一种赤泥降碱系统及赤泥降碱方法

1.本发明属于固废处理技术领域，特别涉及一种赤泥降碱系统及赤泥降碱方法。


背景技术：

2.赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的工业固体废弃物。赤泥在氧化铝工业中产量巨大，在氧化铝工业中平均每生产1吨氧化铝就会附带产生1.0-2.0吨赤泥，这些巨量的赤泥废弃物会对环境产生严重的碱污染。但赤泥中丰富的金属氧化物和其他化学组成使其在水泥等行业有大规模应用的潜力。赤泥产出的水泥具有早期抗压强度高、抗硫酸盐腐蚀性强等优点，但这些都需建立在赤泥进行降碱处理的基础之上。
3.目前现有的赤泥的湿法碳化降碱技术是以二氧化碳气体直接对赤泥进行碳化降碱，降碱方法单一，降碱过程需要长时间、高频次地通入二氧化碳气体，降碱效率低，且出产的赤泥往往会出现碳化不稳定、碳化程度不理想、容易返碱的问题。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种赤泥降碱系统及赤泥降碱方法，通过赤泥降碱系统对赤泥进行降碱处理，降碱效率高，降碱效果明显，可显著降低赤泥的ph值，且可以有效避免返碱。
5.本发明第一方面提供一种赤泥降碱系统，包括：
6.超重力碳化罐，所述超重力碳化罐的内部设有转子，所述转子包括多层折流圈；
7.混合搅拌罐，所述混合搅拌罐的进口与所述超重力碳化罐的出口连接；
8.石膏搅拌罐，所述石膏搅拌罐的出口与所述混合搅拌罐的进口连接；
9.细菌培养罐，所述细菌培养罐的出口与所述混合搅拌罐的进口连接；
10.固液分离装置，所述固液分离装置的进口与所述混合搅拌罐的出口连接。
11.优选地，所述折流圈上分布有多个通气孔；便于气液混合。
12.优选地，所述转子的壁上设有多个通透孔；便于气液混合。
13.优选地，所述固液分离装置包括浓密池和压滤器；所述浓密池的进口与所述混合搅拌罐的出口连接；所述压滤器的进口与所述浓密池的底部出口连接。
14.优选地，所述赤泥降碱系统还包括回水箱，所述回水箱的进口分别与所述浓密池的顶部出口以及所述压滤器的出口连接，所述回水箱的出口分别与所述超重力碳化罐的进口以及所述石膏搅拌罐的进口连接。
15.优选地，所述赤泥降碱系统还包括二氧化碳气罐，所述二氧化碳气罐与所述超重力碳化罐连接。
16.优选地，所述赤泥降碱系统还包括药剂桶，所述药剂桶的出口与所述混合搅拌罐的进口连接。
17.本发明第二方面提供一种赤泥降碱方法，采用本发明所述的赤泥降碱系统对赤泥进行降碱处理。
18.优选地，本发明所述赤泥降碱方法，包括以下步骤：
19.将待处理赤泥和水加入所述超重力碳化罐中进行碳化，得到碳化后的赤泥浆；
20.将氯化铵、聚间苯二胺和石膏加入所述石膏搅拌罐中进行混合，得到复合浆料；
21.将筛选后的芽孢杆菌、培养液和氧气加入所述细菌培养罐中进行培养，得到培养后的菌液；所述培养后的菌液中含有酸性物质；
22.将所述碳化后的赤泥浆、所述复合浆料和所述培养后的菌液加入所述混合搅拌罐中进行钙化，酸碱中和，得到降碱后的赤泥浆；
23.将所述降碱后的赤泥浆加入所述固液分离装置中进行固液分离，得到降碱赤泥。
24.优选地，所述石膏与氯化铵的质量比为2-4:1。
25.优选地，所述石膏与聚间苯二胺的质量比为3-6:1。
26.优选地，所述培养液包括葡萄糖、酵母膏、磷酸二氢钾、氯化镁中的至少一种。
27.优选地，所述酸性物质包括草酸、α－酮戊二酸、乙酸、酒石酸中的至少一种。
