CN103910436A - 富集培养产超广谱β-内酰胺酶耐热性菌群的多级环流膜生物反应装置 - Google Patents

Abstract

一种富集培养产超广谱β-内酰胺酶耐热性菌群的多级环流膜生物反应装置，其主要是：该装置外壳设有与原水箱相连的进水口及与药剂箱相连的通孔，外壳底部设有与空气泵相连的曝气头，在外壳的底板上分别设有排泥管和放空管。在外壳内设有筒壁上设通孔的导流筒，在导流筒内设有膜组件，该膜组件集水管与清水蓄水池相连。清水蓄水池又与反冲洗泵及膜组件出水管路相连。在上述外壳内分别设有温度控制设备和在线监测设备，上述各部件均通过控制线路与PLC中央控制系统相连。本发明可以完全实现自动化控制，不仅节省大量能源，而且又能满足富集培养产ESBLs耐热性菌群的最佳浓度、水温和pH值，解决含抗生素废水处理难和处理效果差的问题。

Description

富集培养产超广谱β-内酰胺酶耐热性菌群的多级环流膜生物反应装置

技术领域

本发明涉一种污水处理装置。 

背景技术

抗生素广泛用于人类和动物(畜禽/鱼)的疾病防治或动物的促进生长。然而，长期过量使用或滥用抗生素会对环境和人类健康构成巨大的潜在威胁，这是因为大部分的抗生素以原药及其代谢产物的方式随人、畜禽和鱼的排泄物最终进入自然环境，导致细菌耐药性增强，甚至出现超级细菌，严重威胁人类健康。近年我国医院临床分离的细菌耐药性有明显增长趋势。β-内酰胺类抗生素是一类抗菌能力很强的抗生素，因其具有毒副作用低、抗菌效率高等特点而广泛应用于临床治疗中。细菌为了能在抗生素类药物存在的环境中继续生长和繁殖，启动自身的调节机制，来适应和抵抗抗生素类药物的毒害作用，即对抗生素产生耐药性。微生物对抗生素的耐药机制包括外膜屏障、靶位改变、灭活酶的产生及药物主动外排等，其中大多数微生物对β-内酰胺类抗生素产生耐药性的重要原因是合成β-内酰胺酶，尤其是第三代头孢菌素应用于临床后，细菌诱导合成了超广谱β-内酰胺酶(ESBLs)和AmpC酶，导致耐药性的进一步增强。伴随β-内酰胺类抗生素使用范围的扩大，细菌也通过合成β-内酰胺酶而对其产生耐药性，严重影响了β-内酰胺类抗生素的临床疗效。ESBLs是能催化微生物水解6-氨基青霉烷酸(6-APA)、7-氨基头孢烷酸(7-ACA)及其N-酰基衍生物中β-内酰胺环上酰胺键以及第三代头孢菌素如头孢曲松、头孢他啶等的霉，受ESBLs酶抑制剂如克拉维酸抑制的酶。产生ESBLs酶的主要菌类为肺炎克雷伯菌和大肠埃希菌。合成ESBLs是制药废水中活性污泥对抗β-内酰胺类抗生素从而达到降解制药废水中污染物的主要作用机制。所以在实际的工程应用中开发一套不仅仅能够处理污水还能在污水处理过程中富集培养出产ESBLs耐热性菌群的污水处理反应装置对于制药废水和医院污水的处理是迫在眉睫的事情。 

起源于上世纪60年代末的膜生物反应MBR技术，首先引起美国科技人员的注意并将其应用于去除废水中残留的头抱类抗生素药品，以消除此类痕量有机物对环境的影响。Munir等2011年在水处理领域国际权威杂志《Water Research》上发表的一篇名为《Release of antibiotic resistant bacteria and genes in the effluent and bio-solids of five wastewater utilities in Michigan》的文章中比较了膜生物反应器和传统活性污泥法对耐药菌与抗性基因的去除效果，结果表明，MBR具有显著的耐药菌与抗性基因的去除效果 (2.57～7.06log单位)，远远要优于传统活性污泥工艺(2.37～4.56log单位)。鲁南,普红平在一篇名为《膜生物反应器处理抗生素废水》的研究中介绍了将一体式中空纤维膜生物反应器处理四川省某青霉素制药厂的抗生素废水，研究中获得了较好的效果，MBR对于COD的去除率为98%，对氨氮的去除率为87%。 

