CN109626572B - 一种去除低温海水暂养槽中无机氮的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水产品暂养水系统的微生物净化领域，尤其涉及到一种去除低温海水暂养槽中无机氮的系统。一种去除低温海水暂养槽中无机氮的系统，其包括驯化富集培养槽和无机氮反应器槽；无机氮反应器槽内设置有改性番麦棒，本发明调控低温海水中脱氮菌群的生态因子及耐受范围，对其进行控制与运用，进而建立硝化反硝化协同去除无机氮技术工艺，实现海水暂养系统的无机氮去除与海产品保活保重的双重效果。

Description

一种去除低温海水暂养槽中无机氮的系统
技术领域
本发明涉及水产品暂养水系统的微生物净化领域，尤其涉及到一种去除低温海水暂养槽中无机氮的系统。
背景技术
随着人们生活水平的提高，人们对活海产品需求日益增大，对水产品保活与保重有了更高要求。传统的海水暂养系统水质净化能力弱、无机氮含量高，导致暂养水质差，并且海水暂养系统的水处理工艺主要针对氨氮、亚硝氮的去除，却忽略了硝酸盐的积累，硝酸盐在酶的作用下可还原成亚硝酸盐、亚硝酸胺，使生物血液的载氧能力下降，影响海产品的存活率。高盐环境下的无机氮离子浓度过高，会对微生物产生抑制和毒害作用，微生物细胞脱水引起细胞原生质分离、使脱氢酶活性降低，从而严重影响海产品质量，降低其存活率。目前海水暂养海产品主要为低温暂养，低温暂养可保持海产品鲜活度，但是低温条件下去除无机氮的微生物难以富集培养，因此迫切需要构建低温、高盐环境下海水暂养槽中去除无机氮的技术，实现海产品的保活与保重。
发明内容
本发明的目的是提供一种去除低温海水暂养槽中无机氮的系统以解决现有技术的不足之处。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种去除低温海水暂养槽中无机氮的系统，包括驯化富集培养槽和无机氮反应器槽；
所述驯化富集培养槽包括第一冷水机和储水槽，所述第一冷水机的管道与储水槽内部连通，所述储水槽内部设置有硝化菌驯化富集培养箱和反硝化菌驯化富集培养箱，所述硝化菌驯化富集培养箱顶部向内部穿设有第一搅拌头与第一充氧头；所述反硝化菌驯化富集培养箱顶部向内部穿设有第二搅拌头；
所述无机氮反应器槽包括第二冷水机，所述第二冷水机的管道与封闭式储水箱内部管道连接，所述封闭式储水箱顶部向内部穿设有第二充氧头，所述封闭式储水箱下端与蠕动泵管道连接，所述蠕动泵的另一端管道连接有反应器，所述反应器下端开设有进水口，所述进水口上还安装有水阀，所述进水口与蠕动泵管道连接，所述反应器上端还开设有出水管，所述反应器内的网箱中悬挂有改性番麦棒。
所述硝化菌驯化富集培养箱培养硝化菌的方法如下：
(1)采集海水养殖水样放置4℃冰箱保存；
(2)取海水养殖水样放入硝化菌驯化富集培养箱内，加入海水养殖水样8～10倍体积的硝化菌培养基，用氯化钠调整盐度至27.5～28.5g/L，用碳酸氢钠溶液调节pH为7.5～8.0，充氧并间歇性地进行搅拌，使溶解A氧含量保持4mg/L以上，于15～20℃条件下恒温驯化培养，并通过人工控制硝化菌环境因子持续55～65天；获得硝化菌液。
所述步骤2中硝化菌培养基包括亚硝酸钠1～2g/L、无水碳酸钠1～2g/L、磷酸氢二钠0.5～1g/L、硫酸锰0.01～0.02g/L、磷酸氢二钾0.75～1g/L，剩余部分为去离子水。
所述反硝化菌驯化富集培养箱培养反硝化菌的方法如下：
(1)采集沿海滩涂底泥中的泥样放置4℃冰箱保存；
(2)取100～200g泥样放入化菌驯化富集培养箱中，加入7-8L反硝化菌培养基，用氯化钠调整盐度至27.5～28.5g/L，用碳酸氢钠溶液调节pH为7.5～8.0，于15～20℃条件下恒温驯化培养，并通过人工控制反硝化菌环境因子持续13～17天；获得反硝化菌液。
所述反硝化菌培养基包括硝酸钾2～3g/L、柠檬酸钠4～5g/L、磷酸氢二钠1～2g/L、磷酸氢二钾1～2g/L，剩余部分为去离子水。
所述改性番麦棒的改性方法，包括如下步骤：
