CN110004047B - 富集反硝化型厌氧甲烷氧化微生物的串联管式中空纤维膜装置及其方法 - Google Patents
富集反硝化型厌氧甲烷氧化微生物的串联管式中空纤维膜装置及其方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110004047B CN110004047B CN201910251288.2A CN201910251288A CN110004047B CN 110004047 B CN110004047 B CN 110004047B CN 201910251288 A CN201910251288 A CN 201910251288A CN 110004047 B CN110004047 B CN 110004047B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- hollow fiber
- fiber membrane
- reactor
- water
- pipe
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 154
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 148
- 239000012510 hollow fiber Substances 0.000 title claims abstract description 134
- 244000005700 microbiome Species 0.000 title claims abstract description 66
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 title claims description 24
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 title claims description 24
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 142
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims abstract description 29
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 24
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 24
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 24
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims abstract description 12
- 230000002572 peristaltic effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 83
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 19
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 claims description 16
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 12
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 12
- 239000010802 sludge Substances 0.000 claims description 12
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 10
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 claims description 8
- 238000011081 inoculation Methods 0.000 claims description 4
- 238000012856 packing Methods 0.000 claims description 3
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims 2
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 9
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 6
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 6
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000003760 magnetic stirring Methods 0.000 description 4
- 239000010865 sewage Substances 0.000 description 4
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 3
