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一種水稻栽培水體重金屬污染循環處理裝置及防治方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510406747.1

申請日:

2015.07.10

公開號:

CN104986870A

公開日:

2015.10.21

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):C02F 3/34申請日:20150710|||公開
IPC分類號: C02F3/34 主分類號: C02F3/34
申請人: 浙江大學
發明人: 何勇; 周莉萍; 劉飛; 彭繼宇; 馮雷; 方慧
地址: 310027浙江省杭州市西湖區浙大路38號
優先權:
專利代理機構: 杭州天勤知識產權代理有限公司33224 代理人: 胡紅娟
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510406747.1

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2017.04.19|||2015.11.18|||2015.10.21

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種水稻栽培水體重金屬污染循環處理裝置,包括進水端連接污水源的循環泵,所述循環泵的出水端連接回流到污水源的第一支路管和第二支路管,第一支路管上設有第一閥門,第二支路上設有第二閥門和重金屬吸附裝置,所述重金屬吸附裝置包括箱體,所述箱體內接種有趨磁細菌和設有固定所述趨磁細菌的磁化鋼鐵網。本發明還公開了一種水稻栽培水體重金屬污染防治方法,包括:利用所述裝置的循環泵抽吸稻田里的水,并通過兩支路管回流到稻田內,水體在流經第二支路管時,重金屬吸附裝置吸附水體中的重金屬離子。本發明具有成本低、效率高、沒有二次污染、吸附菌體易分離、吸附速度快、吸附量大、選擇性好,應用推廣性強的優點。

權利要求書

權利要求書
1.  一種水稻栽培水體重金屬污染循環處理裝置,其特征在于,包括進水端連接污水源的循環泵,所述循環泵的出水端連接回流到污水源的第一支路管和第二支路管,第一支路管上設有第一閥門,第二支路上設有第二閥門和重金屬吸附裝置,所述重金屬吸附裝置包括箱體,所述箱體內接種有趨磁細菌和設有固定所述趨磁細菌的磁化鋼鐵網。

2.  如權利要求1所述的水稻栽培水體重金屬污染循環處理裝置,其特征在于,所述箱體相對的兩個側面分別設有進水口和出水口。

3.  如權利要求1所述的水稻栽培水體重金屬污染循環處理裝置,其特征在于,所述磁化鋼鐵網垂直水流方向設置。

4.  如權利要求1所述的水稻栽培水體重金屬污染循環處理裝置,其特征在于,所述磁化鋼鐵網的數量為兩個,且相互平行設置。

5.  如權利要求1所述的水稻栽培水體重金屬污染循環處理裝置,其特征在于,所述磁化鋼鐵網的孔徑為5~10μm。

6.  一種水稻栽培水體重金屬污染防治方法,包括:
利用權利要求1-5任一所述水稻栽培水體重金屬污染循環處理裝置的循環泵抽吸稻田里的水,并通過兩支路管回流到稻田內,水體在流經第二支路管時,重金屬吸附裝置吸附水體中的重金屬離子。

