[0001] 本实用新型涉及工业固废的湿法冶金技术领域，具体涉及一种赤泥的连续浸出生物淋滤装置。

[0002] 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。

[0003] 由于具有盐碱性、腐蚀性、放射性等不良特性，目前绝大部分赤泥无法资源化利用，只能堆存处理。但是由于赤泥的腐蚀性、浸出毒性和放射性等不良特性，赤泥在堆存时不仅占用了大量农田土地，还会给周边区域带来严重的环境风险。因此，急需开发切实可行的资源化处理技术对赤泥进行回收利用，消减赤泥的堆存量，降低赤泥对周边环境的负面影响。

[0004] 赤泥作为一种工业固废，其本身含有大量具有回收价值的金属元素，包括铝、铁、钒、钛、镓、锗、钪、钍、铀及稀土元素等，因此从资源回收利用的角度出发赤泥是一种“人工矿石”。若想回收这些金属元素，首先需将其浸出到液态介质中。迄今为止，浸出赤泥中金属元素的相关技术多采用化学酸浸法，包括采用各类单一或组合的无机酸或有机酸。化学酸浸法具有能源消耗量大、投资和运行成本高、废液废渣难处理、环境污染严重等缺陷，难以满足现今的环境标准。

[0005] 生物淋滤技术是指利用特定微生物或其代谢产物的氧化、还原、络合、吸附或溶解作用，将固相中某些不溶性成分(如重金属、硫及其他金属)分离浸提从而便于回收的一种技术。与传统的化学酸浸法相比，生物淋滤技术具有无二次污染、能耗小、反应条件温和、建设运行成本低等优势，在湿法冶金领域有良好的发展潜力。

[0006] 生物淋滤使用的传统菌种主要为自养型的氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidans)、氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)和氧化铁钩端螺菌(Leptospirillum ferrooxidans)。但是这些菌种并不适用于赤泥的生物淋滤，原因为：赤泥中不含硫和亚铁离子，无法给予自养菌新陈代谢所需的能源；赤泥本身极高的碱度使得这些嗜酸性菌种无法存活，如果采用无机酸对赤泥进行预酸化处理，不仅投资运行费用极高，还会产生二次污染；赤泥中的重金属等毒性元素会在酸性条件下溶出，这会抑制适应性并不强的自养型淋滤菌的代谢活性，甚至使其完全失活。因此，采用传统的自养型细菌无法对赤泥构建有效的生物淋滤系统。

[0007] 异养型真菌因其环境适应性强、抗逆性好、代谢底物范围广、有机酸产量大等优点，在构建生物淋滤系统方面有较强应用潜力。现已有研究采用真菌作为生物淋滤的功能菌种，但是都是在实验室中采用培养基灭菌、菌种转接、摇床培养的方法进行相关研究，无法进行大规模产业化应用。且相关研究都是采用摇瓶培养的批次浸出模式，在批次浸出过程中，微生物会有明显的生长延滞期，这会明显导致生物淋滤时间的延长，不利于生物淋滤效率的提升。

[0035] 为更进一步阐述本实用新型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，对依据本实用新型提出的一种赤泥的连续浸出生物淋滤装置，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

[0036] 本实用新型通过以下技术方案实现：

[0037] 1.在配料罐2中进行混合浆液的配制：混合浆液由赤泥粉和营养液组成，赤泥粉和营养液分别通过赤泥粉进料管1和营养液进料管4加入配料罐2中制成混合浆液。配料罐中设有搅拌装置3，可将赤泥粉与营养液均匀混合。

[0038] 赤泥粉为干赤泥磨碎后过60～200目筛。赤泥粉在混合浆液中的质量比为1 ～15％。

[0039] 营养液的组成按照质量浓度为：蔗糖5～15％、酵母膏0.01～0.02％、牛肉膏0.01～0.02％、KNO3 0.02～0.05％，溶剂为水。

[0040] 或者，营养液由蛋白胨、水、水果残渣和/或甘蔗残渣组成，所述水果残渣和/或甘蔗残渣烘干破碎后90％以上能过18目，且水果残渣和/或甘蔗残渣在营养液中的加入量为使营养液中的总有机碳(TOC)含量为10％～25％；所述蛋白胨在营养液中的质量分数为0.01～0.02％。

