CN103112942B - 一种活沙制备装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水族箱水质净化技术领域，涉及一种活沙制备装置，反应容器底部制有曝气管，曝气管与反应容器外部的曝气泵管道式连接；反应容器左右两侧的内部上固定制有两个控温仪；反应容器内填有细沙，细沙的粒径为1～3mm，细沙的高度不超过反应容器高度的三分之二；反应容器中的海水的液面高过细沙的高度80～30cm；循环泵右侧靠近底部位置连通式制有进水管，反应容器的底端通过进水管与循环泵连通；循环泵上端连通式制有出水管，反应容器的顶端通过出水管与循环泵连通；其装置结构简单，使用安全，制备方法简便，原理可靠，成本低，缩短开缸时间，适用于海水水族箱（馆）和海水养殖系统的水质净化及开缸过程。
Description
技术领域：
本发明属于水族箱水质净化技术领域，涉及一种活沙制备装置，利用该装置制备的活沙能同时去除海水水族箱水体中氨和亚硝酸盐，实现水族箱和水产养殖系统硝化功能的快速启动。
背景技术：
在观赏水族中，海水观赏鱼由于色彩艳丽，形态多姿，在中高档的名贵观赏鱼中大受欢迎，但是由于海水观赏鱼养殖难度大、技术要求高，制约了其发展，其中水质净化技术至关重要。鱼类排泄\残饵、粪便分解产生的氨和亚硝酸盐是海水水族箱中的主要有毒物质，氨可以破坏鱼的鳃组织，使血液中红血球失去与氧结合的能力，呼吸机能下降，甚至失去活力；亚硝酸盐可使血红蛋白转化成高铁血红蛋白，使血液呈现褐色，成为“褐血病”。通常认为，一个正常的海水水族箱氨氮浓度应控制在0.1mg/L以下，亚硝酸氮浓度应控制在0.3mg/L以下。海水水族箱中氨和亚硝酸盐主要采用生物法去除，在处理过程中，氨氧化细菌（ammonium-oxidizing bacteria,AOB）将氨转化为亚硝酸盐，亚硝酸盐氧化细菌（Nitrite-oxidizing bacteria，NOB）则进一步将亚硝酸盐转化为硝酸盐，由于通过该过程中硝化细菌（AOB和NOB）能够将氨和亚硝酸盐转化为无毒性的硝酸盐，因此在海水水族箱水质净化中发挥关键作用。氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌属化能自养菌，利用氧化无机氮作为能量来源，具有生长繁殖速度慢、对环境因子变化敏感等特性，使之在与异养菌的竞争中处于劣势；另外海水中高氯含量能够抑制氨的氧化，对亚硝酸氮氧化的抑制作用更明显，从而大大延长了海水水族箱拥有完整硝化作用的时间。一般情况下，新海水水族箱中硝化功能建立需要40～80天才能完成。因此海水观赏鱼爱好者都要经历一个漫长的开缸过程，只有开缸过程完成后，才能往水族箱中投放观赏鱼。
开缸过程的本质是不同微生物类群（异养菌、氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌）由生态不平衡趋于生态平衡的过程，在该过程中，氨和亚硝酸盐含量会呈现规律性变化；首先，在新缸（池）水体和滤料上存在一定数量的异养菌、氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌，投加营养后，异养菌逐渐活跃起来，在吸收转化缸（池）内有机物同时，释放出氨，氨氧化细菌再将氨转化为亚硝酸盐。由于这两类细菌的繁殖速率相差极大，亚硝酸细菌一般世代时间为24～36小时，而异养菌仅约20分钟，因而使其初期在新缸（池）数量过于悬殊。随着异养菌繁殖，代谢物氨也不断增加，当氨含量超出氨氧化细菌吸收消耗范围之外，氨在水体中迅速累积下来，并逐渐升高达到峰值。其后，随着氨氧化细菌不断增值，数量越来越多，氨氧化作用逐渐增强，氨氮浓度开始逐渐下降，随之亚硝酸盐浓度开始逐渐升高，亚硝酸盐氧化细菌开始发挥作用。与氨氧化细菌相比，亚硝酸盐氧化细菌代时更长，因此亚硝酸盐的转化更为缓慢，导致亚硝酸盐逐渐积累并出现峰值，随着亚硝酸盐氧化细菌数量不断增加达到足以完全去除亚硝酸盐之后，海水水族箱才建立完善的硝化功能，即完成开缸过程。