CN109851065B

CN109851065B - 砂滤池式全程硝化菌富集装置及其方法

Info

Publication number: CN109851065B
Application number: CN201910224145.2A
Authority: CN
Inventors: 胡宝兰; 赵宇翔; 杨韦玲; 胡佳杰; 王家骐; 叶天强; 胡勤海; 郑平
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2019-03-22
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2023-09-22
Anticipated expiration: 2039-03-22
Also published as: CN109851065A

Abstract

本发明公开了一种仿砂滤池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，罐体内部填充石英砂，石英砂下方以活性炭过滤板和多孔板作为支撑。活性炭过滤板可以强化过滤效果，防止生物量流失到反应器下部。反应器通过进水装置连续进水，反应器内的培养基通过蠕动泵从底部提升至顶部，实现培养基的内循环。本发明可以为全程硝化菌提供类似水厂砂滤池的寡营养环境，反应器内部填充的石英砂和活性炭过滤板，可供微生物附着生长，还能有效防止生物量的流失，并且使用蠕动泵使培养基缓慢循环，充分扩散，从而实现全程硝化菌的有效富集，获得高纯的富集培养物。本发明培养210天后，comammox相对丰度提高了了20.4倍，有效实现了对comammox的富集。

Description

砂滤池式全程硝化菌富集装置及其方法

技术领域

本发明属于微生物富集装置领域，具体涉及一种砂滤池式全程硝化菌富集装置及其方法。

背景技术

硝化作用是自然界氮循环的中间环节，人们通常认为硝化过程分为两步进行，第一步是氨在氨氧化微生物(ammonia oxidizing microorganism，AOM)的作用下氧化成亚硝酸盐，第二步是亚硝酸盐在亚硝酸盐氧化菌(nitrite-oxidizing bacteria，NOB)的作用下氧化成硝酸盐。理论上，由一种微生物完成从铵态氮到硝酸盐的氧化更具能量优势，而自然界却选择将硝化作用分成两步进行，这个问题困扰了科学家们很多年。2006年，Costa等预测存在一种微生物可以独立将氨氮氧化至硝氮，并将这种理论上能完整进行硝化作用的菌命名为全程硝化菌(comammox)。而直到2015年，两大实验室同时得到了comammox的富集培养物，才证明了comammox的存在。富集培养物的宏基因组数据表明，comammox可以独自完成从氨氮到硝酸盐的氧化。全程硝化菌倾向于生长在缓流、生长基质浓度低的生境中，往往会形成微生物絮体或生物膜。

从全程硝化菌的首次发现到现在仅仅三年多的时间，对于它的研究刚刚处于初始阶段，有很多的东西值得我们去探索。然而，由于全程硝化菌的生长较为缓慢，也会与氨氧化细菌、氨氧化古菌以及厌氧氨氧化菌竞争生长，因此较难获得高纯度的富集培养物，这也限制了该反应的机理研究和应用研究。为获得高纯的富集培养物，需要使用一种具有选择性的富集培养装置，可以选择性促进全程硝化菌生长，所以设计一种专门用于全程硝化菌的富集装置具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是通过在反应器中加入石英砂、活性炭过滤板和多孔板模拟砂滤池条件克服微生物的流失，给全程硝化菌提供载体便于形成生物膜，并通过控制温度和pH给全程硝化菌提供适宜生长的环境条件，构建一种仿砂滤池式的全程硝化菌富集装置。本发明具体采用的技术方案如下：

