CN109851064B - 基于软性填料的序批式全程硝化菌富集装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于软性填料的序批式的全程硝化菌富集装置及其方法。反应器主体为圆柱形罐体，罐体内部填充软性填料，反应器底部设置了回流口，通过回流泵使回流液可以不断从反应器底部提升至顶部，从而实现了反应器的内部循环，增加了活性污泥和软性填料的接触，与传统通过搅拌釜搅拌相比，减少了对反应器的扰动，通过pH和温度的控制确保反应器的环境条件最适合全程硝化菌的生长。本发明可以为全程硝化菌提供寡营养环境以及适合其形成生物膜的载体环境，有效减少生物量的流失，从而达到富集全程硝化菌的目的，获取高纯度的全程硝化菌富集物。本发明培养210天后，comammox相对丰度提高了16倍，有效实现了对comammox的富集。
Description
技术领域
本发明属于微生物富集装置领域，具体涉及一种基于软性填料的序批式全程硝化菌富集装置。
背景技术
硝化过程被认为是地球氮循环中一个很重要的过程，长期以来，硝化过程都被认为是由氨氧化细菌(AOB)或氨氧化古菌(AOA)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)联合完成，硝化过程被认为是一种联合劳动。第一步的氨氧化过程会将氨(NH4 +)氧化成亚硝酸盐(NO2 -)，第二部的亚硝酸盐氧化过程会将亚硝酸盐(NO2 -)氧化成硝酸盐(NO3 -)。2006，Costa团队通过对两步硝化作用的机制研究，预测两个过程可以在一个微生物体内进行，并将其命名为全程硝化菌(comammox)。2015年，两个独立实验室同时报道了属于硝化螺菌属的全程硝化菌，发现其能够同时完成两步硝化过程。
全程硝化菌的发现颠覆了人们对于硝化过程的认知，但由于发现时间较短，对该菌的研究仍处于起步阶段。研究全程硝化菌的生理和生化特性具有较大的工程意义，可以运用于污水深度脱氮和自来水厂生物滤池中。
然而，由于全程硝化菌的生长较为缓慢，需要和其他氨氧化微生物进行底物竞争，因此获得高纯度的富集培养物较为困难，在一定程度上限制了对于全程硝化菌生理生化的研究。考虑到全程硝化菌适合在寡营养环境中生长，也极易在载体上形成微生物絮体或生物膜。因此通过为全程硝化菌的生长提供悬挂软性填料载体的序批式生物反应器，有助于促进全程硝化菌的富集培养并避免生物量的流失。
发明内容
本发明的目的是通过在反应器中固定软性填料以克服传统的富集装置容易导致生物流失的缺点以及通过pH和温度传感探头控制pH和温度，为全程硝化菌的富集培养提供低基质浓度、低扰动的环境，构建一种基于软性填料的序批式全程硝化菌富集装置。
一种基于软性填料的序批式全程硝化菌富集装置，包括反应器、进水桶、出水桶，其中反应器包括加热底座、保温外壳、圆柱形罐体、反应器pH探头、反应器温度探头、缓冲液瓶、导热油瓶、反应器出水口、进水桶进料管、导热油进水口、导热油出水口、上部取样口、下部取样口、软性填料固定件、反应器进水口、缓冲液进水口、缓冲液进液泵、导热油进液泵、软性填料、进水泵、出水泵、回流出水口、回流进水口、回流泵；反应器主体为圆柱形罐体，圆柱形罐体左侧设有反应器进水口、缓冲液进水口和反应器出水口，圆柱形罐体右侧设有回流出水口、上部取样口和下部取样口；圆柱形罐体底部设有回流进水口；所述的进水桶通过带有进水泵的进水桶进料管连接反应器进水口；所述缓冲液瓶通过带有缓冲液进液泵的缓冲液进液管道连接缓冲液进水口；所述的反应器出水口通过带有出水泵的出水管道连接出水桶；所述的回流进水口通过带有回流泵的回流管道连接回流出水口；所述的圆柱形罐体顶部设有反应器pH探头和反应器温度探头，且两个探头均伸入反应器内液面以下；圆柱形罐体中充填有软性填料，且软性填料以成串的形式通过软性填料固定件挂接在反应区中；圆柱形罐体外部包裹有中空的保温外壳，且保温外壳上设有导热油进水口和导热油出水口，所述的导热油瓶通过输油管路分别与导热油进水口和导热油出水口连接形成循环回路，且循环回路上设有导热油进液泵；所述的加热底座设置于保温外壳下底部。