开缸过程中氨的峰值是由异养菌和氨氧化细菌数量不平衡造成的，亚硝酸盐的峰值则是由氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌数量不平衡造成的，并且氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌的数量直接决定了两个峰值的大小，只要新池（缸）中有足够的氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌存在且比例适当，氨和亚硝酸盐就不会出现积累。因此，海水水族箱中氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌存在其数量及比例，便成为缩短开缸过程的关键因素。
目前常用的加快硝化系统建立时间的方法包括利用旧滤材或滤砂移植硝化细菌、腐尸法和添加人造硝化细菌等，这些方法的原理主要是通过增加初始硝化细菌（氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌）数量或添加营养盐的方式来缩短开缸时间，但开缸过程还是要出现氨和亚硝酸盐两个峰值，时间仍要持续1周到数周。细沙是海水水族箱中常用滤料，可以添加在过滤器中或者作为底沙使用，除了良好的过滤性能外，还能起到装饰水族箱以及稳定海水pH值作用。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求提供一种活沙制备装置，通过该装置培养的活沙可以在短时间（1～2天）内建立海水水族箱的硝化功能，完成开缸过程。
为了实现上述目的，本发明的主体结构包括控温仪、循环泵、出水管、进水管、曝气泵、曝气管、海水、细沙和反应容器；箱式无盖结构的反应容器为PVC材料加工制成的方形盒体，或为人工建造的水泥池；反应容器底部制有曝气管，曝气管与反应容器外部的曝气泵管道式连接，曝气泵控制反应容器内的溶解氧含量；反应容器左右两侧的内部上固定制有两个控温仪，用来控制反应容器内的温度；反应容器内填有细沙，细沙的粒径为1～3mm，细沙采用海水水族箱中常用的珊瑚砂或菲律宾砂或两种组合，细沙的高度不超过反应容器高度的三分之二；反应容器中的海水为天然海水或人工海水，海水的液面高过细沙的高度30cm；循环泵右侧靠近底部位置连通式制有进水管，反应容器的底端通过进水管与循环泵连通；循环泵上端连通式制有出水管，反应容器的顶端通过出水管与循环泵连通，实现反应容器内海水的循环使用。
本发明使用时，利用细沙作为微生物附着生长的载体，通过调控培养过程中铵盐和亚硝酸盐的添加次序、添加量和培养条件，使其附着较大数量且比例适当的氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌，使细沙同时具有将氨转化为亚硝酸盐，然后进一步转化为硝酸盐的功能，细沙应用于水族箱后能同时快速去除水体中氨和亚硝酸盐，从而使开缸过程中不会出现氨和亚硝酸盐积累，实现水族箱硝化功能的快速启动；具体包括如下步骤：
（1）、在反应容器中加入细沙，细沙的高度不超过反应容器高度的三分之二，然后加入海水，海水的液面高过细沙30cm，按0.2～0.4‰（V/V）比例加入微量元素液备用；微量元素液由硫酸锌（ZnSO4·7H2O）0.287mg、硫酸铜（CuSO4·5H2O）7.5mg、氯化锰（MnCl2·4H2O）14.85mg、柠檬酸铁（FeC6H5O7·5H2O）3.9g、钼酸钠（NaMoO4·5H2O）6.8mg、乙二胺四乙酸钠2.4mg、六水氯化钴（CoCl2·6H2O）12mg和硫酸镍(NiSO4·6H2O)2.4mg溶解于1000ml蒸馏水中配制而成；