7.  如權利要求6所述的水稻栽培水體重金屬污染防治方法,其特征在于,水體在重金屬吸附裝置中的停留時間為3~13s。

8.  如權利要求6所述的水稻栽培水體重金屬污染防治方法,其特征在于,控制第一支路管和第二支路管的流速比為5:1。

9.  如權利要求6所述的水稻栽培水體重金屬污染防治方法,其特征在于,所述重金屬吸附裝置內趨磁細菌的接種量為2~10g/L。

說明書

說明書一種水稻栽培水體重金屬污染循環處理裝置及防治方法
技術領域
本發明涉及重金屬污染治理范疇和植物保護領域,具體涉及一種水稻栽培水體重金屬污染循環處理裝置及防治方法。
背景技術
隨著我國工農業生產的迅速發展,含重金屬的廢水排放量在逐年增加,一方面重金屬廢水流入農田、土壤中對植物生長、發育有不良影響,進而影響動物、人體健康。大量研究表明,重金屬具有親脂性、高富集性和難降解性,進入水體后容易在水生生物體內積累,并隨著生物營養級的升高而增大,增加重金屬的潛在危害。水體中的重金屬還能對生物產生顯著毒性作用。水稻是我國大面積栽培的糧食作物,過量的重金屬在水稻的根、莖、葉以及籽粒中大量積累,不僅影響水稻產量、品質及整個農田生態系統,并可通過食物鏈危及動物和人類的健康。另一方面,我國重金屬資源特別是貴金屬可供儲量不足,難以滿足工業需求。
吸附廢水中的重金屬的研究近來受到很多的關注,但還鮮有將微生物吸附原理用到農作物的重金屬污染治理上。目前,重金屬廢水的傳統處理方法主要有:離子交換法、氧化還原法、不溶性絡合物法、電解法、反滲透法、氣浮法、沉淀法、吸附法、膜分離等。這些方法大多設備繁瑣,操作復雜,成本較高,效率較低,只能對單純的溶液進行處理,難以推廣到農田重金屬污染治理上。而生物處理方法因其成本低、效率高、容易操作、無二次污染等優點而成為治理水體重金屬污染研究中的一個熱點。生物處理法是利用細菌、真菌(酵母)、藻類等的生命活動過程,通過將廢水中的重金屬沉淀、吸附吸收、降低其毒性從而達到治理重金屬廢水的目的。國外利用藻類治理重金屬方面的研究始于70年代,已有大量的研究報道,而利用微生物處理廢水重金屬到了90年代才受到重視。目前,國內在這方面的研究尚不多見。
授權公告號為CN 102417214B的專利文獻公開了一種利用石墨烯片與趨磁細菌三維復合物吸附重金屬的方法。該方法為:取石墨烯片與趨磁細菌于液相體系中充分混合,形成石墨烯片-趨磁細菌三維復合物,而后將該石墨烯片-趨磁細菌三維復合物加入含重金屬離子的污水中,經充分混合達到吸附平衡后,再以外加磁場分離出石墨烯片-趨磁細菌三維復合物,實現對污水的凈化。該發明可同時處理含有高濃度的Au3+、Fe3+、Ni2+、Cu2+、Pb2+、Cr3+等復雜重金屬離子組分的污水,去除率90%以上,且所用凈化材料石墨烯片-趨磁細菌三維復合物還可通過磁場回收及重復利用,成本低廉,綠色環保,不會造成二次污染。但是石墨烯對植物存在毒性作用,不適合農作物的重金屬污染治理。
申請公布號為CN 104355415A的專利申請文獻公開了一種原位消減水體重金屬污染的生物浮床,其包括殼體、容納于殼體中的填料床、生長在填料床上的超富集植物和富集在填料床中的趨磁細菌。還公開了一種利用上述生物浮床原位消減水體重金屬污染的方法,其包括以下步驟:a、所述生物浮床置于被重金屬污染的水體中;b、通過所述小球藻、趨磁細菌和超富集植物富集重金屬;c、定期收割超富集植物,除去富集的重金屬。通過該發明的生物 浮床和方法可以廉價、高效、無害地去除水體中的重金屬。由于不同植物在同一環境中生長產生競爭抑制,該發明使用植物富集重金屬的方法不適用農作物的水培系統重金屬處理。