作为优选，所述的软性填料采用彗星式软性填料。
作为优选，所述的软性填料由细绳串联后悬挂于反应器内部。
作为优选，所述的圆柱形罐体顶部设有封盖，且封盖上开设有通气孔，以及反应器pH探头和反应器温度探头的安装孔。
作为优选，所述的反应器中，圆柱形罐体直径为120mm，高度为300mm，总容积为3L，有效容积2.5L。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述富集装置的序批式全程硝化菌富集方法，其步骤如下：
在反应器内接种全程硝化菌，使微生物与软性填料接触并附着在软性填料上形成生物膜；然后将进水桶内预先存储的培养基在进水泵的作用下，通过进水桶进料管输入圆柱形罐体内，达到目标液位；然后对反应器进行序批式运行，运行过程中通过控制加热底座和导热油瓶中导热油的循环，保持反应器内部温度控制在25-30℃，同时通过控制缓冲液瓶中缓冲液的添加使反应器内pH稳定在7.50±0.05；序批式运行时，初始运行周期为48h，每个运行周期中依次包含进水、反应、静置、出水四个阶段，其中反应期为47h，静置期为0.5h，进水和排水期共0.5h，每个周期出水500mL，进水则添加等量新鲜培养基，且在反应期始终保持回流泵开启使得反应器中处于水流内循环状态；当反应器连续稳定运行60天后，将运行周期缩短一半，继续运行直至全程硝化菌在软性填料表面富集完成。
作为优选，所述培养基每升含有成分如下：0.2mM NH4CL，75mg KCl，584mg NaCl，4g CaCO3，1ml TES，1ml SWS，50mg MgSO4·7H2O，50mg KH2PO4；所述SWS中每升含有成分如下：0.5g NaOH，3mg Na2SeO3·5H2O，4mg Na2WO4·2H2O；所述TES中每升含有成分如下：34.4mg MnSO4·1H2O，50mg H3BO3，70mg ZnCl2，72.6mg Na2MoO4·2H2O，20mg CuCl2·2H2O，24mg NiCl2·6H2O，80mg CoCl2·6H2O，1g FeSO4·7H2O。
作为优选，所述接种量为20g。
本发明中，反应器内部固定软性填料，软性填料的比表面积较大、亲水性较好，有利于生物膜的形成和微生物生长，给全程硝化菌的富集培养提供了适宜生长的环境条件。反应器设置了回流装置，可以使得反应器内部液体进行交换，在起到循环作用的同时避免使用传统搅拌釜搅拌对反应器造成的扰动。反应器通过顶部的pH探头实时检测反应器内部pH值，并调节缓冲液进水，确保反应器内pH控制在7.50±0.05，有利于全程硝化菌的生长，避免由于pH变化对全程硝化菌富集的影响。同时，由温度探头实时检测反应器内部温度，通过调节加热底座和保温外壳内的导热油循环，使得反应器温度维持在25-30℃，有利于全程硝化菌的富集培养。
本发明与现有技术相比有益效果为：本发明首次运用悬挂软性填料载体的序批式生物反应器对全程硝化菌进行富集培养，并采用内部回水避免使用传统搅拌釜搅拌对反应器造成的扰动，有助于促进全程硝化菌的生长及避免生物量的流失。
附图说明
图1是基于软性填料的序批式全程硝化菌富集装置结构示意图。
图2是另一实施例基于软性填料的序批式全程硝化菌富集装置结构示意图。
图3为反应器运行210天后的全程硝化菌在总细菌中的占比情况。
图中：反应器1、控制柜2、进水桶3、出水桶4、加热底座5、保温外壳6、圆柱形罐体7、反应器pH探头8、反应器温度探头9、缓冲液瓶10、导热油瓶11、反应器出水口12、进水桶进料管13、导热油进水口14、导热油出水口15、上部取样口16、下部取样口17、软性填料固定件18、反应器进水口19、缓冲液进水口20、缓冲液进液泵21、导热油进液泵22、软性填料23、进水泵24、出水泵25、回流出水口26、回流进水口27、回流泵28。
具体实施方式