(1)取2～3mol/L 2－羟基丁二酸溶液放入容器中，恒温保持40～60℃，将番麦棒浸没于2－羟基丁二酸溶液中，持续搅拌2～3h；
(2)将步骤(1)中搅拌后的番麦棒取出置于60～70℃下干燥24～36h,冷却至常温后通过去离子水洗涤至中性，再将番麦棒置于80-90℃下干燥1-3h，以及120-130℃干燥2-4h。
所述番麦棒的使用方法，包括如下步骤:
(1)将改性番麦棒加入去离子水浸泡3～6小时，经清洗后吹干，放置24小时以上后备用；
(2)将改性番麦棒浸泡至反硝化菌液，保持水温15～20℃，2～4天，获得浸泡过反硝化菌液的改性番麦棒。
(3)将浸泡过反硝化菌液的改性番麦棒浸泡在硝化菌液中，保持水温15～20℃，2～4天，获得人工挂膜，将人工挂膜放入反应器内的网箱中。
所述的硝化菌液中的优势菌群为变形菌门和拟杆菌门，硝化菌液中γ变形菌和α-变形杆菌为主要两个纲，丰度水平达到96.40％以上。
所述的反硝化菌液中的优势菌群为变形菌门和拟杆菌门，反硝化菌液中γ变形菌为主要纲，丰度水平为91.30％以上。
本发明的优点在于：针对暂养水温较低、水体盐度高、溶氧偏高等特点，将微生物驯化富集培养与人工强化挂膜技术工艺进行耦合、构建，采用改性番麦棒作为高盐水环境中的缓释碳源和生物载体，通过驯化低温硝化并结合人工强化挂膜技术工艺方式，调控低温海水中脱氮菌群的生态因子及耐受范围，对其进行控制与运用，进而建立硝化反硝化协同去除无机氮的技术工艺，实现海水暂养系统的无机氮去除与海产品保活保重的双重效果。从而增强海产品低温暂养中生理及行为的反应能力，降低海产品的应激、饥饿、缺血或病毒感染等外界压力，降低其新陈代谢，保证海产品的健康。这对提高人们的健康生活水平，以及发展可持续健康安全的水产品具有重要意义。该系统成本低、能耗低、操作简易、绿色环保且处理效果好，值得推广。
附图说明
图1是本发明的驯化富集培养槽示意图。
图2是本发明无机氮反应器槽示意图。
图3本发明微生物各分类水平。
图4为本发明实验进水主要指标。
图5为本发明实施例2实验总氮去除率与总氮出水浓度折线图。
图6为本发明实施例2实验氨氮去除率与氨氮出水浓度折线图。
图7为本发明实施例2实验硝氮去除率与硝氮出水浓度折线图。
图8为本发明实施例2实验出水TOC浓度与水温折线图。
图9为本发明对比例实验总氮去除率与总氮出水浓度折线图。
图10为本发明对比例实验氨氮去除率与氨氮出水浓度折线图。
图11为本发明对比例实验硝氮去除率与硝氮出水浓度折线图。
图12为本发明对比例实验出水TOC浓度与水温折线图。(其中图5～图12中的横坐标均为反应天数，出水浓度为主坐标轴，浓度单位均为mg/L，图5～7,9～11中去除率为次坐标轴，图8和图12中水温为次坐标轴)
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
如图1～2所示一种去除低温海水暂养槽中无机氮的系统，包括驯化富集培养槽和无机氮反应器槽；
所述驯化富集培养槽包括第一冷水机1和储水槽7，所述第一冷水机1的管道与储水槽7内部连通，所述储水槽7内部设置有硝化菌驯化富集培养箱4和反硝化菌驯化富集培养箱6，所述硝化菌驯化富集培养箱4顶部向内部穿设有第一搅拌头3与第一充氧头2；所述反硝化菌驯化富集培养箱6顶部向内部穿设有第二搅拌头5；
所述无机氮反应器槽包括第二冷水机8、封闭式储水箱10、蠕动泵11和反应器12，所述第二冷水机8的管道与封闭式储水箱10内部管道连接，所述封闭式储水箱10顶部向内部穿设有第二充氧头9，所述封闭式储水箱10下端与蠕动泵11管道连接，所述蠕动泵11的另一端管道连接有反应器13，所述反应器13下端开设有进水口12，所述进水口12上还安装有水阀，所述进水口12与蠕动泵11管道连接，所述反应器13上端还开设有出水管15，所述反应器13内的网箱中悬挂有改性番麦棒14。
实施例2
硝化菌驯化富集培养箱培养硝化菌的方法如下：
(1)采集海水养殖水样放置4℃冰箱保存；