28.本发明筛选后的芽孢杆菌是一类耐盐碱细菌，在合适的培养液中，芽孢杆菌能够产生草酸、α－酮戊二酸、乙酸、酒石酸和乳酸等酸性物质来降低培养液的碱性。静置培养时芽孢杆菌产生草酸的含量最多，其次是乳酸和酒石酸，但酒石酸都只在弱酸或中性条件下产生；ph的下降是由草酸、乳酸和酒石酸共同引起的。振荡培养时芽孢杆菌产生草酸的含量最多，其次是α－酮戊二酸和乙酸、酒石酸；ph的下降是由草酸、乳酸和酒石酸共同引起的；通过芽孢杆菌这类微生物产酸来中和碱，可以有效节约成本。
29.优选地，所述培养为振荡培养。实验表明，芽孢杆菌在振荡或静置培养均能通过产酸的方式使培养液的ph降至6.0左右，但振荡培养所需时间较短，为36-72h，比静置培养快，静置培养所需时间为96h以上，从而大大减少了降碱时间，节约成本。振荡可以加快酸和二氧化碳气体的传质速率，从而使产生的酸与碱充分接触，达到快速降低ph的效果。
30.优选地，所述筛选后的芽孢杆菌的筛选过程，包括以下步骤：
31.(1)取赤泥和第一液体培养基混合，培养，然后吸取上清液加入第二液体培养基中，继续培养后采用稀释涂布平板法分离筛选得到多个纯培养；
32.(2)将各个纯培养接种到第三液体培养基中，培养，通过检测各个培养液的ph，筛选出ph降低最明显的菌株，得到筛选后的芽孢杆菌。
33.优选地，步骤(1)中，赤泥和第一液体培养基的用量比为1-5g:1ml。
34.优选地，步骤(1)中，培养的条件包括：温度25-30℃，150-200r/min的摇床中避光振荡培养36-48h。、
35.优选地，步骤(1)中，上清液和第二液体培养基的体积比为1:40-60。
36.优选地，步骤(2)中，培养的条件与步骤(1)的培养条件相同。
37.优选地，第一液体培养基由葡萄糖6-10g/l、酵母膏1-5g/l、磷酸二氢钾0.1-0.5g/l和氯化镁0.1-0.5g/l混合而成；第二液体培养基的组分和第三液体培养基组分与第一液体培养基的组分相同。
38.本发明赤泥降碱方法中降碱的反应过程包括：筛选后的芽孢杆菌产生酸性物质；超重力碳化反应；钙化反应；酸与碱中和反应。
39.具体降碱的反应过程包括：
40.筛选后的芽孢杆菌产生酸性物质：将筛选后的芽孢杆菌置于含有葡萄糖6-10g/l、
酵母膏1-5g/l、磷酸二氢钾0.1-0.5g/l、氯化镁0.1-0.5g/l的细菌培养罐中振荡培养，大约12h后芽孢杆菌开始大量繁殖，尤其在24～36h内增长迅速，进入指数增长期，培养过程中需保证充足的氧气；大约36h后芽孢杆菌产生大量草酸(h2c2o4)和部分α－酮戊二酸(c5h6o5)、乙酸(ch3cooh)、酒石酸(c4h6o6)等。
41.超重力碳化反应：将待处理赤泥和水加入超重力碳化罐中，赤泥和水的质量比为1:(3-7)，并由二氧化碳气罐向超重力碳化罐中持续通入二氧化碳，赤泥和二氧化碳的质量比为35-40:1，利用转子和折流圈进行超重力碳化，使二氧化碳与水化物充分接触反应。oh-转化为co
32-，降低了一定的碱性，涉及到的反应方程式主要为：
42.2al(oh)
4-+xsio
32-+(x+1)co2+(x-1)h2o
→
2al(oh)3+xh2sio3+(x+1)co
32-；其中，1.5《x《3。
43.钙化反应：钙化反应采用石膏法，即利用脱硫石膏中的ca
2+
