CN105087369A - 一种硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集装置及方法 - Google Patents

一种硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集装置，包括反应容器（4）、磁力搅拌器（1）、磁力搅拌子（2）、出水管（11）、进水管（16）、甲烷收集管（15）、甲烷进气管（7）以及膜组件（5），磁力搅拌器（1）连接于反应容器（4）的底端，磁力搅拌子（2）设于磁力搅拌器（1）上，膜组件（5）悬于反应容器（4）内并分别与出水管（11）、甲烷进气管（7）相连，反应容器（4）的下端开设有取样口（3）。有益效果为：通过对富集装置的进水、出水和曝气过程进行实时控制，既保证了硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌在适宜的条件下富集，又保证了反应器的安全、正常运行，同时减少了人力劳动；该装置结构简洁、易于加工，便于其未来的普遍应用。

Description

一种硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集装置及方法
技术领域
本发明涉及生物同步脱氮除碳工艺，尤其涉及一种硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集装置及方法。
背景技术
甲烷是最简单的碳氢化合物，是人类生活中不可或缺的燃料，在人类的生产生活中扮演着重要的角色。同时，甲烷又是地球大气中仅次于二氧化碳（CO2）的第二号重要的温室气体，其引起的温室效应是等摩尔CO2的20~30倍，对全球温室效应的贡献达20%。微生物是环境中甲烷的主要产生者，由微生物贡献的甲烷占了69%。与甲烷的产生相对应，微生物在甲烷的消耗方面起了举足轻重的作用。甲烷的消耗主要是由甲烷氧化菌介导的甲烷氧化过程实现，这一生物过程在不同生态系统（如海洋、河流、湖泊和湿地等）中消耗的甲烷约占微生物甲烷产生总量的60%。
硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化是一类新发现的甲烷氧化反应，是最近环境科学与工程领域的一个重大发现，已有多篇文献发表在世界顶级刊物《Nature》上。它是指以硝酸盐为电子受体，以甲烷为电子供体的生物反应。该反应的发现对于完善全球碳氮循环具有重要贡献，且作为一种温室气体甲烷潜在的汇，其在缓解全球温室效应中可能起着重要作用。此外，该反应实现了甲烷和硝酸盐的同步去除，为研发新型生物脱氮除碳工艺提供了契机。参与硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化的微生物是一类新的微生物，被命名为CandidatusMethanoperedensnitroreducens（简称M.nitroreducens），其隶属于甲烷厌氧氧化古菌的一个新的分支（ANME-2d）。
由于硝酸盐依赖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，硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化功能微生物生长极其缓慢，细胞倍增时间可长达一个月以上，因而较难获得此类微生物的富集培养物。生物量的有效截留和甲烷的传质效率是获得高效富集培养物的瓶颈因子。
发明内容
本发明目的在于克服以上现有技术之不足，提供一种硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集装置及方法，具体有以下技术方案实现：
一种硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集装置，包括反应容器（4）、磁力搅拌器（1）、磁力搅拌子（2）、出水管（11）、进水管（16）、甲烷收集管（15）、甲烷进气管（7）以及膜组件（5），磁力搅拌器（1）连接于反应容器（4）的底端，磁力搅拌子（2）设于磁力搅拌器（1）上，膜组件（5）悬于反应容器（4）内并分别与出水管（11）、甲烷进气管（7）相连，反应容器（4）的下端开设有取样口（3）。
所述硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集装置的进一步设计在于，出水管（11）上设有出水磁力阀（9）与出水泵（10）；进水管（16）上设有进水泵（17）。
3.根据权利要求1所述的硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集装置，其特征在于还包括甲烷钢瓶（6）、甲烷收集气袋（12）、出水桶（14）、进水桶（18），所述甲烷钢瓶（6）、甲烷收集气袋（12）、出水桶（14）、进水桶（18）分别对应地通过甲烷进气管（7）、甲烷收集管（15）、出水管（11）、进水管（16）与反应容器（4）相连。
所述硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集装置的进一步设计在于，还包括氩气钢瓶（19），进水桶（18）的底端设有曝气头（20），曝气头（20）通过一曝气管（21）与氩气钢瓶（19）连接。
所述硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集装置的进一步设计在于，还包括自动化控制终端（13），自动化控制终端（13）分别与甲烷磁力阀（8）、出水磁力阀（9）、出水泵（10）和进水泵（17）通信连接。
所述硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集装置的进一步设计在于，所述的反应器容器（4）的高径比为2～3。
如权利要求所述硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集装置，提供一种硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集方法，包括进水、曝甲烷气和排水三个步骤，按进水、曝甲烷气和排水三个过程的周期性运行2-4个月的时间，每2-4周进行一次培养基更换，除进水和排水期间外，对富集装置进行连续的曝甲烷气，即可富集到了湿地土中的硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌，其中：
进水过程为：自动化控制终端通过关闭出水磁力阀，关闭出水泵、打开进水泵将进水桶内的新鲜培养基泵入反应容器，反应容器内的顶空甲烷排入甲烷收集气袋，完成进水过程；
曝甲烷气过程为：当进水完毕后，自动化控制终端打开甲烷磁力阀，通过膜组件开始持续曝甲烷气；
排水过程为：自动化控制终端通过关闭甲烷磁力阀，打开出水磁力阀和出水泵，膜组件开始往外排水，甲烷气袋内的气体涌入反应容器，用于平衡反应容器内的压力；自动化控制终端通过关闭出水泵和出水磁力阀，停止排水。