(2)取1000ml海水养殖水样放入硝化菌驯化富集培养箱内，加入海水养殖水样8倍体积的硝化菌培养基，用氯化钠调整盐度至27.5g/L，用碳酸氢钠溶液调节pH为7.5，充氧并间歇性地进行搅拌，使溶解A氧含量保持4mg/L以上，于15℃条件下恒温驯化培养，并通过人工控制硝化菌环境因子持续55天；获得硝化菌液。
步骤2中硝化菌培养基包括亚硝酸钠1g/L、无水碳酸钠1g/L、磷酸氢二钠0.5g/L、硫酸锰0.01g/L、磷酸氢二钾0.75g/L，剩余部分为去离子水。
反硝化菌驯化富集培养箱培养反硝化菌的方法如下：
(1)采集沿海滩涂底泥中的泥样放置4℃冰箱保存；
(2)取100g泥样放入化菌驯化富集培养箱中，加入8L反硝化菌培养基，用氯化钠调整盐度至27.5g/L，用碳酸氢钠溶液调节pH为7.5，于15℃条件下恒温驯化培养，并通过人工控制反硝化菌环境因子持续17天；获得反硝化菌液。
检测硝化菌液与反硝化菌液的微生物分类水平，具体结果如图3所示。
反硝化菌培养基包括硝酸钾2g/L、柠檬酸钠4g/L、磷酸氢二钠1g/L、磷酸氢二钾1g/L，剩余部分为去离子水。
改性番麦棒的改性方法，包括如下步骤：
(1)取2mol/L 2－羟基丁二酸溶液放入容器中，恒温保持60℃，将番麦棒浸没于2－羟基丁二酸溶液中，持续搅拌2h；
(2)将步骤(1)中搅拌后的番麦棒取出置于60℃下干燥24h,冷却至常温后通过去离子水洗涤至中性，再将番麦棒分别置于80℃下干燥3h和120℃下干燥4h。
番麦棒的使用方法，包括如下步骤:
(1)将改性番麦棒加入去离子水浸泡6小时，经清洗后吹干，放置24小时以上后备用；
(2)将改性番麦棒浸泡在反硝化菌液中，保持水温15℃，持续4天，获得浸泡过反硝化菌液的改性番麦棒。
(3)将浸泡过反硝化菌液的改性番麦棒浸泡在消化菌液中，保持水温15℃，持续4天，获得人工挂膜，而后将人工挂膜放入反应器内的网箱中。
将已挂膜好的改性番麦棒柱置于反应器内，反应器为48cm(D)×52cm(L)的玻璃缸，反应器内的人工海水是通过海水晶配置，盐度为27，pH为7.5。反应器分别设置进水口和出水口，进水口和出水口距反应器底部高度分别为3cm和46cm。将经过人工强化挂膜技术工艺处理的改性番麦棒(干重0.5kg)置于筛孔为2cm的网格内，并做成柱状，垂直悬挂固定于反应器内。暂养水由储水池经蠕动泵推流进入反应器，控制流速(15±0.24)ml/min，反应器内温度保持在15±0.20℃。比较进水氮浓度和出水氮浓度的量具体结果如图4～8所示。
对比例
将实施例2中的改性番麦棒替换为碳纤维棒，其余条件不变，测试出水氮浓度的量具体结果如图9～12所示。
结果显示改性番麦棒去氮结果远优于碳纤维棒。
本发明的原理在于：利用海水循环暂养水，接种、驯化并富集低温海水中的脱氮菌群；以2－羟基丁二酸改性的番麦棒作为微生物膜载体，2－羟基丁二酸作为有机酸，具有较高的缓冲指数，利于生物的代谢与吸收，能够促进好氧厌氧菌的繁殖培养，且2－羟基丁二酸具有水润效果，能够很容易的溶解粘结干燥鳞片状的死细胞之间的“胶粘物”，利于菌类的富集与挂膜；2－羟基丁二酸可以促进氨代谢，降低血氨浓度，在保证好氧厌氧菌存活的同时，对海水暂养槽中的海水也具有减氮的效果。2－羟基丁二酸作为酸类，还有利于对载体表层孔隙进行重塑，增大载体表层与好氧厌氧菌的接触面积，并在载体体表形成好氧的环境，活化离子配位结合能力，进而疏松番麦棒体表，强化反硝化菌的培养与在高盐环境下的效用，且2－羟基丁二酸不会产生毒性，还有利于改善生物体的生理健康；通过人工强化挂膜技术工艺，用间歇性的恒温搅拌的方式进行挂膜，保证每分钟至少1000转的的搅拌速度。经过改性的番麦棒体内形成厌氧的环境，离子配位结合能力活跃、体表疏松，进而强化反硝化菌的培养与在高盐环境下的效用，最终实现硝化反硝化协同去除无机氮技术。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种去除低温海水暂养槽中无机氮的系统，其特征在于：包括驯化富集培养槽和无机氮反应器槽；