与赤泥中部分碱性阴离子发生沉淀作用,并和赤泥中部分化学结合碱发生钙钠置换，从而降低赤泥体系的碱性，同时，在脱硫石膏中加入氯化铵溶液和聚间苯二胺形成pcr试剂，可有效降低赤泥体系的碱性，并避免其出现反弹趋势；涉及的反应方程式为：
[0044][0045][0046][0047][0048][0049]
酸与碱中和反应：将芽孢杆菌产生的酸通入到混合搅拌罐中与碱发生中和反应，涉及的反应式主要有：
[0050][0051][0052][0053][0054]
本发明第三方面提供一种降碱赤泥，所述降碱赤泥由本发明所述的赤泥降碱方法处理得到。
[0055]
相对于现有技术，本发明的有益效果以下：
[0056]
1.本发明赤泥降碱系统通过超重力碳化罐内部的转子和折流圈，利用转子进行高速旋转，使赤泥浆和二氧化碳获得巨大的离心力，从而加快传质速率，缩短反应时间，使得碳化速率得到显著提高，降碱效率得到提升，同时利用二氧化碳、脱硫石膏与赤泥浆中的碱反应以及细菌培养罐内菌液产生的酸性物质与碳化、钙化后赤泥浆中残余的碱中和，使赤泥中的碱得到充分降解；通过碳化、钙化、酸碱中和联合降碱控碱，可显著降低赤泥的ph值、碱化度及可溶性碱含量，降碱方法多样，降碱后的赤泥的ph值小于7。
[0057]
2.本发明生产工艺流程简单，设备操作方便，物质可循环利用，能够规模化处置赤
泥，易于推广，容易实现工业化、规模化降碱。
[0058]
3.本发明用于赤泥降碱的原材料易得，产品成本低廉，筛选后的芽孢杆菌的生长速度快，培养成本低，且超重力碳化罐具有体积小，投资低，持液量少，安全易操作，维护简便的优点，市场竞争力强。
[0059]
4.本发明赤泥降碱系统每吨赤泥可消纳25kg以上的二氧化碳和大量脱硫石膏，环保效益巨大，节能减排效果显著。
附图说明
[0060]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
[0061]
图1是本发明赤泥降碱系统的结构示意图；
[0062]
图2是本发明超重力碳化罐的结构示意图。
[0063]
图中，100-超重力碳化罐，110-转子，120-折流圈，130-赤泥进料口，140-赤泥出料口，150-二氧化碳进气口，160-二氧化碳出气口，200-混合搅拌罐，300-石膏搅拌罐，400-细菌培养罐，500-二氧化碳气罐，600-浓密池，700-压滤器，800-回水箱，900-药剂桶，1000-水轮发电机，1100-空压机。
具体实施方式
[0064]
为了让本领域技术人员更加清楚明白本发明所述技术方案，现列举以下实施例进行说明。需要指出的是，以下实施例对本发明要求的保护范围不构成限制作用。
[0065]
以下实施例中所用的原料、试剂、装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。
[0066]
实施例1
[0067]
如图1和图2所示，本实施例提供了一种赤泥降碱系统，包括：超重力碳化罐100、混合搅拌罐200、石膏搅拌罐300、细菌培养罐400、二氧化碳气罐500、浓密池600、压滤器700、回水箱800、药剂桶900；
[0068]
其中，超重力碳化罐100设有赤泥进料口130、赤泥出料口140、二氧化碳进气口150和二氧化碳出气口160，将待处理赤泥和水从赤泥进料口130输送至超重力碳化罐100中；超重力碳化罐100的二氧化碳进气口150与二氧化碳气罐500连接，二氧化碳气罐500将二氧化碳输送至超重力碳化罐100中；超重力碳化罐100的内部设有转子110，转子110包括多层折流圈120，转子110在电机的驱动下转动，用于将赤泥浆进行超重力碳化；