虽然不少的研究中将膜生物反应器应用于处理含有抗生素的废水处理并取得较好实际运行效果，但是普通的MBR装置具有容易产生膜污染、运行能耗较高、固液气三相不能完全混合、反应器内存在着“死角”、微生物生长条件恶劣等一系列缺点，而且不能为微生物提供较好的生长繁殖条件，更别说富集培养特定的微生物种群。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种膜无污染、运行能耗较低、固液气三相可完全混合、微生物生长条件良好的富集培养产超广谱β-内酰胺酶(ESBLs)耐热性菌群的多级环流膜生物反应装置。本发明主要是将环流反应机构和污水处理的膜生物反应装置(MBR)结合在一起形成多级环流MBR，使得其内部的气体、液体和固体形成良好的多级环流，并通过对其内部条件的控制使得多级环流MBR装置内产生适合微生物生长的良好环境。 

本发明具体内容如下： 

本发明装置主体有一个上下两端封闭的圆筒形外壳，最好外壳高度与直径比3-5。在该外壳上部设有进水口，其通过进水管路及管路上所设的进水流量计、进水泵及电磁阀与原水箱相连。最好在外壳上部设有溢流管。另在外壳顶板上还设有通孔，其通过带阀的加药管与药剂箱相连，通过药剂箱施加的药品及数量控制反应器中特征污染物的浓度，使得装置在不同的特征污染物的浓度条件下运行，进而对产ESBLs耐热性菌群的富集培养提供良好的污染物浓度条件；通过药剂箱还可以控制反应器中的pH值，为产ESBLs耐热性菌群的富集培养提供适宜的pH值条件。外壳底部设有若干曝气头，最好曝气头上设有微孔分布器，该曝气头通过带电磁阀的管路与空气泵相连。在上述外壳的底板上分别设有带电磁阀的排泥管和放空管。在外壳内底部设有支架，在支架上设有导流筒，其为反应器的升流区，该圆筒形导流筒筒壁与外壳筒壁有一定间隙，其为反应器的降流区，该导流筒壁上设有若干通孔，最好导流筒壁上设有三段孔区，每段孔区有三排直径为1cm的小孔。升降流区面积比为1.0-1.5。在导流筒内设有膜组件，最好采用改性亲水性聚丙烯微孔膜，该膜组件是由若干中空纤维管组成的片状结构，该中空纤维管两端与两竖直水管相连，该两竖直水管上端分别与水平的集水管两端相连，该集水管通过出水管路及管路上所设的出水流量计、出水泵、真空表及电磁阀与清水蓄水池相连。 最好清水蓄水池设另一个出水口，该另一个出水口通过设有电磁阀的管路与反冲洗泵进口相连，反冲洗泵出口与膜组件出水管路相连。通过自动控制系统的调节对膜组件形成一定程度的冲刷作用，缓解膜污染的发生，提高系统的整体运行效率。最好导流筒底部也设有曝气头，其也通过带电磁阀的管路与空气泵相连，在气含率差作用下，形成气液两相的整体循环流动，并带动反应器底部的污泥在反应器中循环，促进反应器底部污泥与污水和气泡的进一步的结合，优化了污泥内微生物的生长条件。在上述外壳与导流筒之间分别设有温度控制设备和在线监测设备，该温度控制设备可将水温控制在适宜产ESBLs耐热性菌群生长的最佳温度，以更好的富集培养出产ESBLs耐热性菌群；同时通过对温度进行控制，进而筛选与富集培养出耐高温甚至是超高温的菌群。上述在线监测设备能够及时、准确、完整地监测运行所涉及的大部分参数和水质参数，其中包括反应器内温度、溶解氧浓度、pH值、液位、COD、BOD、OUR、SOUR、MLSS等指标。上述的水泵、气泵、在线监测设备、温控设备、药剂箱及电磁阀均通过控制线路与PLC中央控制系统相连，本发明可以完全实现自动化控制，不需要或很少需要人工操作。 