所述硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集方法的进一步设计在于，进水过程中，当新鲜培养基液面距反应容器内进水管的距离为1.5-2.5cm时，自动化控制终端通过关闭进水泵停止进水。
所述硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集方法的进一步设计在于，曝甲烷气过程中，控制甲烷钢瓶压力为1.2atm。
所述硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集方法的进一步设计在于，富集过程中，当反应容器内基质硝酸盐浓度降至3mg/L时，开始排水；当反应容器内的液面降至反应器整体高度的1/4时，停止排水。
本发明的优点如下：
1）生物反应器内的膜组件出水可以截留全部微生物，避免生物量的流失；2）通过膜组件反向曝甲烷，既可以提高甲烷曝气效率，又可以疏通膜孔，缓解膜污染；3）利用厌氧氨氧化反应消除硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化产物亚硝酸盐对生物反应器内功能微生物的生长；4）整个富集装置可保证厌氧环境，可解除氧气对硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌的抑制。5）通过自动化控制系统对富集装置的进水、出水和曝气过程进行实时控制，既保证了硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌在适宜的条件下富集，又保证了反应器的安全、正常运行，同时减少了人力劳动；6）该装置结构简洁、易于加工，便于其未来的普遍应用。
附图说明
图1为硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集装置的结构示意图。
图中，磁力搅拌器1、磁力搅拌子2、取样口3、反应器主体4、膜组件5、甲烷钢瓶6、甲烷进气管7、甲烷磁力阀8、出水磁力阀9、出水泵10、出水管11、甲烷收集气袋12、自动化控制终端13、出水桶14、甲烷收集管15、进水管16、进水泵17、进水桶18、氩气钢瓶19、氩气曝气头20、氩气曝气管21。
具体实施方式
下面结合附图对本发明方案进行详细说明。
如图1，本实施例的硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集装置，包括反应容器（4）、磁力搅拌器（1）、磁力搅拌子（2）、出水管（11）、进水管（16）、甲烷收集管（15）、甲烷进气管（7）以及膜组件（5），磁力搅拌器（1）连接于反应容器（4）的底端，磁力搅拌子（2）设于磁力搅拌器（1）上，膜组件（5）悬于反应容器（4）内并分别与出水管（11）、甲烷进气管（7）相连，反应容器（4）的下端开设有取样口（3）。本实施例中，反应器容器（4）的高径比为2～3。
进一步的，出水管（11）上设有出水磁力阀（9）与出水泵（10）；进水管（16）上设有进水泵（17）。
该装置还包括甲烷钢瓶（6）、甲烷收集气袋（12）、出水桶（14）、进水桶（18），所述甲烷钢瓶（6）、甲烷收集气袋（12）、出水桶（14）、进水桶（18）分别对应地通过甲烷进气管（7）、甲烷收集管（15）、出水管（11）、进水管（16）与反应容器（4）相连。
另一方面，该装置还包括氩气钢瓶（19），进水桶（18）的底端设有曝气头（20），曝气头（20）通过一曝气管（21）与氩气钢瓶（19）连接。利用氩气持续曝气，以保证富集装置的厌氧进水。
本实施例中，该装置还添设了自动化控制终端（13）。自动化控制终端（13）分别与甲烷磁力阀（8）、出水磁力阀（9）、出水泵（10）和进水泵（17）通信连接。
此富集装置以天然淡水湿地土壤作为接种物，利用人工培养基并添加适量氨氮和硝氮对硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌进行富集培养。培养基中添加氨氮的目的是利用湿地土壤中的厌氧氨氧化反应（以氨氮为电子供体，以亚硝氮为电子受体，反应产物为氮气）解除亚硝酸盐的积累对富集培养物功能微生物的抑制。反应器运行过程中磁力搅拌器的转速控制在160rpm。
如上述硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集装置，提供一种硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集方法，该方法主要包括进水、曝甲烷气和排水三个循环步骤。
进水过程为：自动化控制终端通过关闭出水磁力阀，关闭出水泵、打开进水泵将进水桶内的新鲜培养基泵入反应器主体，当其液面距反应器主体内进水管的距离为2cm时，自动化控制终端通过关闭进水泵停止进水，反应器主体内的顶空甲烷排入甲烷收集气袋，完成进水过程。液面距反应器主体内进水管的距离为1.5或2.5或1.5-2.5cm时，关闭进水泵停止进水均可达到等同的效果，在此不再赘述。
曝甲烷气过程为：当进水完毕后，自动化控制终端打开甲烷磁力阀，并控制甲烷钢瓶压力为1.2atm，通过膜组件（孔径为0.3μm）开始持续曝甲烷气，既提高了甲烷曝气效率，又疏通了膜孔，缓解膜污染。
排水过程为：当反应器主体内基质硝酸盐浓度降至3mg/L时，自动化控制终端通过关闭甲烷磁力阀，打开出水磁力阀和出水泵，膜组件开始往外排水，甲烷气袋内的气体涌入反应器主体，用于平衡反应器主体内的压力；当反应器主体内的液面降至反应器整体高度的1/4时，自动化控制终端通过关闭出水泵和出水磁力阀，停止排水。利用膜组件排水保证了全部微生物的截留，使得生物量流失降到最低。
本实施例中，采用最优的实施方式，控制该富集装置按进水、曝甲烷气和排水三个过程为一周期，其中每3周进行一次培养基更换，进水时间控制在4分钟，排水时间控制在9分钟，除进水和排水期间外，对富集装置进行连续的曝甲烷气，经过3个月的周期性运行时间，成功富集到了湿地土中的硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌，并显现了较高的生物活性。经大量试验表明，按进水、曝甲烷气和排水三个过程的周期性运行2-4个月的时间（每2-4周进行一次培养基更换即可）均能够富集到湿地土壤中的硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌，具体过程相同，不再赘述。这是首次有关天然湿地土壤中硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌的富集报道，从而证明了此系统在富集硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌方面所体现的优越性。