（2）、启动曝气泵和控温仪，控制反应容器内的温度为25～35℃，pH值为8.0～8.5，溶解氧含量为2.5～6.0mg/L，向反应容器中加入亚硝酸盐试剂，使亚硝酸盐氮含量为100～200mg/L；开启循环泵并定期监测反应容器内溶解氧含量、pH值和亚硝酸盐氮含量的变化；亚硝酸盐氮含量低于10mg/L时，重新加入亚硝酸盐试剂，使亚硝酸盐氮含量为100～200mg/L；重复4～6次，待亚硝酸盐氮的去除效果为24h去除100mg/L以上时，停止加入亚硝酸盐试剂；加入的亚硝酸盐试剂为亚硝酸钠或亚硝酸钾；
（3）、再向反应容器中加入铵盐试剂，使氨氮含量为50～100mg/L；定期监测反应容器内溶解氧含量、pH值、氨氮和亚硝酸盐氮含量的变化；检测不出氨氮并且亚硝酸盐氮含量低于10mg/L时，重新加入铵盐试剂，使氨氮含量为50～100mg/L；重复2～4次，在24h内能将50mg/L氨氮转化为亚硝酸盐氮，并且进一步转化为硝酸盐氮，亚硝酸盐氮含量不高于5mg/L时，停止加入铵盐试剂；加入的铵盐试剂为氯化铵、硫酸铵或碳酸铵；
（4）、再次向反应容器中加入亚硝酸盐试剂，使亚硝酸盐氮含量为100～200mg/L；至亚硝酸盐氮含量低于10mg/L时，重新加入亚硝酸盐试剂，重复2～4次，完成细沙的培养过程，制备成活沙产品。
本发明初次培养活沙时，为加快培养速度，反应装置中加入市售硝化细菌菌液5～10%（V/V）；再次培养时，利用已培养好的活沙作为硝化细菌的种子，在向反应容器中加入细沙之前，先在反应容器底部铺一层培养好的活沙，每铺10～20cm细沙，铺一层培养好的活沙，活沙添加量控制在10～20%（V/V）；硝化作用是产酸过程，活沙培养过程中pH下降，通过加碱调整pH，碱采用20%（W/V）氢氧化钠或碳酸钠的水溶液；培养过程中随着硝化细菌数量增加，会导致培养装置中溶解氧含量发生变化，通过改变曝气量进行调整溶解氧含量。
本发明制备的活沙能够直接使用，或将培养好的活沙从反应容器中取出，移至塑料桶或塑料袋中，加入灭菌人工海水至浸没，然后密封备用，活性保持8～12个月。
本发明与现有技术相比，其使用的装置结构简单，使用安全，制备方法简便，原理可靠，成本低，缩短开缸时间，适用于海水水族箱（馆）和海水养殖系统的水质净化及开缸过程。
附图说明：
图1为本发明装置的主体结构原理示意图。
图2为本发明制备的活沙硝化菌群FISH照片，其中，图（a）和图（c）为全菌FISH照片，图（b）为氨氧化细菌FISH照片，图（d）为亚硝酸盐氧化细菌FISH照片。
图3为不同方法开缸过程中氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮变化情况，其中图（a）为本发明制备的活沙开缸过程中氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮变化情况，图（b）为腐尸法开缸过程中氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮变化情况，图（c）为对照组氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮变化情况。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
本实施例在活沙制备装置中完成，利用细沙作为微生物附着生长的载体，通过调控培养过程中铵盐和亚硝酸盐的添加次序、添加量和培养条件，使其附着较大数量且比例适当的氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌，使细沙同时具有将氨转化为亚硝酸盐，然后进一步转化为硝酸盐的功能，细沙应用于水族箱后能同时快速去除水体中氨和亚硝酸盐，从而使开缸过程中不会出现氨和亚硝酸盐积累，实现水族箱硝化功能的快速启动；具体包括如下步骤：
（1）、在反应容器9中加入细沙8，细沙8的高度不超过反应容器9高度的三分之二，然后加入海水7，海水7的液面高过细沙830cm，按0.2～0.4‰（V/V）比例加入微量元素液备用；微量元素液由硫酸锌（ZnSO4·7H2O）0.287mg、硫酸铜（CuSO4·5H2O）7.5mg、氯化锰（MnCl2·4H2O）14.85mg、柠檬酸铁（FeC6H5O7·5H2O）3.9g、钼酸钠（NaMoO4·5H2O）6.8mg、乙二胺四乙酸钠2.4mg、六水氯化钴（CoCl2·6H2O）12mg和硫酸镍(NiSO4·6H2O)2.4mg溶解于1000ml蒸馏水中配制而成；