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005273 aeration Methods 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000001404 mediated effect Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000001546 nitrifying effect Effects 0.000 description 2
- 238000004065 wastewater treatment Methods 0.000 description 2
- 241000203069 Archaea Species 0.000 description 1
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002651 NO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N Nitrate Chemical compound [O-][N+]([O-])=O NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- IOVCWXUNBOPUCH-UHFFFAOYSA-M Nitrite anion Chemical compound [O-]N=O IOVCWXUNBOPUCH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- MMDJDBSEMBIJBB-UHFFFAOYSA-N [O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[NH6+3] Chemical compound [O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[NH6+3] MMDJDBSEMBIJBB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000029087 digestion Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000006241 metabolic reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 1
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
- C12M23/02—Form or structure of the vessel
- C12M23/06—Tubular
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
- C12M23/58—Reaction vessels connected in series or in parallel
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M25/00—Means for supporting, enclosing or fixing the microorganisms, e.g. immunocoatings
- C12M25/10—Hollow fibers or tubes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
- C12M29/06—Nozzles; Sprayers; Spargers; Diffusers
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Zoology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Clinical Laboratory Science (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Immunology (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
- Purification Treatments By Anaerobic Or Anaerobic And Aerobic Bacteria Or Animals (AREA)
Abstract
本发明公开了一种富集反硝化型厌氧甲烷氧化微生物的串联管式中空纤维膜装置及其方法。它包括串联反应器系统、进出水系统、进出气系统。串联反应器系统由一定数量的管式中空纤维膜反应器串联组成。单根管式中空纤维膜反应器包括筒体、中空纤维膜束。进水系统包括进水罐、蠕动泵和进水管；出水系统包括溢流管、溢流瓶、出水管和出水罐。进气系统包括甲烷钢瓶、干路进气管和支路进气管；出气系统包括支路出气管、支路出气阀、出气汇流板、干路出气管和气袋。本发明利用管程的变化可以实现溶解氧浓度的梯度消减，反应器前端的好氧微生物消耗水体中的溶解氧，为后端厌氧甲烷氧化微生物提供厌氧条件，从而有效富集反硝化型厌氧甲烷氧化微生物。
Description
技术领域
本发明属于微生物培养富集装置领域，具体涉及一种富集反硝化型厌氧甲烷氧化微生物的串联管式中空纤维膜装置及其方法。
背景技术
反硝化型厌氧甲烷氧化(N-DAMO)微生物包括硝酸盐型厌氧甲烷氧化古菌(Na-DAMO)和亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化细菌(Ni-DAMO)，能够耦合甲烷的厌氧氧化和硝酸盐或亚硝酸盐的还原过程，Na-DAMO和Ni-DAMO介导的甲烷氧化理论方程式如下：