Claims (10)

1.一种硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集装置，其特征在于包括反应容器（4）、磁力搅拌器（1）、磁力搅拌子（2）、出水管（11）、进水管（16）、甲烷收集管（15）、甲烷进气管（7）以及膜组件（5），磁力搅拌器（1）连接于反应容器（4）的底端，磁力搅拌子（2）设于磁力搅拌器（1）上，膜组件（5）悬于反应容器（4）内并分别与出水管（11）、甲烷进气管（7）相连，反应容器（4）的下端开设有取样口（3）。
2.根据权利要求1所述的硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集装置，其特征在于出水管（11）上设有出水磁力阀（9）与出水泵（10）；进水管（16）上设有进水泵（17）。
3.根据权利要求1所述的硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集装置，其特征在于还包括甲烷钢瓶（6）、甲烷收集气袋（12）、出水桶（14）、进水桶（18），所述甲烷钢瓶（6）、甲烷收集气袋（12）、出水桶（14）、进水桶（18）分别对应地通过甲烷进气管（7）、甲烷收集管（15）、出水管（11）、进水管（16）与反应容器（4）相连。
4.根据权利要求3所述的硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集装置，其特征在于还包括氩气钢瓶（19），进水桶（18）的底端设有曝气头（20），曝气头（20）通过一曝气管（21）与氩气钢瓶（19）连接。
5.根据权利要求2-4任一项所述的硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集装置，其特征在于还包括自动化控制终端（13），自动化控制终端（13）分别与甲烷磁力阀（8）、出水磁力阀（9）、出水泵（10）和进水泵（17）通信连接。
6.根据权利要求1-4任一项所述的硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集装置，其特征在于所述的反应器容器（4）的高径比为2～3。
7.如权利要求5所述的硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集装置，提供一种硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集方法，其特征在于包括进水、曝甲烷气和排水三个步骤，按进水、曝甲烷气和排水三个过程的周期性运行2-4个月的时间，每2-4周进行一次培养基更换，除进水和排水期间外，对富集装置进行连续的曝甲烷气，即可富集到了湿地土中的硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌，其中：
进水过程为：自动化控制终端通过关闭出水磁力阀，关闭出水泵、打开进水泵将进水桶内的新鲜培养基泵入反应容器，反应容器内的顶空甲烷排入甲烷收集气袋，完成进水过程；
曝甲烷气过程为：当进水完毕后，自动化控制终端打开甲烷磁力阀，通过膜组件开始持续曝甲烷气；
排水过程为：自动化控制终端通过关闭甲烷磁力阀，打开出水磁力阀和出水泵，膜组件开始往外排水，甲烷气袋内的气体涌入反应容器，用于平衡反应容器内的压力；自动化控制终端通过关闭出水泵和出水磁力阀，停止排水。
8.根据权利要求7所述的硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集方法，其特征在于进水过程中，当新鲜培养基液面距反应容器内进水管的距离为1.5-2.5cm时，自动化控制终端通过关闭进水泵停止进水。
9.根据权利要求7所述的硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集方法，其特征在于曝甲烷气过程中，控制甲烷钢瓶压力为1.2atm。
10.根据权利要求7所述的硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化古菌富集方法，其特征在于富集过程中，当反应容器内基质硝酸盐浓度降至3mg/L时，开始排水；当反应容器内的液面降至反应器整体高度的1/4时，停止排水。
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