[0069]
石膏搅拌罐300的进料口与药剂桶900连接，通过加药泵将药剂桶900中的氯化铵和聚间苯二胺加入石膏搅拌器中，与石膏混合得到复合浆料；
[0070]
混合搅拌罐200的进料口分别与超重力碳化罐100、石膏搅拌罐300、细菌培养罐400连接；通过排泥泵将超重力碳化罐100中碳化后的赤泥浆输送至混合搅拌罐200中，通过排泥泵将复合浆料输送至混合搅拌罐200中进行钙化，通过加药泵将细菌培养罐400中经培养后含酸性物质的菌液输送至混合搅拌罐200中进行酸碱中和，得到降碱后的赤泥浆；
[0071]
浓密池600的进料口与混合搅拌罐200的出料口连接，压滤器700的进口与浓密池600的底部出口连接，回水箱800的进口分别与浓密池600的顶部出口以及压滤器700的出口连接，回水箱800的出口分别与超重力碳化罐100的赤泥进料口130以及石膏搅拌罐300的进
料口连接；通过排泥泵将混合搅拌罐200中降碱后的赤泥浆输送至浓密池600中进行沉降，浓密池600中的上清液回收到回水箱800中，下部沉淀通过压滤器700将赤泥中的水分压出，并把水回收到回水箱800中，压滤器700排出降碱完成的赤泥用于回收利用，回水箱800中的水通过加水泵输送至超重力碳化罐100以及石膏搅拌罐300中，循环利用。
[0072]
在本实施例中，折流圈120上分布有多个通气孔，转子110的壁上设有多个通透孔，有利于气液混合。
[0073]
在本实施例中，系统中各个装置之间通过管道进行连接，管道可用于输送液体和/或气体；管道上可设置流量阀和流量计，以对液体和气体的流量进行实时监控。
[0074]
在本实施例中，超重力碳化罐100、石膏搅拌罐300、混合搅拌罐200均可设置安全阀和/或泄放阀，可以对罐内气压进行监控，提高安全性。
[0075]
在本实施例中，超重力碳化罐100、石膏搅拌罐300、混合搅拌罐200、浓密池600均可设置ph检测仪和/或重金属检测仪，可以实时对赤泥浆的ph和/或重金属进行监控。
[0076]
在本实施例中，浓密池600与回水箱800之间还可设置水轮发电机1000，浓密池600中的上清液经水轮发电机1000流到回水箱800的过程，水轮发电机1000可以将水能转化为电能，节约能耗。
[0077]
在本实施例中，采用空压机1100为加水泵、排泥泵或加药泵提供动力。
[0078]
实施例2
[0079]
本实施例提供了一种赤泥降碱方法，该方法采用实施例1的赤泥降碱系统进行处理，具体包括以下步骤：
[0080]
(1)将待处理赤泥和水按质量比为1:5加入到超重力碳化罐中，并由二氧化碳气罐向超重力碳化罐中持续通入二氧化碳，二氧化碳的流速为3l/min，通入时间为30min，赤泥和二氧化碳的质量比为40:1，得到碳化后的赤泥浆；
[0081]
(2)将水和脱硫石膏按照5:1的质量比加入到石膏搅拌罐中进行搅拌均匀后，再加入ph为5-6的氯化铵溶液进行搅拌15min(脱硫石膏与氯化铵的质量比为2:1)，然后加入质量为脱硫石膏质量0.25倍的聚间苯二胺，继续搅拌20min，最终得到搅拌均匀的复合浆料(即pcr试剂)；
[0082]
(3)将浓度为8g/l葡萄糖、3g/l酵母膏、0.3g/l磷酸二氢钾、0.3g/l氯化镁混合而成的培养液加入细菌培养罐中，随后加入筛选扩增后的芽孢杆菌，同时向培养罐中持续通入充足的氧气，振荡培养36h；培养后的菌液中包括草酸(h2c2o4)、α－酮戊二酸(c5h6o5)、乙酸(ch3cooh)、酒石酸(c4h6o6)中的至少一种；
