CN102559480A - 外置式甲烷无泡曝气生物膜反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集装置及方法 - Google Patents

外置式甲烷无泡曝气生物膜反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种外置式甲烷无泡曝气生物膜反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集装置及方法。它包括反应器主体、甲烷无泡曝气膜组件、控温系统、搅拌系统和液封装置；反应器主体具有反应器盖板、反应容器、生物填料、出水生物量截留球、循环液生物量截留球和生物填料支架，其中生物填料支架的支撑板将反应器主体分为生物填料区和完全混合区两部分，生物填料区包括生物填料、出水生物量截留球和循环液生物量截留球，完全混合区包括生物填料支架的支柱、搅拌磁子和循环液进水管的出水口；甲烷无泡曝气膜组件内具有中空纤维膜。本发明利用甲烷无泡曝气技术提高甲烷在水相中的溶解速率，同时利用生物膜技术提高反应器的运行效能。

Description

外置式甲烷无泡曝气生物膜反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集装置及方法
技术领域
本发明涉及一种外置式甲烷无泡曝气生物膜反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集装置及方法。
背景技术
甲烷作为一种重要的能源，在人类的生产生活中扮演着重要的角色。同时，甲烷又是大气中含量最多的碳氢化合物，其对全球变暖的贡献仅次于CO2，目前对全球气候变暖的“贡献率”达15％，它引起的温室效应是等摩尔CO2的20～30倍。据悉，全球每年甲烷产生量的85%及消耗量的60%都是基于微生物的作用。微生物进行的甲烷厌氧氧化（anaerobic oxidation of methane）能够使大部分甲烷气体（90%以上）在进入大气圈之前就被大量地消耗。因此，甲烷厌氧氧化在全球的甲烷排放控制过程中起了不容忽视的作用，它能有效缓解目前日趋严重的温室效应。
反硝化型甲烷厌氧氧化(denitrification anaerobic methane oxidation)是甲烷厌氧氧化的一种，其反应方程式如方程式（1）、（2）所示。目前，对于催化该反应进行的反硝化型甲烷厌氧氧化菌的研究非常少。然而，该过程却非常值得关注：首先，通过研究该过程有助于更好地理解生物地球氮素循环和生物地球碳素循环以及二者的有机结合；其次，对该过程的研究有助于进一步挖掘自然界中的微生物资源；再则，以此为基础，可以开发新型生物脱氮除碳工艺。
5CH4 + 8NO3 - + 8H+ →5CO2 + 4N2 + 14H2O      (1)
（△G0 =－765 kJmol-1 CH4）
3CH4 + 8NO2 - + 8H+ →3CO2 + 4N2 + 10H2O      (2)
 （△G0 =－928 kJmol-1 CH4）
由于反硝化型甲烷厌氧氧化的发生环境通常限于具有急剧梯度特征的区域，使该反应仅在几毫米的范围内发生，从而导致该过程很难被检测到。而且，反硝化型甲烷厌氧氧化的功能微生物生长极其缓慢，细胞倍增时间长达一个月以上，因而很难获得催化该过程的富集培养物。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种外置式甲烷无泡曝气生物膜反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集装置及方法。
