CN104556410A - 溶解氧自动化控制的海洋氨氧化古菌富集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种溶解氧自动化控制的海洋氨氧化古菌富集装置。它包括反应器、进水器、低温水浴锅和控制柜，其中反应器主体为漏斗形罐体，漏斗形罐体上端设有反应器气压平衡口和反应器DO探头，下端设有反应器进水口，外侧设有控温夹套，进水器分为配水区、增氧区、沉淀区和排水区四部分，配水区设有进水器DO探头、补料管和进水器出水口，增氧区设有曝气盘，沉淀区设有进水器进水管，排水区设有进水器出气口和进水器排水口。本发明可为海洋氨氧化古菌提供生长所必需的低温、低溶解氧、低剪切力和高盐度的环境，通过溶解氧探头、空气泵和氮气钢瓶控制反应器进水溶解氧在较低水平，从而实现海洋氨氧化古菌的有效富集，获得高纯的富集培养物。

Description

溶解氧自动化控制的海洋氨氧化古菌富集装置

技术领域

本发明涉及一种溶解氧自动化控制的海洋氨氧化古菌富集装置。

背景技术

硝化-反硝化生物脱氮是废水脱氮最常用的技术之一，氨氧化过程是硝化过程的关键步骤和限速步骤。长期以来，氨氧化细菌被认为是氨氧化过程的主要承担者，但最近，研究者发现氨氧化古菌也是氨氧化过程的承担者，由于氨氧化古菌有着独特的生理生化特性和工程应用价值，已受到广泛的关注。

氨氧化细菌是废水处理系统中常见的微生物，但易受环境条件的影响，这限制了短程硝化工艺的应用。然而，氨氧化古菌具有较宽的环境耐受范围，对氨氮的亲和力远高于氨氧化细菌，其亲和力常数为0.13～2.0μM；对氧气的亲和力也远高于氨氧化细菌，在溶解氧1～2mg/L的条件下便可正常生长；对低pH的耐受性也远强于氨氧化细菌，氨氧化古菌能够在pH为4.5的条件下正常进行氨氧化，而氨氧化细菌只要pH低于6.5就无法正常生长；对温度的适应性也远强于氨氧化细菌，氨氧化古菌可以在2～80 ^oC条件下正常生长，而氨氧化细菌的生长温度范围较窄。此外，在海洋生境中发现了大量的氨氧化古菌，说明氨氧化古菌对盐度有很强的耐受性。以上这些特性，使得氨氧化古菌在废水深度处理、酸性废水生物脱氮、高温/低温废水生物脱氮以及高盐废水生物脱氮等方面具有显著的优势。

据报道，在海洋环境中，氨氧化古菌可以占到微生物总数的20%，在海洋的氮循环中必定起着重要作用，研究海洋氨氧化古菌对微生物研究、地球化学研究、生态研究和工程研究都有着重要意义。然而，氨氧化古菌生长缓慢，受剪切力影响大，富集培养中来自氨氧化细菌的竞争强，因此很难获得较纯的富集培养物，这极大地限制了相关的研究和应用。为获得高纯的海洋氨氧化古菌富集培养物，需要提供具选择性富集条件的装置，即选择性地促进海洋氨氧化古菌生长，并限制氨氧化细菌的生长，所以有必要设计一种专门用于海洋氨氧化古菌富集的装置。

发明内容

本发明的目的是克服现有培养装置溶解氧控制差、水力剪切力大、生物量流失严重等不足，提供一种溶解氧自动化控制的海洋氨氧化古菌富集装置。

溶解氧自动化控制的海洋氨氧化古菌富集装置包括反应器、进水器、低温水浴锅和控制柜，其中反应器包括漏斗形罐体、反应器气压平衡口、反应器DO探头、反应器出水口、反应器进水口、控温夹套、控温夹套出水口、控温夹套进水口和反应器进水泵，进水器包括第一进水器隔板、第二进水器隔板、第三进水器隔板、配水区、增氧区、沉淀区、排水区、进水器DO探头、补料管、补料泵、补料桶、进水器出水口、曝气盘、空气泵、电磁阀、氮气钢瓶、进水器进水管、进水器出气口和进水器排水口；反应器主体为漏斗形罐体，漏斗形罐体上端设有反应器气压平衡口和反应器DO探头，漏斗形罐体上部右侧设有反应器出水口，漏斗形罐体下端设有反应器进水口，漏斗形罐体外侧设有控温夹套，控温夹套上部左侧设有控温夹套出水口，控温夹套下部右侧设有控温夹套进水口；进水器被第一进水器隔板、第二进水器隔板和第三进水器隔板分割为配水区、增氧区、沉淀区和排水区四部分，配水区上端设有进水器DO探头和补料管，补料管通过补料泵与补料桶相连，配水区底部设有进水器出水口，进水器出水口通过反应器进水泵与反应器进水口相连，增氧区上部与配水区相通，底部设有曝气盘，曝气盘一路通过空气泵与大气相通，曝气盘另一路通过电磁阀与氮气钢瓶相连，沉淀区上端设有进水器进水管，进水器进水管与反应器出水口相连，沉淀区下部与增氧区相通，排水区上端设有进水器出气口，排水区右侧设有进水器排水口，排水区下部与沉淀区相通；低温水浴锅与控温夹套出水口和控温夹套进水口相连；控制柜与反应器DO探头、进水器DO探头、空气泵和电磁阀相连。