ΔGo'＝-765kJmol-1
ΔGo'＝-928kJmol-1
近年来，随着污水处理概念厂的提出，污水处理厂的低碳处理和能源开发成为可持续发展共识。N-DAMO微生物能够利用污泥厌氧消化过程产生的甲烷，将传统污水处理工艺末端的硝态氮还原为氮气。一方面，将甲烷氧化为二氧化碳排放，减少了排放气体的温室效应；另一方面，以原位产生的甲烷为电子受体，省略了传统反硝化过程中外加的有机碳源，节约了运营成本。因此，N-DAMO微生物具有很好的工程应用前景。
微生物介导的反硝化型厌氧甲烷氧化过程涉及气相、液相和生物相三相反应。目前N-DAMO微生物富集工作中用到的反应器类型有磁搅式，磁搅气升式和一体式中空纤维膜反应器。磁搅气升式在磁搅式的基础上，采用微孔曝气的方式增大了气液接触面积，强化了甲烷传质过程；一体式中空纤维膜反应器在保证气体传质效果的前提下，使生物相附着于膜表面，减少了连续流运行过程中生物量的损失，且通常设置液体外循环，使反应器内液相接近完全混合状态。研究表明反硝化型厌氧甲烷氧化微生物需在严格厌氧的条件下生长，因此实验规模下的全混合态反应器的进水罐需进行预曝气处理以去除进水中的溶解氧，但实际污水处理厂中二沉池出水往往不能达到完全厌氧的状态。此外，一体式中空纤维膜反应器面临膜污染后反应装置整体崩溃的问题，在实际废水处理过程中的可调性较差。
基于以上问题，本专利提出一种反硝化型厌氧甲烷氧化微生物富集用串联管式中空纤维膜装置。该装置内的流体流态接近平推流状态，液相条件包括基质浓度、溶解氧以及pH等会随着流经管程的不同而梯度变化。对于含有一定溶解氧浓度的废水，该装置可利用前端的好氧微生物预消耗水体中的溶解氧，为后端反硝化型厌氧甲烷氧化微生物提供适宜的生长条件。同时，串联系统的设置增加了反应器系统的灵活性，实际运行中可更换部分管式中空纤维膜反应器或调整管式中空纤维膜反应器的位置来应对膜污染问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中进水不能达到完全厌氧状态时，一体式中空纤维膜反应器面临膜污染后装置整体崩溃的问题，并提供一种富集反硝化型厌氧甲烷氧化微生物的串联管式中空纤维膜装置，使反硝化型厌氧甲烷氧化微生物在富集过程中对进水中的溶解氧具有一定的缓冲能力，同时提供一种灵活性较高的微生物培养装置，对实际废水的处理具有更好的适应性。
本发明具体采用的技术方案如下：
一种反硝化型厌氧甲烷氧化微生物富集用串联管式中空纤维膜装置，它包括串联反应器系统、进水系统、出水系统、进气系统和出气系统；
所述串联反应器系统包括若干管式中空纤维膜反应器和若干串联管；每个管式中空纤维膜反应器包括筒体和中空纤维膜束，所述筒体底部设有进水口和进气口，筒体顶部设有出水口和出气口，中空纤维膜束沿轴向设置于筒体内腔中，中空纤维膜束顶端封闭，底端连通进气口，筒体内设置有溶解氧探头和pH探头；若干条管式中空纤维膜反应器的水流流路串联，位于上游的管式中空纤维膜反应器的出水口通过串联管连接位于下游的管式中空纤维膜反应器的进水口；
所述的进水系统包括进水罐、进水泵和进水管，进水管连接进水罐和位于串联流路最前端的管式中空纤维膜反应器的进水口，所述进水泵设置于进水管上；
所述出水系统包括溢流管、溢流瓶、出水管和出水罐，溢流管连接溢流瓶和位于串联流路最末端的管式中空纤维膜反应器的出水口，溢流瓶通过出水管连接出水罐；
所述进气系统包括甲烷钢瓶、干路进气管和支路进气管，干路进气管一端连接甲烷钢瓶的出气口，另一端分别连接若干条支路进气管，每条支路进气管分别连接一个管式中空纤维膜反应器的进气口；靠近出气口位置的干路进气管设有干路进气阀和干路气压表，每条所述的支路进气管上分别设有支路进气阀和支路气压表；
所述的出气系统包括支路出气管、汇流板、干路出气管和气袋，每个管式中空纤维膜反应器的出气口分别通过带有支路出气阀的干路出气管连接至汇流板，经汇流板汇流后经由干路出气管连接至气袋。
作为优选，管式中空纤维膜反应器的长径比为8～20。
作为优选，管式中空纤维膜反应器内的膜丝填充密度为100～500m2/m3。
作为优选，所述的串联反应器系统中，至少有3个及以上的管式中空纤维膜反应器。
作为优选，所述的管式中空纤维膜反应器的串联方式为水平横向串联、垂直竖向串联或横竖向组合串联。
作为优选，所述的进水泵采用蠕动泵。
作为优选，所述的溢流瓶的水流进口低于出口，且出口高度与管式中空纤维膜反应器的最高液面高度平齐。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述串联管式中空纤维膜装置的硝化型厌氧甲烷氧化微生物富集方法，其步骤如下：
向进水罐中加入悬浮态接种污泥，开启进水系统中的进水泵，通过进水管给串联反应器系统持续接种污泥，接种至串联管式中空纤维膜反应器内的中空纤维膜束表面附着一层污泥后，关闭进水泵；将进水罐中液体更换为新鲜培养基，开启进水泵，使新鲜培养基通过进水管进入沿程的管式中空纤维膜反应器，调节流量使反应器内的流体流态呈平推流态；培养基经串联管流经整个串联反应器系统，最后通过溢流管进入溢流瓶，待溢流瓶内液面与管式中空纤维膜反应器内液面高度平齐后，出水流经出水管进入出水罐；打开并调节进气系统中的干路进气阀，使干路气压表的读数在1.2atm，然后依次打开和调节支路进气阀，使各支路气压表的读数保持一致，再调节干路进气阀，使各支路进气阀的读数保持在1.2atm；甲烷钢瓶中的甲烷气体经干路进气管、支路进气管流入管式中空纤维膜反应器，通过中空纤维膜束的侧壁溢出并溶于液相，供膜上微生物利用；当支路气压表的度数下降至1.0atm以下时，重新调节干路进气阀和支路进气阀，恢复支路气压至1.2atm；生物反应过程产生的气体通过管式中空纤维膜反应器顶部的出气口进气支路出气管，定期打开支路出气阀，将气体排入汇流板，最终通过干路出气管进入气袋；保持新鲜培养基持续进入沿程的各管式中空纤维膜反应器中，串联流路前端的好氧微生物逐渐消耗新鲜培养基中的溶解氧，沿管程形成溶解氧浓度梯度消减的状态，为后端厌氧甲烷氧化微生物提供厌氧条件，好氧甲烷氧化微生物和反硝化型厌氧甲烷氧化微生物沿管程逐渐分离，实现反硝化型厌氧甲烷氧化微生物的富集。