[0083]
(4)将碳化后的赤泥浆、复合浆料和培养后的菌液加入混合搅拌罐中，经过15-20min的搅拌后，静置15min，确保完全钙化，酸碱中和，得到降碱后的赤泥浆；
[0084]
(5)将降碱后的赤泥浆送至浓密池中，静置30min，获得较为清澈的上清液和底部沉聚的赤泥，通过压滤器将赤泥中的水分压出，得到降碱赤泥。
[0085]
在本实施例中，筛选扩增后的芽孢杆菌的具体过程如下：
[0086]
取5g赤泥和2ml第一液体培养基混合，于30℃、175r/min的摇床中避光振荡培养48h，然后吸取2ml上清液加入100ml第二液体培养基中，继续培养48h后采用稀释涂布平板法分离筛选得到多个纯培养；
[0087]
将各个纯培养接种到第三液体培养基中，置于恒温振荡培养箱(30℃、175r/min)
中培养48h，通过检测各个培养液的ph，筛选出ph降低最明显的菌株，再对筛选出的芽孢杆菌进行dna提取，并对其进行pcr扩增，得到筛选扩增后的芽孢杆菌；
[0088]
其中，第一液体培养基由8g/l葡萄糖、3g/l酵母膏、0.3g/l磷酸二氢钾、0.3g/l氯化镁混合而成，第二液体培养基的组分和第三液体培养基的组分均与第一液体培养基的组分相同。
[0089]
对比例1
[0090]
对比例1与实施例2的区别在于，对比例1降碱方法中使用的赤泥降碱系统采用常规赤泥搅拌罐代替超重力碳化罐，常规赤泥搅拌罐的内部设有搅拌桨，没有转子和折流圈，二氧化碳气罐直接向赤泥搅拌罐中输送二氧化碳进行搅拌碳化。
[0091]
对比例2
[0092]
对比例2与实施例2的区别在于，对比例2降碱方法中使用的赤泥降碱系统没有设置细菌培养罐，没有向混合搅拌罐中输送培养后的菌液。
[0093]
实施例3碳化效率评价实验
[0094]
将实施例2、对比例1得到碳化后的赤泥浆进行ph检测；每隔30min测量碳化反应后的ph，结果见表1所示。
[0095]
表1
[0096][0097][0098]
结论：通过碳化反应进行相同时间后的ph值对比可知，实施例2使用超重力碳化罐进行超重力碳化，降碱速率明显高于不进行常规搅拌碳化的对比例1，说明在其它条件相同的情况下，经超重力碳化能显著缩短反应时间。
[0099]
实施例4降低赤泥碱性效果评价实验
[0100]
将实施例2、对比例2得到降碱后的赤泥浆进行多次ph检测，结果见表2所示。
[0101]
表2
[0102]
实验次数对比例2实施例217.066.0527.146.0937.096.0147.206.1457.116.18
[0103]
结论：通过检测降碱后的赤泥浆的ph可知，实施例2的赤泥浆的ph明显低于对比例2的赤泥浆的ph，说明筛选的芽孢杆菌经培养后，确实能产生一种或几种酸性物质来中和赤泥中未被处理完全的碱，达到显著降低ph的目的。
[0104]
实施例5避免返碱效果评价实验
[0105]
将实施例2得到降碱后的赤泥浆进行静置，每隔1h测定一次浆液的ph，结果见表3所示。
[0106]
表3
[0107][0108][0109]
结论：实施例2降碱处理后的赤泥浆液的ph静置处理一段时间后，浆液的ph几乎不再上升，证明本发明降碱方法可以有效避免返碱，解决了传统降碱方法容易返碱的问题。
[0110]