外置式甲烷无泡曝气生物膜反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集装置包括反应器主体、甲烷无泡曝气膜组件、控温系统、搅拌系统和液封装置；反应器主体具有反应器盖板、反应容器、生物填料、出水生物量截留球、循环液生物量截留球和生物填料支架，反应器盖板上穿有出水管、排气管、循环液出水管和循环液进水管，生物填料支架的支撑板将反应容器分为生物填料区和完全混合区两部分，生物填料区内设有生物填料、出水生物量截留球和循环液生物量截留球，完全混合区设有生物填料支架的支柱、搅拌磁子，其中循环液进水管一端穿过反应器盖板、生物填料和生物填料支架的支撑板与完全混合区相连，循环液进水管另一端与甲烷无泡曝气膜组件上部相连，出水生物量截留球通过出水管与出水泵相连，循环液生物量截留球通过循环液出水管和循环泵与甲烷无泡曝气膜组件底部相连，排气管与液封装置相连，生物填料由生物填料支架支撑，甲烷无泡曝气膜组件内设有中空纤维膜，甲烷无泡曝气膜组件上端设有进气管和进气泵，甲烷无泡曝气膜组件底部设有进水管和进水泵。
所述的反应器主体为圆柱体，其高径比为1.5～2:1。所述的生物填料区与完全混合区的体积比为8～10:1。所述的甲烷无泡曝气膜组件采用外置式，内部利用中空纤维膜实现甲烷的无泡曝气，其与反应器主体的体积比为1: 1.5～2。所述的生物填料支架的支柱是长方体，其长边与生物填料支架的支撑板的半径方向的偏角为50～70°，生物填料支架的支撑板是穿有小孔的薄板，其小孔孔径为4～6mm。
外置式甲烷无泡曝气生物膜反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集方法是：反应器主体内的培养液经循环液生物量截留球截留下反硝化型甲烷厌氧氧化菌生物量后，通过循环液出水管和循环泵进入甲烷无泡曝气膜组件的底部，并与通过进水泵和进水管进入甲烷无泡曝气膜组件底部的新鲜培养液混合，混合液由下而上通过甲烷无泡曝气膜组件内的中空纤维膜的外部，甲烷气体通过进气泵和进气管进入中空纤维膜的内部，经中空纤维膜上的微孔快速溶解至混合液中，溶有甲烷的混合液通过循环液进水管进入完全混合区，在搅拌磁子的搅拌作用下与反应器主体内的培养液进一步混合，并由反应器主体的完全混合区向生物填料区流动，其中一部分通过循环液生物量截留球进入循环液出水管循环使用，另一部分通过出水生物量截留球、出水管和出水泵排出，反应器主体内析出的氮气和未反应的甲烷气体通过排气管和液封装置排出；当反应器主体内生物量达到6～8gVSS/L后，打开反应器盖板，取出40～50%附着有生物量的生物填料，并补充等量新鲜的生物填料，盖上反应器盖板，重新开始新一轮富集培养；其中出水泵控制的出水流量与进水泵控制的进水流量相等，进水泵控制的进水流量与循环泵控制的循环液流量的比值为1: 10～20，进气泵控制的进气流量与循环泵控制的循环液流量的比值为1: 40～50，搅拌磁子的搅拌方向与生物填料支架的支柱的偏转方向一致，搅拌磁子的搅拌速率控制为50～100rpm。
本发明具有的有益效果：1）利用甲烷无泡曝气技术，实现甲烷气体在水相中的快速溶解，提高培养基中甲烷基质的含量，从而实现反硝化型甲烷厌氧氧化菌的快速富集；2）新鲜培养液首先与循环液混合，再在搅拌磁子的搅拌作用下与反应器主体内的培养液混合，从而降低新鲜培养液中亚硝酸盐对反硝化型甲烷厌氧氧化菌的抑制作用，同时提高反应器抗水力负荷和基质负荷冲击的能力；3）在反应器主体内添加生物填料，反硝化型甲烷厌氧氧化菌在填料表面上形成生物膜，从而提高反应器内反硝化型甲烷厌氧氧化菌的生物量，同时也提高反应器抗水力负荷和基质负荷冲击的能力；4）使用出水生物量截留球可减小反应器内生物量的流失，实现反硝化型甲烷厌氧氧化菌的快速富集，使用循环液生物量截留球可减少甲烷无泡曝气膜组件受到的污染，延长中空纤维膜的使用周期。
附图说明
图1是一种外置式甲烷无泡曝气生物膜反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集装置结构示意图；
图2是生物填料支架结构示意图；
图中：反应器主体1、反应容器2、生物填料支架、搅拌系统4、搅拌磁子5、甲烷无泡曝气膜组件6、液封装置7、进气管8、进水泵9、循环泵10、出水泵11、循环液生物量截留球12、循环液出水管13、进水管14、进气泵15、循环液进水管16、出水生物量截留球17、出水管18、排气管19、中空纤维膜20、反应器盖板21、生物填料22、控温系统23、生物填料支架的支柱24、生物填料支架的支撑板25。
具体实施方式