[0041] 配料罐中的混合浆液通过流量泵进入淋滤罐。

[0042] 2.赤泥中金属离子的浸出过程在淋滤罐9中进行。淋滤罐底部配有曝气装置和搅拌装置3。搅拌装置为叶片式的旋转机械搅拌器。曝气装置为空气压缩机 12和微孔曝气头11，微孔曝气头在淋滤罐底部曝气。空气压缩机与微孔曝气头之间设有滤菌器，过滤进入淋滤罐内高压空气中的杂菌。淋滤罐内配有pH监测器7和溶解氧(DO)监测器8，可实时监测pH和DO。淋滤罐内配有温控装置10，温控装置包括温度传感器和加热棒。在淋滤罐顶部位置设有可开启的接种盖 18，接种盖与淋滤罐密封良好，只有接种菌种时打开此接种盖，接种完毕立即关闭。淋滤罐顶部位置设有带滤菌器的排气孔19，当曝气时淋滤罐内部高压气体可通过排气孔进入外部空间，维持淋滤罐内外气压平衡。

[0043] 淋滤罐的运行分为启动和连续浸出两个阶段。启动阶段的作用是提升淋滤菌种对赤泥极端生境的适应能力，避免菌种因突然接触高浓度赤泥而大量失活、在连续浸出阶段活菌数量无法维持的现象。在连续浸出阶段，通过菌体的物理吸附和产酸溶蚀等作用浸出赤泥中的贵重金属元素，且连续浸出模式可使菌种一直维持在对数生长期，菌种具有很高的代谢能力和浸出活性，避免生长延滞期对生物淋滤效率的负面影响。

[0044] (1)在启动阶段，培养模式为批次进料和排料。配料罐中的混合浆液通过流量泵进入淋滤罐，在淋滤罐中接种活化后的黑曲霉孢子悬液，接种量为淋滤罐中混合浆液体积的0.1％～0.5％。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
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黑曲霉孢子浓度约为1×10～ 1×10个/mL。

[0045] 淋滤罐中一次进满混合浆液，混合浆液的赤泥浓度为1％，曝气强度为2.4 ～3.0m3/m2h，搅拌速度为160～240rpm，温度为30～36℃。培养至浆液pH降至3.0或培养时间达到240小时停止培养，从淋滤罐排出浆液总体积的85～95％至混凝罐，算作第一个启动周期。第二个启动周期，淋滤罐中一次进满混合浆液，混合浆液的赤泥浓度提升为2％，培养条件与第一周期相同，直至浆液pH降至3.0或培养时间达到240小时停止培养，从淋滤罐排出浆液总体积的85～95％至混凝罐。以此类推，每下一个周期混合浆液中的赤泥浓度比上一周期提升1％，直至提升至15％，启动阶段结束。

[0046] 除了最后一个启动周期,前面每一启动周期排出至混凝罐的浆液均在混凝罐和混凝剂反应，并进入沉降罐进行固液分离后排出，即每一启动周期均进行一个完整的工艺流程。

[0047] 当混合浆液的赤泥浓度在5％或以内，营养液需在120℃以上和102.5kPa以上灭菌30min后才能进入配料罐。当赤泥浓度超过5％，营养液不需灭菌，可直接进入配料罐。预培养结束的最后一个周期不再一次性从淋滤罐排出浆液总体积的85～95％，转入连续浸出阶段。

[0048] (2)在连续浸出阶段，浸出模式为连续进料和连续出料。通过流量泵调节混合浆液的进液流量和排液流量，使淋滤罐中混合浆液的体积不低于淋滤罐总有效体积的90％。淋滤罐中混合浆液的赤泥浓度控制在8～12％。连续浸出阶段的控制条件：当混合浆液的pH低于或等于2.5时，控制进料和出料流量使混合浆液在淋滤罐中的停留时间为92～124h，同时曝气强度为2.8～3.2m3/m2h，搅拌速度为180～260rpm，温度为30～36℃；当混合浆液的pH高于2.5时，控制进料和出料流量使混合浆液在淋滤罐中的停留时间延长至160～170h。

[0049] 3.从淋滤罐中流出的浆液进入混凝罐，通过混凝反应使混合浆液中的菌丝体及微小赤泥颗粒形成絮凝体和聚集体，从而便于在沉降罐中固液分离。通过混凝罐上部的混凝剂进料管加入混凝剂。混凝罐中设有搅拌装置，可将浆液与混凝剂混合均匀。混凝剂为聚丙烯酰胺，混凝剂质量浓度为3～5％，搅拌速度为 50～60rpm，投加流量为进入混凝罐中浆液流量的0.05～0.1％，反应15～60min。