所述的漏斗形罐体整体形状为漏斗形，其中上部为圆柱形，中上部为喇叭形，侧壁母线与轴线的夹角为40～50°，中部也为喇叭形，侧壁母线与轴线的夹角为2～4°，底部为半球形；漏斗形罐体高度与上部圆柱形直径的比值为2～3：1；漏斗形罐体有效体积与进水器有效体积的比为3～6：1。所述的反应器由低温水浴锅和控温夹套控制温度，温度控制为10～15℃；控温夹套包裹漏斗形罐体的中部和底部，与漏斗形罐体之间的间隔为2～4cm。所述的进水器分为配水区、增氧区、沉淀区和排水区四个区域，配水区和增氧区为长方形，沉淀区和排水区为梯形，其底部斜面与水平面的夹角为40～60°；配水区、增氧区、沉淀区和排水区的有效体积比为0.3～0.4：1：0.3～0.4：0.05～0.1。所述的反应器出水口和进水器排水口为圆柱形，高径比为2～3：1，圆柱轴线与水平面的夹角为15～20°。所述的反应器DO探头和进水器DO探头的下端插入液面下5～10cm，补料管的下端插入液面下8～10cm，进水器进水管的下端插入液面下1～2cm。所述的控制柜通过进水器DO探头、空气泵和电磁阀控制反应器的进水溶解氧，溶解氧控制在1～2mg/L；控制柜通过反应器DO探头监测反应器内靠近反应器出水口处的溶解氧。

发明与现有技术相比具有的有益效果：1）海洋氨氧化古菌的富集条件特殊，本发明为其提供了低溶解氧、低剪切力、低温等适宜条件，并通过溶解氧探头实时监测反应器内溶解氧的变化；2）海洋氨氧化古菌富集过程受到氨氧化细菌的强烈竞争，本发明提供了有利于海洋氨氧化古菌生长而不利于氨氧化细菌生长的低氧环境，可显著提高富集物中海洋氨氧化古菌的丰度；3）海洋氨氧化古菌生长缓慢，生物量的流失会延长富集周期，甚至导致富集失败，本发明设计了两个沉淀区，一个为漏斗形罐体中上部的沉淀区，另一个是进水器的沉淀区，最大限度地降低了生物量的流失；4）本发明设计了漏斗形变径的反应罐，可以使大小不同的颗粒停留在不同位置，充分利用整个罐体的体积，在不增加剪切力的条件下，使微生物与培养基混合得更充分。

附图说明

图1是溶解氧自动化控制的海洋氨氧化古菌富集装置结构示意图。

图中：反应器1、进水器2、低温水浴锅3和控制柜4、漏斗形罐体5、反应器气压平衡口6、反应器DO探头7、反应器出水口8、反应器进水口9、控温夹套10、控温夹套出水口11、控温夹套进水口12、第一进水器隔板13、第二进水器隔板14、第三进水器隔板15、配水区16、增氧区17、沉淀区18、排水区19、进水器DO探头20、补料管21、补料泵22、补料桶23、进水器出水口24、反应器进水泵25、曝气盘26、空气泵27、电磁阀28、氮气钢瓶29、进水器进水管30、进水器出气口31、进水器排水口32。