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。

技术特征：
1.一种赤泥降碱系统，其特征在于，包括：超重力碳化罐，所述超重力碳化罐的内部设有转子，所述转子包括多层折流圈；混合搅拌罐，所述混合搅拌罐的进口与所述超重力碳化罐的出口连接；石膏搅拌罐，所述石膏搅拌罐的出口与所述混合搅拌罐的进口连接；细菌培养罐，所述细菌培养罐的出口与所述混合搅拌罐的进口连接；固液分离装置，所述固液分离装置的进口与所述混合搅拌罐的出口连接。2.根据权利要求1所述的赤泥降碱系统，其特征在于，所述折流圈上分布有多个通气孔。3.根据权利要求1所述的赤泥降碱系统，其特征在于，所述转子的壁上设有多个通透孔。4.根据权利要求1所述的赤泥降碱系统，其特征在于，所述固液分离装置包括浓密池和压滤器；所述浓密池的进口与所述混合搅拌罐的出口连接；所述压滤器的进口与所述浓密池的底部出口连接。5.根据权利要求1所述的赤泥降碱系统，其特征在于，所述赤泥降碱系统还包括回水箱，所述回水箱的进口分别与所述浓密池的顶部出口以及所述压滤器的出口连接，所述回水箱的出口分别与所述超重力碳化罐的进口以及所述石膏搅拌罐的进口连接。6.一种赤泥降碱方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的赤泥降碱系统对赤泥进行降碱处理。7.根据权利要求6所述的赤泥降碱方法，其特征在于，包括以下步骤：将待处理赤泥和水加入所述超重力碳化罐中进行碳化，得到碳化后的赤泥浆；将氯化铵、聚间苯二胺和石膏加入所述石膏搅拌罐中进行混合，得到复合浆料；将筛选后的芽孢杆菌、培养液和氧气加入所述细菌培养罐中进行培养，得到培养后的菌液；所述培养后的菌液中含有酸性物质；将所述碳化后的赤泥浆、所述复合浆料和所述培养后的菌液加入所述混合搅拌罐中进行钙化，酸碱中和，得到降碱后的赤泥浆；将所述降碱后的赤泥浆加入所述固液分离装置中进行固液分离，得到降碱赤泥。8.根据权利要求7所述的赤泥降碱方法，其特征在于，所述酸性物质包括草酸、α－酮戊二酸、乙酸、酒石酸中的至少一种。9.根据权利要求7所述的赤泥降碱方法，其特征在于，所述筛选后的芽孢杆菌的筛选过程，包括以下步骤：(1)取赤泥和第一液体培养基混合，培养，然后吸取上清液加入第二液体培养基中，继续培养后采用稀释涂布平板法分离筛选得到多个纯培养；(2)将各个纯培养接种到第三液体培养基中，培养，通过检测各个培养液的ph，筛选出ph降低最明显的菌株，得到筛选后的芽孢杆菌。10.一种降碱赤泥，其特征在于，所述降碱赤泥由权利要求6-9任一项所述的赤泥降碱方法处理得到。

技术总结
本发明属于固废处理技术领域，公开了一种赤泥降碱系统及赤泥降碱方法。赤泥降碱系统包括超重力碳化罐，超重力碳化罐的内部设有转子，转子包括多层折流圈；混合搅拌罐，混合搅拌罐的进口与超重力碳化罐的出口连接；石膏搅拌罐，石膏搅拌罐的出口与混合搅拌罐的进口连接；细菌培养罐，细菌培养罐的出口与混合搅拌罐的进口连接；固液分离装置，固液分离装置的进口与混合搅拌罐的出口连接。本发明通过赤泥降碱系统对赤泥进行降碱处理，降碱效率高，降碱效果明显，可显著降低赤泥的pH值，且可以有效避免返碱。效避免返碱。效避免返碱。


技术研发人员：马清扬 马义昊 杜晗玥 邓涛 蔡大洋 孙明昊 杨婧 刘馨逸
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/8/5