通过研究表明comammox适合生长在寡营养和低扰动的环境中，而且容易形成生物膜生长。因此反应器通过添加载体促使comammox形成生物膜，并采用序批式的运行方式，通过溢流堰减少扰动从而构建适合comammox生长的环境以加速其富集培养。
如图1所示，一种基于软性填料的序批式全程硝化菌富集装置，主要包括反应器1、进水桶3、出水桶4，其中反应器1包括加热底座5、保温外壳6、圆柱形罐体7、反应器pH探头8、反应器温度探头9、缓冲液瓶10、导热油瓶11、反应器出水口12、进水桶进料管13、导热油进水口14、导热油出水口15、上部取样口16、下部取样口17、软性填料固定件18、反应器进水口19、缓冲液进水口20、缓冲液进液泵21、导热油进液泵22、软性填料23、进水泵24、出水泵25、回流出水口26、回流进水口27、回流泵28。反应器1主体为圆柱形罐体7，圆柱形罐体7内部中空，作为反应区。圆柱形罐体7左侧设有反应器进水口19、缓冲液进水口20和反应器出水口12，圆柱形罐体7右侧设有回流出水口26、上部取样口16和下部取样口17；圆柱形罐体7底部设有回流进水口27。进水桶3通过带有进水泵24的进水桶进料管13连接反应器进水口19，进水桶3中可以预先存储培养基，然后根据培养需要将培养基泵入反应器中。缓冲液瓶10通过带有缓冲液进液泵21的缓冲液进液管道连接缓冲液进水口20，pH缓冲液预先存储于缓冲液瓶10中，根据培养可打开缓冲液进液泵21然后将缓冲液输入反应器内，保持内部pH稳定。反应器出水口12通过带有出水泵25的出水管道连接出水桶4，可根据反应需要启动出水泵25将反应器内部的基质排出。回流进水口27通过带有回流泵28的回流管道连接回流出水口26，在培养过程的反应期，可保持回流泵28启动，将反应器内的基质从抽出进入回流进水口27，然后从回流出水口26重新泵入反应器1。回流液可以不断从反应器底部提升至顶部，从而实现了反应器的内部循环，增加了活性污泥和软性填料的接触，与传统通过搅拌釜搅拌相比，减少了对反应器的扰动。圆柱形罐体7顶部设有封盖，且封盖上开设有通气孔，以及反应器pH探头8和反应器温度探头9的安装孔。反应器pH探头8和反应器温度探头9通过安装孔安装于反应器顶部，且两个探头的感应端均伸入反应器内液面以下，分别实时检测内部基质的pH和温度。圆柱形罐体7中充填有软性填料23，本实施例中软性填料23采用彗星式软性纤维填料。且软性填料23由细绳串联后以成串的形式通过软性填料固定件18挂接在反应区中。圆柱形罐体7外部包裹有中空的保温外壳6，且保温外壳6上设有导热油进水口14和导热油出水口15，导热油存储于导热油瓶11中，导热油瓶11的两个口通过输油管路分别与导热油进水口14和导热油出水口15连接形成循环回路，且循环回路上设有提供动力的导热油进液泵22。加热底座5设置于保温外壳6下底部。当反应器运行时将导热油泵入保温外壳6中，然后通过加热底座5对其进行加热，保持一定温度，当温度过高又可以使保温外壳6中的高温油和导热油瓶11中的低温油形成循环。由此，能够保持反应器中的温度能够得到稳定的保持。
该富集装置的工作过程如下：在反应器1内接种适宜的接种物，微生物与软性填料23接触并附着在软性填料上形成生物膜；进水桶3内的低浓度培养基在进水桶进料管13和进水泵24的作用下通过反应器进水口12进入圆柱形罐体7，出水通过反应器出水口19及出水泵25的作用进入出水桶4，出水流速可以根据需要自行调节。通过反应器pH探头8测量反应器1中的pH值，通过缓冲液控制电磁阀调节缓冲液瓶10的进液量，使反应器1内pH稳定在7.50±0.05；通过反应器温度探头9测量反应器1中的温度，然后通过电磁阀调节导热油瓶11的进液以及加热底座5的加热，使反应器1内温度稳定在25～30℃。由此提供有利于全程硝化菌富集培养的pH和温度环境。反应器1设置了回流出水口26、回流进水口27和回流泵28，使得反应器1内部培养基实现回流。在该装置中，由于反应器1内部固定有软性填料23，软性填料因其比表面积较大的特点有利于生物膜的形成，有利于全程硝化菌富集培养。反应器1通过回流水系统，对培养基进行混合，使得培养基和微生物充分接触，避免了搅拌对反应器造成的损伤，减少生物量损伤。