如图1、2所示，外置式甲烷无泡曝气生物膜反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集装置，其特征在于包括反应器主体1、甲烷无泡曝气膜组件6、控温系统23、搅拌系统4和液封装置7；反应器主体1具有反应器盖板21、反应容器2、生物填料22、出水生物量截留球17、循环液生物量截留球12和生物填料支架3，反应器盖板21上穿有出水管18、排气管19、循环液出水管13和循环液进水管16，生物填料支架的支撑板25将反应容器2分为生物填料区和完全混合区两部分，生物填料区内设有生物填料22、出水生物量截留球17和循环液生物量截留球12，完全混合区设有生物填料支架的支柱24和搅拌磁子5，其中循环液进水管16一端穿过反应器盖板21、生物填料22和生物填料支架的支撑板25与完全混合区相连，循环液进水管16另一端与甲烷无泡曝气膜组件6上部相连，出水生物量截留球17通过出水管18与出水泵11相连，循环液生物量截留球12通过循环液出水管13和循环泵10与甲烷无泡曝气膜组件6底部相连，排气管19与液封装置7相连，生物填料22由生物填料支架3支撑，甲烷无泡曝气膜组件6内设有中空纤维膜20，甲烷无泡曝气膜组件6上端设有进气管8和进气泵15，甲烷无泡曝气膜组件6底部设有进水管14和进水泵9。
所述的反应器主体1为圆柱体，其高径比为1.5～2:1。所述的生物填料区与完全混合区的体积比为8～10:1。所述的甲烷无泡曝气膜组件6采用外置式，其与反应器主体1的体积比为1: 1.5～2。所述的生物填料支架的支柱24是长方体，其长边与生物填料支架的支撑板25的半径方向的偏角为50～70°，生物填料支架的支撑板25是穿有小孔的薄板，其小孔孔径为4～6mm。
外置式甲烷无泡曝气生物膜反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集方法是：反应器主体1内的培养液经循环液生物量截留球12截留下反硝化型甲烷厌氧氧化菌生物量后，通过循环液出水管13和循环泵10进入甲烷无泡曝气膜组件6的底部，并与通过进水泵9和进水管14进入甲烷无泡曝气膜组件6底部的新鲜培养液混合，混合液由下而上通过甲烷无泡曝气膜组件6内的中空纤维膜20的外部，甲烷气体通过进气泵15和进气管8进入中空纤维膜20的内部，经中空纤维膜20上的微孔快速溶解至混合液中，溶有甲烷的混合液通过循环液进水管16进入完全混合区，在搅拌磁子5的搅拌作用下与反应器主体1内的培养液进一步混合，并由反应器主体1的完全混合区向生物填料区流动，其中一部分通过循环液生物量截留球12进入循环液出水管13循环使用，另一部分通过出水生物量截留球17、出水管18和出水泵11排出，反应器主体1内析出的氮气和未反应的甲烷气体通过排气管19和液封装置7排出；当反应器主体1内生物量达到6～8gVSS/L后，打开反应器盖板21，取出40～50%附着有生物量的生物填料22，并补充等量新鲜的生物填料22，盖上反应器盖板21，重新开始新一轮富集培养；其中出水泵11控制的出水流量与进水泵9控制的进水流量相等，进水泵9控制的进水流量与循环泵10控制的循环液流量的比值为1: 10～20，进气泵15控制的进气流量与循环泵10控制的循环液流量的比值为1: 40～50，搅拌磁子5的搅拌方向与生物填料支架的支柱24的偏转方向一致，搅拌磁子5的搅拌速率控制为50～100rpm。

Claims (6)

1.一种外置式甲烷无泡曝气生物膜反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集装置，其特征在于包括反应器主体（1）、甲烷无泡曝气膜组件（6）、控温系统（23）、搅拌系统（4）和液封装置（7）；反应器主体（1）具有反应器盖板（21）、反应容器（2）、生物填料（22）、出水生物量截留球（17）、循环液生物量截留球（12）和生物填料支架（3），反应器盖板（21）上穿有出水管（18）、排气管（19）、循环液出水管（13）和循环液进水管（16），生物填料支架的支撑板（25）将反应容器（2）分为生物填料区和完全混合区两部分，生物填料区内设有生物填料（22）、