具体实施方式

如图1所示，溶解氧自动化控制的海洋氨氧化古菌富集装置包括反应器1、进水器2、低温水浴锅3和控制柜4，其中反应器1包括漏斗形罐体5、反应器气压平衡口6、反应器DO探头7、反应器出水口8、反应器进水口9、控温夹套10、控温夹套出水口11、控温夹套进水口12和反应器进水泵25，进水器2包括第一进水器隔板13、第二进水器隔板14、第三进水器隔板15、配水区16、增氧区17、沉淀区18、排水区19、进水器DO探头20、补料管21、补料泵22、补料桶23、进水器出水口24、曝气盘26、空气泵27、电磁阀28、氮气钢瓶29、进水器进水管30、进水器出气口31和进水器排水口32；反应器1主体为漏斗形罐体5，漏斗形罐体5上端设有反应器气压平衡口6和反应器DO探头7，漏斗形罐体上部右侧设有反应器出水口8，漏斗形罐体下端设有反应器进水口9，漏斗形罐体外侧设有控温夹套10，控温夹套10上部左侧设有控温夹套出水口11，控温夹套下部右侧设有控温夹套进水口12；进水器2被第一进水器隔板13、第二进水器隔板14和第三进水器隔板15分割为配水区16、增氧区17、沉淀区18和排水区19四部分，配水区16上端设有进水器DO探头20和补料管21，补料管21通过补料泵22与补料桶23相连，配水区16底部设有进水器出水口24，进水器出水口24通过反应器进水泵25与反应器进水口9相连，增氧区17上部与配水区16相通，底部设有曝气盘26，曝气盘26一路通过空气泵27与大气相通，曝气盘另一路通过电磁阀28与氮气钢瓶29相连，沉淀区18上端设有进水器进水管30，进水器进水管30与反应器出水口8相连，沉淀区18下部与增氧区17相通，排水区19上端设有进水器出气口31，排水区右侧设有进水器排水口32，排水区下部与沉淀区18相通；低温水浴锅3与控温夹套出水口11和控温夹套进水口12相连；控制柜4与反应器DO探头7、进水器DO探头20、空气泵27和电磁阀28相连。

所述的漏斗形罐体5整体形状为漏斗形，其中上部为圆柱形，中上部为喇叭形，侧壁母线与轴线的夹角为40～50°，中部也为喇叭形，侧壁母线与轴线的夹角为2～4°，底部为半球形；漏斗形罐体5高度与上部圆柱形直径的比值为2～3：1；漏斗形罐体5有效体积与进水器2有效体积的比为3～6：1。所述的反应器1由低温水浴锅3和控温夹套10控制温度，温度控制为10～15℃；控温夹套10包裹漏斗形罐体5的中部和底部，与漏斗形罐体5之间的间隔为2～4cm。所述的进水器2分为配水区16、增氧区17、沉淀区18和排水区19四个区域，配水区16和增氧区17为长方形，沉淀区18和排水区19为梯形，其底部斜面与水平面的夹角为40～60°；配水区16、增氧区17、沉淀区18和排水区19的有效体积比为0.3～0.4：1：0.3～0.4：0.05～0.1。所述的反应器出水口8和进水器排水口32为圆柱形，高径比为2～3：1，圆柱轴线与水平面的夹角为15～20°。所述的反应器DO探头7和进水器DO探头20的下端插入液面下5～10cm，补料管21的下端插入液面下8～10cm，进水器进水管30的下端插入液面下1～2cm。所述的控制柜4通过进水器DO探头20、空气泵27和电磁阀28控制反应器1的进水溶解氧，溶解氧控制在1～1.5mg/L；控制柜4通过反应器DO探头7监测反应器1内靠近反应器出水口8处的溶解氧。

溶解氧自动化控制的海洋氨氧化古菌富集装置的工作过程如下：反应器1内接种20～30%的生物量；反应器进水泵25将进水器2中配水区16内的培养基泵至漏斗形罐体5的底部，这些培养基在漏斗形罐体5内自下而上流动，最终从反应器1上部右侧的反应器出水口8处离开反应器1，生物量在培养基的上升流作用下呈膨松状态，与培养基充分接触，并悬停在漏斗形罐体5的不同位置处；从反应器出水口8处离开反应器1的培养基在重力作用下经过进水器进水管30流入进水器2的沉淀区18，一部分培养基及沉淀区18截留的生物量通过第二进水器隔板14下方的通道进入增氧区17，另一部分培养基通过第三进水器隔板15下方的通道进入排水区19，最终通过进水器排水口32离开装置；空气泵27通过曝气盘26将空气通入增氧区17内，增加增氧区17内培养基的溶解氧，充氧后的培养基通过第一进水器隔板13上方的通道进入配水区16，在配水区16内与来自补料桶23的少量新鲜培养基混合，混合后的培养基通过进水器出水口24离开进水器2，并在进水泵25的驱动下进入反应器1；设定低温水浴锅3的温度为10～15℃，开启低温水浴锅3自带的循环泵，低温水浴锅3内的冷却水从控温夹套10底部的控温夹套进水口12处进入控温夹套10，并从控温夹套10顶部的控温夹套出水口11处离开控温夹套10，流回低温水浴锅3；通过控制柜4监测反应器DO探头7和进水器DO探头20的读数，当进水器DO探头20的读数低于1mg/L时，开启空气泵27，关闭电磁阀28，当进水器DO探头20的读数高于2mg/L时，关闭空气泵27，开启电磁阀28，当进水器DO探头20的读数在1～2mg/L范围内，同时关闭空气泵27和电磁阀28。

Claims (7)