[0050] 4.从混凝罐中流出的浆液进入沉降罐进行固液分离，沉降时间为1～3h。沉降罐上部的上清液即为赤泥的淋滤液，沉降罐下部的泥浆是菌体细胞和赤泥颗粒的混合物。淋滤液从沉降罐上部的淋滤液出料管流出，淋滤液作为赤泥中浸出的金属离子浓缩液，可进一步回收其中的贵重金属元素。泥浆从沉降罐下部的滤渣出料管流出，进入板框压滤机进一步脱水。在板框压滤机脱除的压滤液回流至混凝罐中。脱水后的残渣烘干后在320～350℃高温焚烧脱除菌体残渣。焚烧后的赤泥可用做混凝土的添加剂，或填埋处理。

[0051] 当在连续浸出阶段，淋滤罐中混合浆液的赤泥浓度控制在8～12％。赤泥粉的浓度过低有可能使杂菌在营养液中繁殖，赤泥粉的浓度过高会抑制淋滤罐中黑曲霉的生长代谢，从而降低淋滤效率。

[0052] 实施例：

[0053] 配料罐的有效容积为30L，材质为304不锈钢。干赤泥磨碎后过100目。营养液采用去离子水为溶剂，营养液成分配比：蔗糖10％、酵母膏0.02％、牛肉膏 0.02％、KNO3 0.05％。将赤泥粉与营养液加入配料罐中混合均匀，赤泥粉初始投加量为300g，营养液在
121℃、103kPa灭菌并加满配料罐。

[0054] 淋滤罐的有效容积为30L，材质为304不锈钢。在淋滤罐中先进行启动阶段的批次运行模式。配料罐中的混合浆液通过流量泵进入淋滤罐，当混合浆液充满淋滤罐后，打开接种盖，投加60mL已活化过的黑曲霉孢子悬液。调整淋滤罐的各项运行参数，曝气量为250L/h，搅拌速度为200rpm，温度为32℃。当 pH监测器上的pH值低于3.0时，停止运行反应器，排出27L混合浆液，第一个启动周期结束。将配料罐中混合浆液的赤泥浓度提升至2％，并将混合浆液加满淋滤罐，淋滤罐运行参数同第一个启动周期。当pH监测器上的pH值低于3.0 时，停止运行反应器，排出27L混合浆液，第二个启动周期结束。将配料罐中混合浆液的赤泥浓度提升至3％，混合浆液加满淋滤罐，淋滤罐运行参数同第一个启动周期。当pH监测器上的pH值低于3.0时，停止运行反应器，排出27L 混合浆液，第三个启动周期结束。以此类推，每下一个周期混合浆液中的赤泥浓度提升1％。当赤泥浓度为6％或以上时，营养液不再需要灭菌，可直接进入配料罐。当混合浆液的赤泥浓度提升至15％，混合浆液加满淋滤罐，启动阶段结束，系统进入连续浸出阶段，在淋滤罐出料的同时加入等量的进料，维持淋滤罐内部充满混合浆液的状态。将配料罐中混合浆液的赤泥浓度调整为10％。连续浸出阶段淋滤罐的运行参数：混合浆液在淋滤罐中的停留时间为100h，曝气量为 280L/h，搅拌速度为220rpm，温度为32℃。调整淋滤罐进液管和出液管的流量泵，使进出流量控制在5mL/min。

[0055] 从淋滤罐中流出的混合浆液进入混凝罐。混凝罐的有效容积为0.5L，材质为玻璃。混凝罐的运行参数为：质量浓度为5％的聚丙烯酰胺溶液的投加速率为 0.3mL/h，搅拌速度为60rpm，通过流量泵控制流速为5mL/min。

[0056] 混凝罐中流出的浆液进入沉降罐进行固液分离。沉降罐的有效容积为1L，材质为玻璃。通过流量泵控制流速为5mL/min。沉降罐下部的泥浆从滤渣出料管流出，进入板框压滤机进一步脱水。脱水后的残渣在焚烧炉内350℃焚烧，脱除菌体残渣后填埋。沉降罐上部的淋滤液从淋滤液出料管流出，收集后作为赤泥的金属离子浓缩液，供下一步回收利用。

[0057] 通过本系统以上述运行参数进行生物淋滤后，赤泥中的金属离子浸出率： Al为56.4％、Ti为52.7％、Fe为16.6％、Sc为60.2％、Ga为34.0％、Ge为49.3％、 V为22.1％、La为
23.9％，实现了赤泥中贵重金属元素的高效浸出。

[0058] 以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型做任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，利用上述技术内容做出些许更动或修饰的实施例，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。