基于上述富集装置的序批式全程硝化菌富集方法，其步骤如下：
在反应器1内接种全程硝化菌，使微生物与软性填料23接触并附着在软性填料23上形成生物膜；然后将进水桶3内预先存储的培养基在进水泵24的作用下，通过进水桶进料管13输入圆柱形罐体7内，达到目标液位；然后对反应器进行序批式运行，运行过程中通过控制加热底座5和导热油瓶11中导热油的循环，保持反应器内部温度控制在25-30℃，同时通过控制缓冲液瓶10中缓冲液的添加使反应器内pH稳定在7.50±0.05。序批式运行时，初始运行周期为48h，每个运行周期中依次包含进水、反应、静置、出水四个阶段，其中反应期为47h，静置期为0.5h，进水和排水期共0.5h，每个周期出水500mL，进水则添加等量新鲜培养基，且在反应期始终保持回流泵28开启使得反应器中处于水流内循环状态；当反应器连续稳定运行60天后，将运行周期缩短一半，继续运行直至全程硝化菌在软性填料23表面富集完成。
由于整个培养过程中需要不断地切换进行进水、出水、循环，同时还要通过反应器pH探头8和反应器温度探头9监控反应器内部pH、温度的波动并反馈控制，因此在另一优选实施例的富集装置中，可以进一步优化设计控制柜2。为了适应自动化控制的要求，缓冲液进液泵21、导热油进液泵22也可采用电控泵。反应器pH探头8和反应器温度探头9可分别连接控制柜2，同时控制柜与加热底座5、缓冲液进液泵21、导热油进液泵22、进水泵24、出水泵25、回流泵28，由此形成pH和温度的闭环控制，同时实现序批式反应的自动化。
下面基于图1所示的仿砂滤池式的全程硝化菌富集装置以及前述的富集方法，进行comammox的富集培养。具体装置结构和方法步骤不再赘述，仅展示其具体的参数以及技术效果。
实施例
本发明实施例1如下：反应器的圆柱形罐体直径为120mm、高度为300mm，总容积为3L，有效容积2.5L，采用了彗星式软性填料，通过细绳将填料串联起来悬挂于反应器内部。培养初期全程硝化菌接种约20g生物量，整个富集过程中，温度控制在25-30℃，pH控制在7.50±0.05。进水桶3内存储的培养基成分含量如下(每升)：0.2mM NH4CL，75mg KCl，584mgNaCl，4g CaCO3，1ml TES，1ml SWS，50mg MgSO4·7H2O，50mg KH2PO4。其中SWS成分含量为(每升)：0.5g NaOH，3mg Na2SeO3·5H2O，4mg Na2WO4·2H2O。其中TES成分含量为(每升)：34.4mgMnSO4·1H2O，50mg H3BO3，70mg ZnCl2，72.6mg Na2MoO4·2H2O，20mg CuCl2·2H2O，24mgNiCl2·6H2O，80mg CoCl2·6H2O，1g FeSO4·7H2O。反应器初始运行时，先将进水桶3内预先存储的培养基在进水泵24的作用下，通过进水桶进料管13输入圆柱形罐体7内，达到目标液位。反应器的运行方式为序批式，初始运行周期为48h，其中反应期为47h，静置期为0.5h，进水、排水期共0.5h，每个周期出水500mL，进水添加等量新鲜培养基。当反应器按照该方式连续60天处于稳态运行时，则将运行周期缩短一半，即反应期调整为23h，其余不变。如图3所示，总计富集培养210天后，反应器中全程硝化菌的占比增加了16倍。
Claims (7)
1.一种利用基于软性填料的序批式全程硝化菌富集装置的序批式全程硝化菌富集方法，其特征在于，所述基于软性填料的序批式全程硝化菌富集装置包括反应器（1）、进水桶（3）、出水桶（4），其中反应器（1）包括加热底座（5）、保温外壳（6）、圆柱形罐体（7）、反应器pH探头（8）、反应器温度探头（9）、缓冲液瓶（10）、导热油瓶（11）、反应器出水口（12）、进水桶进料管（13）、导热油进水口（14）、导热油出水口（15）、上部取样口（16）、下部取样口（17）、软性填料固定件（18）、反应器进水口（19）、缓冲液进水口（20）、缓冲液进液泵（21）、导热油进液泵（22）、软性填料（23）、进水泵