一种仿砂滤池式的全程硝化菌富集装置，包括反应器、水浴锅、进水桶、沉淀瓶、出水桶，其中反应器包括圆柱形罐体、控温夹套、反应器pH探头、反应器进水口、反应器出水口、上部采样口、控温夹套出水口、下部采样口、回流出水口、控温夹套进水口、回流进水口、进水桶进料管、进水泵、回流泵、石英砂、活性炭过滤板、多孔板；反应器主体为圆柱形罐体，圆柱形罐体左侧设置反应器进水口和回流出水口，右侧设有反应器出水口、上部采样口和下部采样口，反应器顶部设有伸入反应器内液面以下的反应器pH探头，反应器底部设有回流进水口，反应器内部设有一块沿横截面架设的多孔板，且多孔板上方依次铺有活性炭过滤板和一层石英砂；反应器外侧包裹有控温夹套，控温夹套的左侧设置控温夹套进水口，右侧设置控温夹套出水口，水浴锅与控温夹套出水口和控温夹套进水口相连构成水浴循环回路；所述的进水桶通过进水桶进料管连接反应器进水口，且进水桶进料管上设有进水泵；所述的反应器出水口高于石英砂层体表面，反应器出水口依次连接沉淀瓶和出水桶；所述回流进水口通过带有回流泵的回流管路连接回流出水口。

作为优选，所述反应器中，圆柱形罐体的直径为120mm，高度为300mm。

作为优选，所述反应器中，石英砂填充量1L。

作为优选，所述活性炭过滤板的厚度为1.5cm。

作为优选，所述多孔板的厚度为0.5cm。

作为优选，所述反应器中，圆柱形罐体顶部设有封盖，且封盖上开设有通气孔和反应器pH探头的安装孔。

作为优选，所述上部采样口和下部采样口分别设在石英砂的表面上方和下方。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述富集装置的全程硝化菌富集方法，其步骤如下：

在培养初期，将全程硝化菌接种至反应器内，使微生物与石英砂接触并附着在石英砂上；然后将进水桶中预先存储的培养基在进水泵的作用下，通过进料管泵入圆柱形罐体中至液面不低于反应器出水口高度；然后对反应器进行序批式运行，运行过程中内部温度控制在25-30℃，pH控制在7-7.5，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石英砂表面富集完成。

作为优选，所述培养基每升含有成分如下：0.2mM NH₄CL，50mg KH₂PO₄，75mg KCl，50mg MgSO₄·7H₂O，584mg NaCl，4g CaCO₃，1ml TES，1ml SWS；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；所述SWS中每升含有成分如下：0.5g NaOH，3mg Na₂SeO₃·5H₂O，4mg Na₂WO₄·2H₂O。

作为优选，所述全程硝化菌的接种量为20g。

本发明的反应器采用沉淀瓶出水，每次出水只去除上清液，将部分流失的微生物截留在沉淀瓶中，避免了由于出水导致的生物量流失，有利于全程硝化菌的富集。反应器内部通过石英砂、活性炭过滤板和多孔板模拟砂滤池条件，使得微生物在石英砂表面形成生物膜，有利于全程硝化菌的生长，也能够完全吸附微生物。反应器设置了回流水系统，包含回流出水口、回流进水口和蠕动泵，回流水使得反应器内部实现循环，为全程硝化菌的生长提供了有利条件。反应器由水浴锅和控温夹套的共同作用控制反应器内部的温度，使得反应器能保持在25～30℃最适合全程硝化菌生长的条件，同时通过反应器pH探头监控反应器内部pH波动，并通过调节pH的变化，为全程硝化菌的富集培养提供最适合的环境条件。

本发明与现有技术相比有益效果为：1)本发明反应罐首次采用砂滤池式的间歇式(SBR)反应器对全程硝化菌进行富集，有利于微生物的附着和生物膜的生成，避免进出水对全程硝化菌的扰动；2)本发明首次在全程硝化菌富集尾端加入沉淀瓶的设计，极大程度地降低微生物的流失，有利于全程硝化菌的富集培养；3)本发明采用回流水系统，使得培养基可以在反应器内部实现循环，模拟砂滤池的运行，使得生物完全被石英砂截留，不会由于出水导致生物量流失。