發明內容
本發明提供了一種水稻栽培水體重金屬污染循環處理裝置,用于水稻栽培水體重金屬污染的吸附凈化,實現對水體重金屬污染的生物防治。
一種水稻栽培水體重金屬污染循環處理裝置,包括進水端連接污水源的循環泵,所述循環泵的出水端連接回流到污水源的第一支路管和第二支路管,第一支路管上設有第一閥門,第二支路上設有第二閥門和重金屬吸附裝置,所述重金屬吸附裝置包括箱體,所述箱體內接種有趨磁細菌和設有固定所述趨磁細菌的磁化鋼鐵網。
趨磁細菌細胞內含有鐵磁性顆粒,尺寸范圍為20-100nm,每個細胞中有2-10顆這樣的顆粒。在微弱的地球磁場作用下呈鏈狀排布在微生物的長度方向,使得這類的生物具有永磁偶極矩和磁定向性。而且,趨磁細菌與重金屬離子存在親和性,沒有細胞毒性。如果金屬離子是順磁性的,隨著他們不斷在微生物細胞或細胞團的外部積累,溶液中的金屬離子濃度很快降低。被離子包裹的微生物細胞變成了磁性顆粒,在外加磁場的作用下,這種有機顆粒可以沿著規定的方向遷移,最終沉積在固體表面上。優選的,本發明的趨磁細菌為水生螺菌屬的趨磁細菌。
所述箱體相對的兩個側面分別設有進水口和出水口。
所述磁化鋼鐵網垂直水流方向設置。
為避免培養好的趨磁細菌在整個循環系統中,隨水流任意流動,增強趨磁細菌的穩定性,箱體內的磁化鋼鐵網垂直水流方向設置,便于趨磁細菌的固定化,從而使水體中的重金屬離子通過趨磁細菌吸附,富集在箱體內,便于進行重金屬回收的工作。
優選的方案,所述磁化鋼鐵網的數量為兩個,且相互平行設置。
所述磁化鋼鐵網的孔徑為5~10μm。
本發明還提供了一種水稻栽培水體重金屬污染防治方法,包括:
利用上述的水稻栽培水體重金屬污染循環處理裝置的循環泵抽吸稻田里的水,并通過兩支路管回流到稻田內,水體在流經第二支路管時,重金屬吸附裝置吸附水體中的重金屬離子。
水體在重金屬吸附裝置中的停留時間為3~13s。
為保證水稻生長所需營養充足,第一支路管的流速由閥門控制稍大些;而為了穩固好趨磁細菌在磁化鋼鐵網上對重金屬離子的吸附,第二支路管的流速控制要緩慢,減小水流對細菌的沖擊性。優選的,控制第一支路管和第二支路管的流速比為5:1。
所述重金屬吸附裝置內趨磁細菌的接種量為2~10g/L。
更為優選的,該方法還包括如下步驟:分離出磁化鋼鐵網上吸附了重金屬離子的趨磁細菌,將重金屬離子從趨磁細菌上脫吸附,而后將趨磁細菌再次加入水稻栽培水體重金屬污染循環處理裝置中。
本發明具備的有益效果:
(1)本發明提供的水稻栽培水體重金屬污染循環處理裝置結構簡單,易操作,適用于農田推廣。
(2)本發明采用的趨磁細菌作為水培作物重金屬污染區域的吸附載體,菌體材料豐富,還可再生和二次使用,關鍵是重金屬得到有效回收,節約資源,使其可以得到再利用。
(3)從重金屬吸附量上來講,微生物吸附重金屬量大,速度快,吸附方向性強,環保無污染。
附圖說明
圖1為水稻栽培水體重金屬污染循環處理裝置示意圖,其中3為第一閥門,4為第二閥門,6為第一支路管,7為第二支路管。
圖2為重金屬吸附裝置簡式圖,其中8、9為磁化鋼鐵網,10為進水口,11為出水口。
具體實施方式
下面結合具體實施例和附圖對本發明作進一步闡釋。
實施例1
實驗室條件下模擬本發明的水稻栽培水體重金屬污染循環處理裝置(圖1),在水稻水培槽的出水端連接循環泵2,循環泵的出水端連接回流到水稻水培槽的第一支路管6和第二支路管7,第一支路管上設有第一閥門3,第二支路上設有第二閥門4和重金屬吸附裝置5,第一閥門和第二閥門為UPVC球閥,用于調節水體的流速,第一閥門和第二閥門的出水口分別設有流量計,用于監測支路管中水體的流速。為保證水稻生長所需營養充足,控制第一支路管的流速為1L/min。為了穩固好趨磁細菌在磁化鋼鐵網上對重金屬離子的吸附,控制第二支路管的流速為0.2L/min。水體在重金屬吸附裝置中的停留時間為3~13s。