出水生物量截留球（17）和循环液生物量截留球（12），完全混合区设有生物填料支架的支柱（24）和搅拌磁子（5），其中循环液进水管（16）一端穿过反应器盖板（21）、生物填料（22）和生物填料支架的支撑板（25）与完全混合区相连，循环液进水管（16）另一端与甲烷无泡曝气膜组件（6）上部相连，出水生物量截留球（17）通过出水管（18）与出水泵（11）相连，循环液生物量截留球（12）通过循环液出水管（13）和循环泵（10）与甲烷无泡曝气膜组件（6）底部相连，排气管（19）与液封装置（7）相连，生物填料（22）由生物填料支架（3）支撑，甲烷无泡曝气膜组件（6）内设有中空纤维膜（20），甲烷无泡曝气膜组件（6）上端设有进气管（8）和进气泵（15），甲烷无泡曝气膜组件（6）底部设有进水管（14）和进水泵（9）。
2.根据权利要求1所述的一种外置式甲烷无泡曝气生物膜反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集装置，其特征在于：所述的反应器主体（1）为圆柱体，其高径比为1.5～2:1。
3.根据权利要求1所述的一种外置式甲烷无泡曝气生物膜反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集装置，其特征在于：所述的生物填料区与完全混合区的体积比为8～10:1。
4.根据权利要求1所述的一种外置式甲烷无泡曝气生物膜反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集装置，其特征在于：所述的甲烷无泡曝气膜组件（6）采用外置式，其与反应器主体（1）的体积比为1: 1.5～2。
5.根据权利要求1所述的一种外置式甲烷无泡曝气生物膜反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集装置，其特征在于：所述的生物填料支架的支柱（24）是长方体，其长边与生物填料支架的支撑板（25）的半径方向的偏角为50～70°，生物填料支架的支撑板（25）是穿有小孔的薄板，其小孔孔径为4～6mm。
6.一种使用如权利要求1所述装置的外置式甲烷无泡曝气生物膜反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集方法，其特征在于：反应器主体（1）内的培养液经循环液生物量截留球（12）截留下反硝化型甲烷厌氧氧化菌生物量后，通过循环液出水管（13）和循环泵（10）进入甲烷无泡曝气膜组件（6）的底部，并与通过进水泵（9）和进水管（14）进入甲烷无泡曝气膜组件（6）底部的新鲜培养液混合，混合液由下而上通过甲烷无泡曝气膜组件（6）内的中空纤维膜（20）的外部，甲烷气体通过进气泵（15）和进气管（8）进入中空纤维膜（20）的内部，经中空纤维膜（20）上的微孔快速溶解至混合液中，溶有甲烷的混合液通过循环液进水管（16）进入完全混合区，在搅拌磁子（5）的搅拌作用下与反应器主体（1）内的培养液进一步混合，并由反应器主体（1）的完全混合区向生物填料区流动，其中一部分通过循环液生物量截留球（12）进入循环液出水管（13）循环使用，另一部分通过出水生物量截留球（17）、出水管（18）和出水泵（11）排出，反应器主体（1）内析出的氮气和未反应的甲烷气体通过排气管（19）和液封装置（7）排出；当反应器主体（1）内生物量达到6～8gVSS/L后，打开反应器盖板（21），取出40～50%附着有生物量的生物填料（22），并补充等量新鲜的生物填料（22），盖上反应器盖板（21），重新开始新一轮富集培养；其中出水泵（11）控制的出水流量与进水泵（9）控制的进水流量相等，进水泵（9）控制的进水流量与循环泵（10）控制的循环液流量的比值为1: 10～20，进气泵（15）控制的进气流量与循环泵（10）控制的循环液流量的比值为1: 40～50，搅拌磁子（5）的搅拌方向与生物填料支架的支柱（24）的偏转方向一致，搅拌磁子（5）的搅拌速率控制为50～100rpm。
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