附图说明

图1是仿砂滤池式的全程硝化菌富集装置结构示意图。

图2是另一实施例仿砂滤池式的全程硝化菌富集装置结构示意图。

图3为反应器运行不同天数后的全程硝化菌富集程度变化。

图中：反应器1、控制柜2、水浴锅3、进水桶4、沉淀瓶5、出水桶6，圆柱形罐体7、控温夹套8、反应器pH探头9、反应器进水口10、反应器出水口11、上部采样口12、控温夹套出水口13、下部采样口14、回流出水口15、控温夹套进水口16、回流进水口17、进水桶进料管18、进水泵19、回流泵20、石英砂21、活性炭过滤板22、多孔板23。

具体实施方式

通过研究表明comammox在寡营养的环境中更具有竞争优势，并且生长时需要依附载体形成生物膜。自来水厂的砂滤池中comammox丰度很高，沙粒表面形成了厚厚的生物膜，因此反应器模仿了普通快滤池的结构，对comammox进行富集培养。

如图1所示，仿砂滤池式的全程硝化菌富集装置，其主要包括反应器1、水浴锅3、进水桶4、沉淀瓶5、出水桶6几大部分。其中反应器1包括圆柱形罐体7、控温夹套8、反应器pH探头9、反应器进水口10、反应器出水口11、上部采样口12、控温夹套出水口13、下部采样口14、回流出水口15、控温夹套进水口16、回流进水口17、进水桶进料管18、进水泵19、回流泵20、石英砂21、活性炭过滤板22、多孔板23。反应器1主体为圆柱形罐体7，圆柱形罐体7左侧设置反应器进水口10和回流出水口15，右侧从上到下依次设有反应器出水口11、上部采样口12和下部采样口14，反应器顶部设有封盖，且封盖上开设有通气孔和反应器pH探头9的安装孔。反应器pH探头9安装于封盖上的安装孔中，且其探头的感应端伸入反应器内液面以下，用于检测反应器内反应液的pH值。反应器的圆柱形罐体7底部设有一个半圆壳状的封头，封头的底部设有回流进水口17。反应器的圆柱形罐体7内底部设有一块沿横截面架设的多孔板23，且多孔板23上方依次铺有活性炭过滤板22和一层石英砂21，多孔板23主要对上方的活性炭过滤板22和石英砂21起到支撑作用。活性炭过滤板可以强化过滤效果，防止生物量流失到反应器下部。反应器外侧包裹有控温夹套8，控温夹套8的左侧设置控温夹套进水口16，右侧设置控温夹套出水口13，水浴锅3与控温夹套出水口13和控温夹套进水口16相连构成水浴循环回路，水浴循环回路中可以设置水泵以提供循环动力。通过水浴锅3内水温调控，可以改变控温夹套8对反应器内温度的调节，由水浴锅3和控温夹套8的共同作用控制反应器内部的温度，使得反应器能保持在25～30℃最适合全程硝化菌生长的条件。进水桶4中预先存储有用于培养全程硝化菌的基质，通过进水桶进料管18连接反应器进水口10，且进水桶进料管18上设有提供动力的进水泵19。反应器出水口11高于石英砂21层体表面一定距离，上部采样口12和下部采样口14分别设在石英砂21的表面上方和下方。为了便于控制，反应器出水口11、上部采样口12、下部采样口14等位置可以设置控制开闭的阀门。反应器出水口11通过出水管路依次连接沉淀瓶5和出水桶6，从反应器出水口11流出的出水，先在沉淀瓶中进行沉淀，然后再排入出水桶6中。沉淀瓶5可以降低出水中微生物的流失，有利于全程硝化菌的富集培养。另外，回流进水口17通过带有回流泵20的回流管路连接回流出水口15，在培养反应过程中可以开启回流泵20保持反应器内部处于回流状态，反应器内部的水从回流进水口17进入回流管路，然后再从回流出水口15流出回流管路，最后重新返回反应器中。因此反应器内部的水流时不断由上到下循环的，回流过程中，从回流出水口15进入的液体需要依次流经多孔板23、活性炭过滤板22和石英砂21后，才能进入多孔板23下方区域。本发明中，进水泵19、回流泵20都可以采用蠕动泵，以实现定量、定速的进液控制。出水的定量控制，可以通过在平齐反应器出水口11的液面基础上，定量进水并反应后再重力自流出水实现，也可以在出水管路上设置蠕动泵等实现。