本发明与现有技术相比具有如下优点： 

1、本发明的富集培养产ESBLs耐热性菌群多级环流MBR装置是完全的自动控制自适应自调节膜生物反应装置。装置中安装有灵敏度最高的、监测项目最全的、监测数据最准的在线监测设备，便于自动控制的进出水泵，能够调节任意流量的电磁阀，能够根据反应条件的需要而进行控制的温度控制设备，能够实现自动控制的药剂控制设备等。这些设备都与PLC控制系统相连，因此本发明可以完全实现自动化控制，不需要或很少需要人工操作，这样更有利于工程运用，解决了现有的膜生物反应装置自动控制不好的局面。 

2、本发明中的在线监测设备将监测到的反应器内的水质参数和运行参数值传递到PLC控制系统中，PLC控制系统利用已经编好的程序并结合监测到的数据进行分析运算，然后以指令形式传递到下行机，进而对阀门的开闭、泵的运行与开启进行控制和调节以达到对反应器内的环境和可控制的参数进行实时有效的控制，不仅节省大量能源，而且又能满足富集培养产ESBLs耐热性菌群的最佳浓度、水温和pH值，以更好地富集培养出产ESBLs耐热性菌群。 

3、反应器内的导流筒为本发明的主要部件之一，其内的水力循环条件比现有的膜生物反应装置更具有优势，反应器内的流体围绕着反应器内筒的两侧进行快速的环流运动，使得气泡在反应器内具有较长的运动轨迹；较长的运动轨迹使得气体更容易溶于液 体之中。多级环流和单级环流相比使得气-污水-微生物絮凝体混合良好，气泡在反应器内分布比较均匀，在整个反应器内不会存在曝气或污泥“死区”，而且气泡在下降段分布均匀，完全解决了单级环流反应器环隙上部气含率较大、下部较小的问题，这样就不会存在传统膜生物反应装置上部曝气过量，下部曝气不足，严重时甚至会发生上部微生物由于氧含量过高而自身氧化分解，而下部由于供氧不足导致污泥厌氧消化。 

4、多级环流条件使得反应器内的污水在整个反应器内得到完全充分的循环，这样会使新进入反应器的污水迅速与反应器中原有污水达到完全混合状态，多级环流条件避免现有的膜生物反应装置中部分污水进入反应器后“停滞”在某个区域，未与反应器中的污泥完全反应混合而直接被排除反应器。 

5、富集培养产ESBLs耐热性菌群多级环流MBR装置产生多级环流效应，其结构简单，传质性能好，能耗较低，易于工程放大。不仅仅可以用来富集培养产ESBLs耐热性菌群，也可以用于处理含有抗生素的制药废水和医院的医疗废水等，解决含抗生素废水处理难和处理效果差的问题。 

附图说明

图1为本发明主视立体示意简图。 

图2为图1中导流筒主视示意简图。 

图中：1.原水箱，2.电磁阀，3.进水泵，4.进水流量计，5.真空压力表，6.溢流管，7.膜组件，8.外壳，9.导流筒，10.曝气装置，11.污泥排放管，12.放空管，13.取样口，14.空气泵，15.出水泵，16.蓄水池，17.出水流量计，18.孔区，19.支架，20.高低液位计，21.气泡，22.反冲洗泵，23.药剂箱，24.温度控制仪。 