（24）、出水泵（25）、回流出水口（26）、回流进水口（27）、回流泵（28）；反应器（1）主体为圆柱形罐体（7），圆柱形罐体（7）左侧设有反应器进水口（19）、缓冲液进水口（20）和反应器出水口（12），圆柱形罐体（7）右侧设有回流出水口（26）、上部取样口（16）和下部取样口（17）；圆柱形罐体（7）底部设有回流进水口（27）；所述的进水桶（3）通过带有进水泵（24）的进水桶进料管（13）连接反应器进水口（19）；所述缓冲液瓶（10）通过带有缓冲液进液泵（21）的缓冲液进液管道连接缓冲液进水口（20）；所述的反应器出水口（12）通过带有出水泵（25）的出水管道连接出水桶（4）；所述的回流进水口（27）通过带有回流泵（28）的回流管道连接回流出水口（26）；所述的圆柱形罐体（7）顶部设有反应器pH探头（8）和反应器温度探头（9），且两个探头均伸入反应器内液面以下；圆柱形罐体（7）中充填有软性填料（23），且软性填料（23）以成串的形式通过软性填料固定件（18）挂接在反应区中；圆柱形罐体（7）外部包裹有中空的保温外壳（6），且保温外壳（6）上设有导热油进水口（14）和导热油出水口（15），所述的导热油瓶（11）通过输油管路分别与导热油进水口（14）和导热油出水口（15）连接形成循环回路，且循环回路上设有导热油进液泵（22）；所述的加热底座（5）设置于保温外壳（6）下底部；
序批式全程硝化菌富集方法步骤如下：
在反应器（1）内接种全程硝化菌，使微生物与软性填料（23）接触并附着在软性填料（23）上形成生物膜；然后将进水桶（3）内预先存储的培养基在进水泵（24）的作用下，通过进水桶进料管（13）输入圆柱形罐体（7）内，达到目标液位；然后对反应器进行序批式运行，运行过程中通过控制加热底座（5）和导热油瓶（11）中导热油的循环，保持反应器内部温度控制在25-30℃，同时通过控制缓冲液瓶（10）中缓冲液的添加使反应器内pH稳定在7.50±0.05；序批式运行时，初始运行周期为48h，每个运行周期中依次包含进水、反应、静置、出水四个阶段，其中反应期为47h，静置期为0.5h，进水和排水期共0.5h，每个周期出水500mL，进水则添加等量新鲜培养基，且在反应期始终保持回流泵（28）开启使得反应器中处于水流内循环状态；当反应器连续稳定运行60天后，将运行周期缩短一半，继续运行直至全程硝化菌在软性填料（23）表面富集完成。
2.如权利要求1所述的序批式全程硝化菌富集方法，其特征在于所述的软性填料（23）采用彗星式软性填料。
3.如权利要求1所述的序批式全程硝化菌富集方法，其特征在于所述的软性填料（23）由细绳串联后悬挂于反应器内部。
4.如权利要求1所述的序批式全程硝化菌富集方法，其特征在于所述的圆柱形罐体（7）顶部设有封盖，且封盖上开设有通气孔，以及反应器pH探头（8）和反应器温度探头（9）的安装孔。
5.如权利要求1所述的序批式全程硝化菌富集方法，其特征在于所述的反应器中，圆柱形罐体（7）直径为120mm，高度为300mm，总容积为3L，有效容积2.5L。
6. 如权利要求1所述的序批式全程硝化菌富集方法，其特征在于，所述培养基每升含有成分如下：0.2mM NH4CL，75mg KCl，584mg NaCl，4g CaCO3，1ml TES，1ml SWS，50mgMgSO4·7H2O，50mg KH2PO4；所述SWS中每升含有成分如下：0.5g NaOH，3mg Na2SeO3·5H2O，4mg Na2WO4·2H2O；所述TES中每升含有成分如下：34.4mg MnSO4·1H2O，50mg H3BO3，70mgZnCl2，72.6mg Na2MoO4·2H2O，20mg CuCl2·2H2O，24mg NiCl2·6H2O，80mg CoCl2·6H2O，1gFeSO4·7H2O。
7.如权利要求1所述的序批式全程硝化菌富集方法，其特征在于，所述全程硝化菌的接种量为20g。
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