该富集装置的工作过程为：当反应器1内接种原始接种物后，微生物与石英砂21、活性炭过滤板22和多孔板23接触并附着在石英砂21上形成生物膜。进水桶4内配有低浓度的培养基在进水泵19的作用下通过进料管18和反应器进水口10进入圆柱形罐体7，出水通过沉淀瓶5进入出水桶6，回流水通过回流泵20从回流进水口17流至回流出水口15进入反应器1。而在培养过程中，水浴锅3连接控温夹套8的出水口13和进水口16，可以对反应器的温度进行调节。在该富集装置中，反应器1通过沉淀瓶5进行出水，每次出水只去除上清液，完全将微生物截留在反应器中，避免了由于出水导致的生物量流失，有利于全程硝化菌的富集培养。反应器内部通过石英砂21、活性炭过滤板22和多孔板23模拟砂滤池条件，使得微生物在石英砂21表面形成生物膜，有利于全程硝化菌的生长，也能够完全吸附微生物。而且反应器设置了回流水系统，包含回流出水口15、回流进水口17和回流泵20，回流水从反应器底部流出，从顶部重新注入，使得反应器内部实现循环，为全程硝化菌的富集培养提供了有利的环境条件。

基于上述富集装置的全程硝化菌富集方法，其步骤如下：

在培养初期，将全程硝化菌接种至反应器1内，使微生物与石英砂21接触并附着在石英砂21上；然后将进水桶4中预先存储的培养基在进水泵19的作用下，通过进料管18泵入圆柱形罐体7中至液面不低于反应器出水口11高度；然后对反应器进行序批式运行，运行过程中内部温度控制在25-30℃，pH控制在7-7.5，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20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石英砂21表面富集完成。

本发明可以为全程硝化菌提供类似水厂砂滤池的寡营养环境，反应器内部填充的石英砂和活性炭过滤板，可供微生物附着生长，还能有效防止生物量的流失，并且使用回流泵使培养基缓慢循环，充分扩散，从而实现全程硝化菌的有效富集，获得高纯的富集培养物。

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9监控反应器内部pH的波动，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。反应器pH探头9连接控制柜2，对反应器内基质的pH进行监控，并通过添加pH缓冲液等方式调节pH的变化，为全程硝化菌的富集培养提供最适合的环境条件。反应器出水口11、上部采样口12、下部采样口14等位置的阀门可以设为电磁阀，这些电磁阀以及整个装置中的泵等电气设备可以统一有控制柜2进行控制，实现自动化运行。

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1

本发明实施例1中：圆柱形罐体的直径为120mm，高度为300mm。石英砂填充量1L，活性炭过滤板的厚度为1.5cm，多孔板的厚度为0.5cm。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7-7.5。进水桶4存储的培养基成分含量如下(每升)：0.2mM NH₄CL，50mg KH₂PO₄，75mg KCl，50mg MgSO₄·7H₂O，584mg NaCl，4gCaCO₃，1ml TES，1ml SWS。其中TES成分含量为(每升)：34.4mg MnSO₄·1H₂O，50mg H₃BO₃，70mg ZnCl₂，72.6mg Na₂MoO₄·2H₂O，20mg CuCl₂·2H₂O，24mg NiCl₂·6H₂O，80mg CoCl₂·6H₂O，1g FeSO₄·7H₂O。其中SWS成分含量为(每升)：0.5g NaOH，3mg Na₂SeO₃·5H₂O，4mgNa₂WO₄·2H₂O。

反应器初始运行时，先将进水桶4中预先存储的培养基在进水泵19的作用下泵入圆柱形罐体7内腔，直至液面与反应器出水口11高度平齐。然后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，每个周期进水添加500mL新鲜培养基，出水则排出等量500mL液体。在反应期始终保持回流泵20开启使得反应器中处于水流内循环状态。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，相对于初始培养的第1个月，在培养末期的第7个月时，反应器中comammox相对丰度提高了了20.4倍，有效实现了对comammox的富集。