重金屬吸附裝置5為箱體(圖2),箱體為體積為0.2m×0.1m×0.2m的PVC箱,箱體相對的左右兩個側面分別設有進水口10和出水口11,進水口10連接在第二支路管的第二閥門出水端。在箱體的前后兩個側面內壁上設置對稱的兩組凸起,使磁化鋼鐵網卡在兩組凸起之間。
磁化鋼鐵網四邊設置鐵條包邊,便于磁化鋼鐵網的安裝與拆卸,磁化鋼鐵網孔徑為5-10μm,本實驗使用兩個磁化鋼鐵網,相互平行設置。
將水生螺菌屬的趨磁細菌菌種接種在富含鐵離子合成培養基中,置于全溫振蕩厭氧培養箱中培養,然后將培養富集了的趨磁細菌置于設有磁化鋼鐵網的箱體中,細菌固定在兩層磁化鋼鐵網上,實現水稻水培系統的配置。
在培養水稻的培養液中引入質量濃度均為10mg/L的Pb2+和Cr3+溶液,在溫度為20℃,鋼鐵網上趨磁細菌量為6g(濕重)的條件下,進行t=15、30、45、60min的吸附實驗。利用3000EZ-CheckTM多參數離子濃度比色計,在營養液中選取10個數據點,測量剩余鉛離子和鉻離子濃度,分別取平均值后與起始離子濃度相比較,得出不同時間點細菌吸附量。
表1、在不同時間點營養液中剩余的鉛離子和鉻離子濃度
吸附時間t15min30min45min60minCPb2+(mg/L)7.0133.5620.8790.931CCr3+(mg/L)6.7292.8910.9161.203
結果如表1所示,隨著吸附時間的增加,營養液中剩余的鉛離子和鉻離子濃度越來越低,在趨磁細菌吸附45min后,營養液中剩余的金屬離子是最低的。
實施例2
本實施例裝置和實施條件同實施例1。
在培養水稻的培養液中引入質量濃度為10mg/L的Pb2+和Cr3+溶液,溫度為20℃,吸附時間1h的條件下,趨磁細菌量分別取2、4、6、8、10g(濕重),進行吸附實驗。利用3000EZ-CheckTM多參數離子濃度比色計,在營養液中選取10個數據點,測量剩余鉛離子和鉻離子濃度,分別取平均值后與起始離子濃度相比較,得出不同細菌濃度下細菌吸附量。
表2、不同的細菌量吸附1h后營養液中剩余的鉛離子和鉻離子濃度
細菌量2g4g6g8g10gCPb2+(mg/L)6.2143.1952.5721.4260.725CCr3+(mg/L)7.1103.8971.9620.8650.866
通過實施例1和實施例2設定的控制變量法,得到的實驗結果顯示室溫條件下,趨磁細菌吸附Pb2+的最佳吸附條件是:細菌量為10g,t=45min;趨磁細菌吸附Cr3+的最佳吸附條件是:細菌量為8g,t=45min;而且吸附等溫線均可用Langmuir模型能更好地描述。
實施例3
利用實施例1和實施例2所得最佳吸附條件,在水培水稻生長營養液中加入培養好的趨磁細菌,得到充分吸附了重金屬的菌體后,取出管道上水箱內的磁化鋼鐵網,分離出載有重金屬離子的趨磁細菌,使其通過磁分離器,達到重金屬去除、回收的目的。
計算回收率:Pb2+:92.75%,Cr3+:91.35%。
上述結果說明趨磁細菌作為農作物生長環境中鉛和鉻重金屬離子的生物吸附劑有進一步的研究價值。

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一種 水稻 栽培 水體 重金屬 污染 循環 處理 裝置 防治 方法
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