内添加含高价态重金属的废水，进行微生物接种，微生物接种期间连续供应混合气体，持续2～3天；
[0016]步骤二、通入混合气体时，首先启动进气泵，混合气体依次通过储气罐、进气管、进气泵、气体流量计和曝气系统进入到承托层，由下至上进行曝气，并通过气体流量计将进气流量控制在20～50mL/min；
[0017]步骤三、微生物接种完成后，正常进出废水，使进入反应层的废水与填料进行充分接触，通过填料表面负载的微生物作用，实现重金属元素的还原，最终使其沉淀及过滤去除；
[0018]步骤四、反应层中沉淀物较多时，进行反冲洗，先通过反冲洗用进气管输入高压空气进行气反冲洗，5～10min后，再通过反冲洗水进水管通入高压水进行水反冲洗，进行气水
同时反冲洗5～10min，然后关闭气反冲洗，单独使用进行水反冲洗5～10min。
[0019]步骤五、定期检测出水的重金属离子、氨氮、总氮浓度和出气中甲烷浓度，根据实际情况调整曝气强度、进水流量和水力停留时间。
[0020]上述方法中，所述曝气系统可采用微孔曝气管或微孔曝气盘，曝气强度为1.0～4.0L/(min
·
m2)。
[0021]上述方法中，所述反应层的水力停留时间为2～5d。
[0022]上述方法中，所述填料层投加嗜甲烷菌作为接种微生物，接种浓度为0.05～0.8mg干质量/m3。
[0023]由于采用上述技术方案，本专利技术的优点在于：
[0024](1)本专利技术利用以嗜甲烷菌为主的微生物菌群，实现废水中高价态重金属的生物还原，具有反应条件温和、无二次污染、处理成本低等优势；
[0025](2)能有效实现单个或多种重金属离子的同步还原，适用范围广；
[0026](3)能有效实现甲烷的资本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种甲烷氧化驱动金属还原系统，包括储气罐(1)、进气管(2)、进气泵(3)、气体流量计(4)、曝气系统(5)以及反应器(14)，其特征在于：在储气罐(1)和反应器(14)之间连接有进气管(2)，在进气管(2)上分别安装有进气泵(3)和气体流量计(4)，在反应器(14)内由上至下依次设置有填料层(11)、反应层(10)和承托层(9)，在反应层(10)的下方安装有与进气管(2)连接的曝气系统(5)，在承托层(9)的底部安装有反冲洗系统，在反应器(14)的侧壁上部分别安装有污水进水管(15)和反冲洗水排水管(13)，在反应器(14)的侧壁下部安装有处理水排水管(8)。2.根据权利要求1所述的甲烷氧化驱动金属还原系统，其特征在于：所述反应器(14)的顶部安装有密封盖(12)，在密封盖(12)的顶部连接有气体收集管(16)。3.根据权利要求1所述的甲烷氧化驱动金属还原系统，其特征在于：所述承托层(9)采用卵石铺设而成，卵石的粒径为4～16mm，承托层(9)的厚度为50～250mm。4.根据权利要求1所述的甲烷氧化驱动金属还原系统，其特征在于：所述填料层(11)采用石英砂、火山石、陶粒、活性炭的一种或多种混合铺设而成。5.根据权利要求4所述的甲烷氧化驱动金属还原系统，其特征在于：所述填料层(11)采用石英砂和陶粒按1：3的比例混合后铺设而成，其中石英砂粒径为1～2mm，陶粒粒径为3～4mm。6.根据权利要求1所述的甲烷氧化驱动金属还原系统，其特征在于：所述反冲洗系统包括安装在反应器(14)底部的反冲洗用进气管(6)以及连接在处理水排水管(8)进口端的反冲洗水进水管(7)。7.一种基于权利要求1～6任意一项所述的甲烷氧化驱动金属还原系统的构建方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、...

【专利技术属性】
技术研发人员：李彦澄，刘倩，廖珣，何雨含，王乐乐，李江，虞章胤，
申请(专利权)人：贵州大学，
类型：发明
国别省市：