1.一种溶解氧自动化控制的海洋氨氧化古菌富集装置，其特征在于包括反应器（1）、进水器（2）、低温水浴锅（3）和控制柜（4），其中反应器（1）包括漏斗形罐体（5）、反应器气压平衡口（6）、反应器DO探头（7）、反应器出水口（8）、反应器进水口（9）、控温夹套（10）、控温夹套出水口（11）、控温夹套进水口（12）和反应器进水泵（25），进水器（2）包括第一进水器隔板（13）、第二进水器隔板（14）、第三进水器隔板（15）、配水区（16）、增氧区（17）、沉淀区（18）、排水区（19）、进水器DO探头（20）、补料管（21）、补料泵（22）、补料桶（23）、进水器出水口（24）、曝气盘（26）、空气泵（27）、电磁阀（28）、氮气钢瓶（29）、进水器进水管（30）、进水器出气口（31）和进水器排水口（32）；反应器（1）主体为漏斗形罐体（5），漏斗形罐体（5）上端设有反应器气压平衡口（6）和反应器DO探头（7），漏斗形罐体上部右侧设有反应器出水口（8），漏斗形罐体下端设有反应器进水口（9），漏斗形罐体外侧设有控温夹套（10），控温夹套（10）上部左侧设有控温夹套出水口（11），控温夹套下部右侧设有控温夹套进水口（12）；进水器（2）被第一进水器隔板（13）、第二进水器隔板（14）和第三进水器隔板（15）分割为配水区（16）、增氧区（17）、沉淀区（18）和排水区（19）四部分，配水区（16）上端设有进水器DO探头（20）和补料管（21），补料管（21）通过补料泵（22）与补料桶（23）相连，配水区（16）底部设有进水器出水口（24），进水器出水口（24）通过反应器进水泵（25）与反应器进水口（9）相连，增氧区（17）上部与配水区（16）相通，底部设有曝气盘（26），曝气盘（26）一路通过空气泵（27）与大气相通，曝气盘另一路通过电磁阀（28）与氮气钢瓶（29）相连，沉淀区（18）上端设有进水器进水管（30），进水器进水管（30）与反应器出水口（8）相连，沉淀区（18）下部与增氧区（17）相通，排水区（19）上端设有进水器出气口（31），排水区右侧设有进水器排水口（32），排水区下部与沉淀区（18）相通；低温水浴锅（3）与控温夹套出水口（11）和控温夹套进水口（12）相连；控制柜（4）与反应器DO探头（7）、进水器DO探头（20）、空气泵（27）和电磁阀（28）相连。

2.根据权利要求1所述的一种溶解氧自动化控制的海洋氨氧化古菌富集装置，其特征在于：所述的漏斗形罐体（5）整体形状为漏斗形，其中上部为圆柱形，中上部为喇叭形，侧壁母线与轴线的夹角为40～50°，中部也为喇叭形，侧壁母线与轴线的夹角为2～4°，底部为半球形；漏斗形罐体（5）高度与上部圆柱形直径的比值为2～3：1；漏斗形罐体（5）有效体积与进水器（2）有效体积的比为3～6：1。

3.根据权利要求1所述的一种溶解氧自动化控制的海洋氨氧化古菌富集装置，其特征在于：所述的反应器（1）由低温水浴锅（3）和控温夹套（10）控制温度，温度控制为10～15℃；控温夹套（10）包裹漏斗形罐体（5）的中部和底部，与漏斗形罐体（5）之间的间隔为2～4cm。

4. 根据权利要求1所述的一种溶解氧自动化控制的海洋氨氧化古菌富集装置，其特征在于：所述的进水器（2）分为配水区（16）、增氧区（17）、沉淀区（18）和排水区（19）四个区域，配水区（16）和增氧区（17）为长方形，沉淀区（18）和排水区（19）为梯形，其底部斜面与水平面的夹角为40～60°；配水区（16）、增氧区（17）、沉淀区（18）和排水区（19）的有效体积比为0.3～0.4：1：0.3～0.4：0.05～0.1。

5. 根据权利要求1所述的一种溶解氧自动化控制的海洋氨氧化古菌富集装置，其特征在于：所述的反应器出水口（8）和进水器排水口（32）为圆柱形，高径比为2～3：1，圆柱轴线与水平面的夹角为15～20°。

6. 根据权利要求1所述的一种溶解氧自动化控制的海洋氨氧化古菌富集装置，其特征在于：所述的反应器DO探头（7）和进水器DO探头（20）的下端插入液面下5～10cm，补料管（21）的下端插入液面下8～10cm，进水器进水管（30）的下端插入液面下1～2cm。

7. 根据权利要求1所述的一种溶解氧自动化控制的海洋氨氧化古菌富集装置，其特征在于：所述的控制柜（4）通过进水器DO探头（20）、空气泵（27）和电磁阀（28）控制反应器（1）的进水溶解氧，溶解氧控制在1～2mg/L；控制柜（4）通过反应器DO探头（7）监测反应器（1）内靠近反应器出水口（8）处的溶解氧。