所述驯化富集培养槽包括第一冷水机和储水槽，所述第一冷水机的管道与储水槽内部连通，所述储水槽内部设置有硝化菌驯化富集培养箱和反硝化菌驯化富集培养箱，所述硝化菌驯化富集培养箱顶部向内部穿设有第一搅拌头与第一充氧头；所述反硝化菌驯化富集培养箱顶部向内部穿设有第二搅拌头；
所述无机氮反应器槽包括第二冷水机、封闭式储水箱、蠕动泵和反应器，所述第二冷水机的管道与封闭式储水箱内部管道连接，所述封闭式储水箱顶部向内部穿设有第二充氧头，所述封闭式储水箱下端与蠕动泵管道连接，所述蠕动泵的另一端管道连接有反应器，所述反应器下端开设有进水口，所述进水口上还安装有水阀，所述进水口与蠕动泵管道连接，所述反应器上端还开设有出水管，所述反应器内的网箱中悬挂有改性番麦棒；
所述硝化菌驯化富集培养箱培养硝化菌的方法如下：
(1)采集海水养殖水样于2-6℃环境保存；
(2)取保存的海水养殖水样放入硝化菌驯化富集培养箱内，加入海水养殖水样8～10倍体积的硝化菌培养基，用氯化钠调整盐度至27.5～28.5g/L，用碳酸氢钠溶液调节pH为7.5～8.0，充氧并间歇性地进行搅拌，使溶解氧含量保持4mg/L以上，于15～20℃条件下恒温驯化培养，并通过人工控制硝化菌环境因子持续55～65天，获得硝化菌液；
所述改性番麦棒的制备方法，包括如下步骤：
A1取2～3mol/L 2－羟基丁二酸溶液放入容器中，恒温保持40～60℃，将番麦棒浸没于2－羟基丁二酸溶液中，持续搅拌2～3小时；
A2将步骤A1中搅拌后的番麦棒取出置于60～70℃下干燥24～36小时，冷却至常温后通过去离子水洗涤至中性，再将番麦棒分别置于80-90℃下干燥1-3小时和120-130℃下干燥2-4小时；
所述悬挂改性番麦棒的方法，包括如下步骤:
B1将改性番麦棒加入去离子水浸泡3～6小时，经清洗后吹干，放置24小时以上得到洗净的改性番麦棒；
B2将洗净的改性番麦棒浸泡在反硝化菌液中，保持水温15～20℃，持续2～4天，获得浸泡过反硝化菌液的改性番麦棒；
B3将浸泡过反硝化菌液的改性番麦棒浸泡在硝化菌液中，保持水温15～20℃，持续2～4天，获得改性番麦棒，将人工挂膜放入反应器内的网箱中。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述步骤2中硝化菌培养基包括亚硝酸钠1～2g/L、无水碳酸钠1～2g/L、磷酸氢二钠0.5～1g/L、硫酸锰0.01～0.02g/L、磷酸氢二钾0.75～1g/L，剩余部分为去离子水。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述的硝化菌液中的优势菌群为变形菌门和拟杆菌门，硝化菌液中γ变形菌和α-变形杆菌为两个主要纲，丰度水平达到96.40％以上。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反硝化菌驯化富集培养箱培养反硝化菌的方法如下：
S1采集沿海滩涂底泥中的泥样放置4℃冰箱保存；
S2取100～200g泥样放入反硝化菌驯化富集培养箱中，加入7-8L反硝化菌培养基，用氯化钠调整盐度至27.5～28.5g/L，用碳酸氢钠溶液调节pH为7.5～8.0，于15～20℃条件下恒温驯化培养，并通过人工控制反硝化菌环境因子持续13～17天；获得反硝化菌液。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述步骤S2中的反硝化菌培养基包括硝酸钾2～3g/L、柠檬酸钠4～5g/L、磷酸氢二钠1～2g/L、磷酸氢二钾1～2g/L，剩余部分为去离子水。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述的反硝化菌液中的优势菌群为变形菌门和拟杆菌门，反硝化菌液中γ变形菌为主要纲，丰度水平为91.30％以上。
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