具体实施方式

例1 

在图1所示的富集培养产超广谱β-内酰胺酶耐热性菌群的多级环流膜生物反应装置的主视立体示意简图中，装置主体有一个上下两端封闭的圆筒形外壳，在该外壳上部设有进水口，其通过进水管路及管路上所设的进水流量计、进水泵及电磁阀与原水箱相连。在外壳上部设有溢流管。另在外壳顶板上还设有通孔，其通过带阀的加药管与药剂箱相连。外壳底部设有两个曝气头，每个曝气头上设有微孔分布器，该曝气头通过带电磁阀的管路与空气泵相连。在上述外壳的底板上分别设有带电磁阀的排泥管和放空管。在外壳内底部设有支架，在支架上设有导流筒，该圆筒形导流筒筒壁与外壳筒壁有一定间隙， 该导流筒壁上设有三段孔区，每段孔区有三排直径为1cm的小孔。在导流筒内设有改性亲水性聚丙烯微孔膜组件，该膜组件是由若干中空纤维管组成的片状结构，该中空纤维管两端与两竖直水管相连，该两竖直水管上端分别与水平的集水管两端相连，该集水管通过出水管路及管路上所设的出水流量计、出水泵、真空表及电磁阀与清水蓄水池相连。清水蓄水池设另一个出水口，该另一个出水口通过设有电磁阀的管路与反冲洗泵进口相连，反冲洗泵出口与膜组件出水管路相连。导流筒底部也设有曝气头，其也通过带电磁阀的管路与空气泵相连。在上述外壳与导流筒之间分别设有温度控制设备和在线监测设备，上述的水泵、气泵、在线监测设备、温控设备、药剂箱及电磁阀均通过控制线路与PLC中央控制系统相连。 

例2 

结合图1和图2对本发明作进一步说明：本发明的生物反应装置外壳(8)高220cm，直径90cm，生物反应装置外壳的进水口设在外壳(8)离上弦口20cm处，高低液位计(20)的高液位点位于外壳(8)上弦口30cm处，高低液位计(20)的低液位点与导流筒上弦平行，生物反应装置导流筒支架(19)高20cm，导流筒(9)高160cm，直径为57cm，导流筒直径/外壳直径=0.761，导流筒共分4级；导流筒内最低环流液速为0.3m/s，正常环流液速为0.45m/s，环隙最大气含率0.12，最小气含率0.04，考虑到导流筒底部有一定高度的射流区，按计算值的120%，所以第一开孔处距导流筒(9)的底端为66cm；在此高度下，开有三排直径为1cm的小孔。第二开孔处距外壳(8)底端为100cm，在此高度下，开有三排直径为1cm的小孔，第三开孔处距导流筒(9)底端为130cm，在此高度下，开有三排直径为1cm的小孔。在此开孔率及反应器的设计情况下四个多级环流段的含气率都控制在0.04～0.12，四个环流段的环液流速都控制在0.3m/s～0.45m/s。 

本发明的工作过程大致如下：原水由进水泵(3)从原水箱(1)中吸入到进水管路中，从进水管中进入到反应器外壳(8)和导流筒(9)之间的缓冲区内，在反应器内与外壳底部的微生物等发生复杂的生化过程，并且在反应器外壳(8)与导流筒(9)之间不断地进行多级环流水力循环。经过一定的HRT（水力停留时间）后，由出水泵(15)抽吸到蓄水池(16)中，随着运行时间的增加，由于微生物的附着、微生物代谢物的附着以及污水中难溶性颗粒物的附着作用将会导致膜堵塞，造成膜通量下降，也就是所谓的“膜污染”，具体表现就是出水量下降、膜和泵间的压力增大，在本发明中真空压力表(5)会将其示数传递至PLC控制系统，当示数超过PLC控制系统的设定值时，启动反冲洗泵(22)进行反冲洗。在反冲洗过程中，停止出水泵(15)，启动反冲洗泵(22)，蓄水池(16)中的清水由反冲洗泵 (22)抽吸至反应器内，清洗膜组件(7)。当真空压力表(5)的示数降至PLC控制系统设定的停止反冲洗值时，即膜通量恢复至反冲洗前的95%时，停止反冲洗流程。 