（2）、启动曝气泵5和控温仪1，控制反应容器9内的温度为25～35℃，pH值为8.0～8.5，溶解氧含量为2.5～6.0mg/L，向反应容器9中加入亚硝酸盐试剂，使亚硝酸盐氮含量为100～200mg/L；开启循环泵2并定期监测反应容器9内溶解氧含量、pH值和亚硝酸盐氮含量的变化；亚硝酸盐氮含量低于10mg/L时，重新加入亚硝酸盐试剂，使亚硝酸盐氮含量为100～200mg/L；重复4～6次，待亚硝酸盐氮的去除效果为24h去除100mg/L以上时，停止加入亚硝酸盐试剂；加入的亚硝酸盐试剂为亚硝酸钠或亚硝酸钾；
（3）、再向反应容器9中加入铵盐试剂，使氨氮含量为50～100mg/L；定期监测反应容器9内溶解氧含量、pH值、氨氮和亚硝酸盐氮含量的变化；检测不出氨氮并且亚硝酸盐氮含量低于10mg/L时，重新加入铵盐试剂，使氨氮含量为50～100mg/L；重复2～4次，在24h内能将50mg/L氨氮转化为亚硝酸盐氮，并且进一步转化为硝酸盐氮，亚硝酸盐氮含量不高于5mg/L时，停止加入铵盐试剂；加入的铵盐试剂为氯化铵、硫酸铵或碳酸铵；
（4）、再次向反应容器9中加入亚硝酸盐试剂，使亚硝酸盐氮含量为100～200mg/L；至亚硝酸盐氮含量低于10mg/L时，重新加入亚硝酸盐试剂，重复2～4次，完成细沙的培养过程，制备成活沙产品。
本实施例涉及的活沙制备装置的主体结构包括控温仪1、循环泵2、出水管3、进水管4、曝气泵5、曝气管6、海水7、细沙8和反应容器9；箱式无盖结构的反应容器9为PVC材料加工制成的方形盒体，或为人工建造的水泥池；反应容器9底部制有曝气管6，曝气管6与反应容器9外部的曝气泵5管道式连接，曝气泵5控制反应容器9内的溶解氧含量；反应容器9左右两侧的内部上固定制有两个控温仪1，用来控制反应容器9内的温度；反应容器9内填有细沙8，细沙8的粒径为1～3mm，细沙8采用海水水族箱中常用的珊瑚砂或菲律宾砂或两种组合，细沙8的高度不超过反应容器9高度的三分之二；反应容器9中的海水7为天然海水或人工海水，海水7的液面高过细沙8的高度30cm；循环泵2右侧靠近底部位置连通式制有进水管4，反应容器9的底端通过进水管4与循环泵2连通；循环泵2上端连通式制有出水管3，反应容器9的顶端通过出水管3与循环泵2连通，实现反应容器9内海水7的循环使用。
实施例1：
本实施例采用荧光原位杂交技术（FISH）对利用该方法培养的9个样品活沙中氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌数量进行分析，全菌采用EUBmix探针，FITC荧光标记，氨氧化细菌采用NSO1225探针，Cyts荧光标记，亚硝酸盐氧化细菌采用NIT3探针，Cyts荧光标记，结果如图2和表1所示；从表中可以看出，氨氧化细菌（AOB）平均含量为38.7%，亚硝酸盐氧化细菌（NOB）平均含量为62.9%，亚硝酸盐氧化细菌数量明显多于氨氧化细菌数量，本实施例能调控氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌的比例，使在开缸过程中不会出现亚硝酸盐峰值或只出现较低峰值，从而缩短开缸时间。
表1：活沙中氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌FISH检测结果
实施例2：