Claims

1.一种利用仿砂滤池式的全程硝化菌富集装置的全程硝化菌富集方法，其特征在于，所述仿砂滤池式的全程硝化菌富集装置包括反应器（1）、水浴锅（3）、进水桶（4）、沉淀瓶（5）、出水桶（6），其中反应器（1）包括圆柱形罐体（7）、控温夹套（8）、反应器pH探头（9）、反应器进水口（10）、反应器出水口（11）、上部采样口（12）、控温夹套出水口（13）、下部采样口（14）、回流出水口（15）、控温夹套进水口（16）、回流进水口（17）、进水桶进料管（18）、进水泵（19）、回流泵（20）、石英砂（21）、活性炭过滤板（22）、多孔板（23）；反应器（1）主体为圆柱形罐体（7），圆柱形罐体（7）左侧设置反应器进水口（10）和回流出水口（15），右侧设有反应器出水口（11）、上部采样口（12）和下部采样口（14），反应器顶部设有伸入反应器内液面以下的反应器pH探头（9），反应器底部设有回流进水口（17），反应器内部设有一块沿横截面架设的多孔板（23），且多孔板（23）上方依次铺有活性炭过滤板（22）和一层石英砂（21）；反应器外侧包裹有控温夹套（8），控温夹套（8）的左侧设置控温夹套进水口（16），右侧设置控温夹套出水口（13），水浴锅（3）与控温夹套出水口（13）和控温夹套进水口（16）相连构成水浴循环回路；所述的进水桶（4）通过进水桶进料管（18）连接反应器进水口（10），且进水桶进料管（18）上设有进水泵（19）；所述的反应器出水口（11）高于石英砂（21）层体表面，反应器出水口（11）依次连接沉淀瓶（5）和出水桶（6）；所述回流进水口（17）通过带有回流泵（20）的回流管路连接回流出水口（15）；

全程硝化菌富集方法步骤如下：在培养初期，将全程硝化菌接种至反应器（1）内，使微生物与石英砂（21）接触并附着在石英砂（21）上；然后将进水桶（4）中预先存储的培养基在进水泵（19）的作用下，通过进料管（18）泵入圆柱形罐体（7）中至液面不低于反应器出水口（11）高度；然后对反应器进行序批式运行，运行过程中内部温度控制在25-30℃，pH控制在7-7.5，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（20）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石英砂（21）表面富集完成。

2.根据权利要求1所述的全程硝化菌富集方法，其特征在于：所述反应器（1）中，圆柱形罐体（7）的直径为120mm，高度为300mm。

3.根据权利要求1所述的全程硝化菌富集方法，其特征在于：所述反应器（1）中，石英砂（21）填充量1L。

4.根据权利要求1所述的全程硝化菌富集方法，其特征在于：所述活性炭过滤板（22）的厚度为1.5cm。

5.根据权利要求1所述的全程硝化菌富集方法，其特征在于：所述多孔板（23）的厚度为0.5cm。

6.根据权利要求1所述的全程硝化菌富集方法，其特征在于：所述反应器（1）中，圆柱形罐体（7）顶部设有封盖，且封盖上开设有通气孔和反应器pH探头（9）的安装孔。

7.根据权利要求1所述的全程硝化菌富集方法，其特征在于：所述上部采样口（12）和下部采样口（14）分别设在石英砂（21）的表面上方和下方。

8. 如权利要求1所述的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，50mg KH₂PO₄，75mg KCl，50mg MgSO₄·7H₂O，584mg NaCl，4g CaCO₃，1mlTES，1ml SWS；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，1gFeSO₄·7H₂O；所述SWS中每升含有成分如下：0.5g NaOH，3mg Na₂SeO₃·5H₂O，4mg Na₂WO₄·2H₂O。

9.如权利要求1所述的全程硝化菌富集方法，其特征在于，所述全程硝化菌接种量为20g。