当反应器内的DO浓度低于目前系统所要求的适宜DO浓度时，PLC控制系统将控制曝气量的电磁阀(2)调大，当反应器的DO浓度高于目前系统所要求的适宜DO浓度时，PLC控制系统将控制曝气量的电磁阀(2)调小。当反应器中的特征污染物浓度低于富集培养产ESBLs耐热性菌群的最佳浓度时，开启药剂箱电磁阀(2)，使反应器内的特征污染物浓度满足富集培养产ESBLs耐热性菌群的最佳浓度；当应器中的特征污染物浓度高于富集培养产ESBLs耐热性菌群的最佳浓度时，开启进水泵(3)，注入一定量含有特征污染物浓度较低的原水稀释反应器中特征污染物浓度。当反应器中的pH值过高时，PLC控制系统开启药剂箱电磁阀(2)，药剂箱释放一定量的酸，以降低反应器中的pH值至最佳pH，当反应器中的pH值过低时，PLC控制系统开启药剂箱电磁阀(2)，药剂箱释放一定量的碱，以升高反应器中的pH值至最佳pH。PLC控制系统控制温度控制仪将水温控制在适宜产ESBLs耐热性菌群生长的最佳温度，以更好的富集培养出产ESBLs耐热性菌群。当在线监测设备(20)监测到的反应器内液面位置低于PLC控制系统内部设置的最低液位点时，PLC控制系统启动出水泵(3)，出水箱(1)中的原水进入反应器中，当进水至反应器中的液面高于PLC控制系统内部设置的最高液位时，停止进水泵(3)。PLC控制系统根据内部的设定程序，在系统需要时将污泥排放管(11)的电磁阀进行打开，进行排泥，当排泥量达到一定时，关闭阀门。 

Claims (8)

1.一种富集培养产超广谱β-内酰胺酶耐热性菌群的多级环流膜生物反应装置，其特征在于：该装置有一个上下两端封闭的圆筒形外壳，在该外壳上部设有进水口，其通过进水管路及管路上所设的进水流量计、进水泵及电磁阀与原水箱相连，在外壳顶板上还设有通孔，其通过带阀的加药管与药剂箱相连，外壳底部设有曝气头，该曝气头通过带电磁阀的管路与空气泵相连，在上述外壳的底板上分别设有带电磁阀的排泥管和放空管，在外壳内底部设有支架，在支架上设有导流筒，该圆筒形导流筒筒壁与外壳筒壁有一定间隙，该导流筒壁上设有通孔，在导流筒内设有膜组件，该膜组件是由中空纤维管组成的片状结构，该中空纤维管两端与两竖直水管相连，该两竖直水管上端分别与水平的集水管两端相连，该集水管通过出水管路及管路上所设的出水流量计、出水泵、真空表及电磁阀与清水蓄水池相连，清水蓄水池设另一个出水口，该另一个出水口通过设有电磁阀的管路与反冲洗泵进口相连，反冲洗泵出口与膜组件出水管路相连，在上述外壳与导流筒之间分别设有温度控制设备和在线监测设备，上述的水泵、气泵、在线监测设备、温控设备、药剂箱及电磁阀均通过控制线路与PLC中央控制系统相连。

2.根据权利要求1所述的富集培养产超广谱β-内酰胺酶耐热性菌群的多级环流膜生物反应装置，其特征在于：在外壳上部设有溢流管。

3.根据权利要求1或2所述的富集培养产超广谱β-内酰胺酶耐热性菌群的多级环流膜生物反应装置，其特征在于：导流筒底部设有曝气头，其通过带电磁阀的管路与空气泵相连。

4.根据权利要求3所述的富集培养产超广谱β-内酰胺酶耐热性菌群的多级环流膜生物反应装置，其特征在于：膜组件采用改性亲水性聚丙烯微孔膜。

5.根据权利要求4所述的富集培养产超广谱β-内酰胺酶耐热性菌群的多级环流膜生物反应装置，其特征在于：曝气头上设有微孔分布器。

6.根据权利要求5所述的富集培养产超广谱β-内酰胺酶耐热性菌群的多级环流膜生物反应装置，其特征在于：导流筒壁上设有三段孔区，每段孔区有三排直径为1cm的小孔。

7.根据权利要求6所述的富集培养产超广谱β-内酰胺酶耐热性菌群的多级环流膜生物反应装置，其特征在于：外壳高度与直径比3-5。

8.根据权利要求7所述的富集培养产超广谱β-内酰胺酶耐热性菌群的多级环流膜生物反应装置，其特征在于：升降流区面积比为1.0-1.5。