本实施例用3个小型海水水族箱进行对比试验，水族箱由超白玻璃制成，尺寸为400×300×300mm，玻璃厚度为8mm；水族箱1#采用本实施例培养的活沙进行开缸，缸底铺用菲律宾砂制备的活沙，厚度为5cm；水族箱3#为对照组，不加活沙和死鱼，缸底铺菲律宾砂，厚度为5cm；然后3个水族箱都加入配制的人工海水30L，用加热棒控制温度28℃，曝气泵曝气，3个缸都加入2克颗粒饵料作为营养源；定期检测水族箱氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的指标，实验过程中各指标的变化情况见图3；从图中可以看出，采用活沙法开缸，只有在第2天检测出氨氮（0.2mg/L），其余时间都未检出氨氮和亚硝酸盐盐氮，但是硝酸盐氮始终升高，说明存在硝化过程，可以在2天左右时间完成开缸过程；腐尸法开缸氨氮在第6天出现峰值，亚硝酸盐氮第10天出现峰值，第21天亚硝酸盐氮开始检测不出，开缸大约需要20天左右时间；对照组氨氮在第10天出现峰值，亚硝酸盐氮第22天出现峰值，第42天亚硝酸盐氮开始检测不出，开缸需要40多天，明显慢于活沙法和腐尸法。
Claims (1)
1.一种活沙制备装置，其特征在于主体结构包括控温仪、循环泵、出水管、进水管、曝气泵、曝气管、海水、细沙和反应容器；箱式无盖结构的反应容器为PVC材料加工制成的方形盒体，或为人工建造的水泥池；反应容器底部制有曝气管，曝气管与反应容器外部的曝气泵管道式连接，曝气泵控制反应容器内的溶解氧含量；反应容器左右两侧的内部上固定制有两个控温仪，用来控制反应容器内的温度；反应容器内填有细沙，细沙的粒径为1～3mm，细沙采用海水水族箱中常用的珊瑚砂或菲律宾砂或两种组合，细沙的高度不超过反应容器高度的三分之二；反应容器中的海水为天然海水或人工海水，海水的液面高过细沙的高度30cm；循环泵右侧靠近底部位置连通式制有进水管，反应容器的底端通过进水管与循环泵连通；循环泵上端连通式制有出水管，反应容器的顶端通过出水管与循环泵连通，实现反应容器内海水的循环使用；使用时，利用细沙作为微生物附着生长的载体，通过调控培养过程中铵盐和亚硝酸盐的添加次序、添加量和培养条件，使其附着较大数量且比例适当的氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌，使细沙同时具有将氨转化为亚硝酸盐，然后进一步转化为硝酸盐的功能，细沙应用于水族箱后能同时快速去除水体中氨和亚硝酸盐，从而使开缸过程中不会出现氨和亚硝酸盐积累，实现水族箱硝化功能的快速启动；具体包括如下步骤：
（1）、在反应容器中加入细沙，细沙的高度不超过反应容器高度的三分之二，然后加入海水，海水的液面高过细沙30cm，按0.2～0.4‰的体积比加入微量元素液备用；微量元素液由硫酸锌0.287mg、硫酸铜7.5mg、氯化锰14.85mg、柠檬酸铁3.9g、钼酸钠6.8mg、乙二胺四乙酸钠2.4mg、六水氯化钴12mg和硫酸镍2.4mg溶解于1000ml蒸馏水中配制而成；
（2）、启动曝气泵和控温仪，控制反应容器内的温度为25～35℃，pH值为8.0～8.5，溶解氧含量为2.5～6.0mg/L，向反应容器中加入亚硝酸盐试剂，使亚硝酸盐氮含量为100～200mg/L；开启循环泵并定期监测反应容器内溶解氧含量、pH值和亚硝酸盐氮含量的变化；亚硝酸盐氮含量低于10mg/L时，重新加入亚硝酸盐试剂，使亚硝酸盐氮含量为100～200mg/L；重复4～6次，待亚硝酸盐氮的去除效果为24h去除100mg/L以上时，停止加入亚硝酸盐试剂；加入的亚硝酸盐试剂为亚硝酸钠或亚硝酸钾；
（3）、再向反应容器中加入铵盐试剂，使氨氮含量为50～100mg/L；定期监测反应容器内溶解氧含量、pH值、氨氮和亚硝酸盐氮含量的变化；检测不出氨氮并且亚硝酸盐氮含量低于10mg/L时，重新加入铵盐试剂，使氨氮含量为50～100mg/L；重复2～4次，在24h内能将50mg/L氨氮转化为亚硝酸盐氮，并且进一步转化为硝酸盐氮，亚硝酸盐氮含量不高于5mg/L时，停止加入铵盐试剂；加入的铵盐试剂为氯化铵、硫酸铵或碳酸铵；
（4）、再次向反应容器中加入亚硝酸盐试剂，使亚硝酸盐氮含量为100～200mg/L；至亚硝酸盐氮含量低于10mg/L时，重新加入亚硝酸盐试剂，重复2～4次，完成细沙的培养过程，制备成活沙产品。
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