作为优选，串联反应器系统内，各管式中空纤维膜反应器中的流体流态均为平推流状态或接近平推流状态；管式中空纤维膜反应器内的pH维持在7.0-7.5范围内。
作为优选，串联反应器系统中的气路通过并联的方式连接，支路进气管中的气压可通过干路进气阀和支路进气阀协同调节，各支路气压相等且在1～2atm范围内。
本发明具有的有益效果：1)利用中空纤维膜进行通气，保证了气液接触面积和甲烷分压，保证了优良的甲烷传质效果，同时使生物相附着于中空纤维膜表面，具有良好的生物截留作用；2)利用管式反应器通过控制流量使装置内的流体流态接近平推流态，利用串联的方式增加管程，使前端的微生物消耗进水体中的溶解氧，为后端的反硝化型厌氧甲烷氧化微生物提供厌氧环境，同时有利于实现富集目标微生物和好氧微生物的分离；3)整个系统通过多个管式中空纤维膜反应器串联连接，反应器的个数和位置可灵活调整，对进水负荷冲击有较强的缓冲能力。
附图说明
图1为一种反硝化型厌氧甲烷氧化微生物富集用串联管式中空纤维膜装置示意图。
图2为管式中空纤维膜反应器示意图。
图中附图标记：串联反应器系统Ⅰ、进水系统Ⅱ、出水系统Ⅲ、进气系统Ⅳ、出气系统Ⅴ、管式中空纤维膜反应器1、串联管2、筒体3、中空纤维膜束4、进水口5、出水口6、液体取样口7、进气口8、出气口9、进水罐10、进水泵11、进水管12、溢流管13、溢流瓶14、出水管15、出水罐16、甲烷钢瓶17、干路进气阀18、干路气压表19、干路进气管20、支路进气管21、支路进气阀22、支路气压表23、支路出气阀24、支路出气管25、汇流板26、干路出气管27、气袋28、自动控制箱29、溶解氧探头30和pH探头31。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
如图1所示，为本发明实施例中提供的一种反硝化型厌氧甲烷氧化微生物富集用串联管式中空纤维膜装置，其主要结构包括串联反应器系统Ⅰ、进水系统Ⅱ、出水系统Ⅲ、进气系统Ⅳ和出气系统Ⅴ几大部分。下面分别对各部分的结构和连接方式进行详细描述。
串联反应器系统Ⅰ包括若干管式中空纤维膜反应器1和若干串联管2。每个管式中空纤维膜反应器1包括筒体3和中空纤维膜束4，筒体3呈中空圆筒状，两端封闭。筒体3底部设有进水口5和进气口8，筒体3顶部设有出水口6和出气口9，中空纤维膜束4沿轴向设置于筒体3内腔中，中空纤维膜束4的分布方式是单端封闭，即顶端封闭，底端不封闭，连通出气口9。筒体3内设置有溶解氧探头30和pH探头31，溶解氧探头30和pH探头31伸入筒体内的液面下方。多条管式中空纤维膜反应器1的水流流路串联，位于上游的管式中空纤维膜反应器1的出水口6通过串联管2连接位于下游的管式中空纤维膜反应器1的进水口5，然后逐个相连，使反应器内的水流能够逐级流动。
进水系统Ⅱ包括进水罐10、进水泵11和进水管12，进水罐10中可以根据需要存储悬浮态接种污泥和培养基。进水管12连接进水罐10和位于串联流路最前端的管式中空纤维膜反应器1的进水口5，进水泵11设置于进水管12上，用于提供进水动力。为了实现定量进料，进水泵11可以采用蠕动泵实现。
出水系统Ⅲ包括溢流管13、溢流瓶14、出水管15和出水罐16，溢流管13连接溢流瓶14和位于串联流路最末端的管式中空纤维膜反应器1的出水口6。溢流瓶14的作用是使串联反应器系统Ⅰ的出水能够呈溢流状态。溢流瓶14上设有一个水流进口和一个水流出口，水流进口高度低于水流出口，而水流出口高度与管式中空纤维膜反应器1的最高液面高度平齐。溢流瓶14的水流出口通过出水管15连接出水罐16。
进气系统Ⅳ包括甲烷钢瓶17、干路进气管20和支路进气管21，干路进气管20一端连接甲烷钢瓶17的出气口，另一端分成多路，分别连接若干条支路进气管21。每条支路进气管21分别连接一个且仅有一个管式中空纤维膜反应器1的进气口8。靠近出气口位置的干路进气管20设有干路进气阀18和干路气压表19，每条所述的支路进气管21上分别设有支路进气阀22和支路气压表23，用于对干路和支路的气压进行调整。
出气系统Ⅴ包括支路出气管25、汇流板26、干路出气管27和气袋28，每个管式中空纤维膜反应器1的出气口9分别通过带有支路出气阀24的干路出气管27连接至汇流板26的不同进气口，经汇流板26汇流后经由干路出气管27统一连接至气袋28，对气体进行收集，可用于后续分析。
在本实施例中，管式中空纤维膜反应器1的长径比为8～20。管式中空纤维膜反应器1内的膜丝填充密度(中空纤维膜表面积:反应器有效体积)为100～500m2/m3。串联反应器系统Ⅰ中，管式中空纤维膜反应器1的个数可以根据需要进行调整，一般管式中空纤维膜反应器1至少有3个及以上。不同个数会改变管程长度，灵活改变对进水负荷的冲击缓冲能力。另外，管式中空纤维膜反应器1的串联方式为水平横向串联、垂直竖向串联或横竖向组合串联。平横向串联是指各管式中空纤维膜反应器1平放，其轴向为水平方向，内部流体流向呈水平流动；垂直竖向串联是指各管式中空纤维膜反应器1垂直放置，其轴向为竖直方向，内部流体流向呈竖向流动；横竖向组合串联是指部分管式中空纤维膜反应器1平放，部分垂直放置，串联流路中流体流向也呈水平和竖向两种流动状态。在本实施例中，示出的为垂直竖向串联方式，最首端和最末端的管式中空纤维膜反应器1均采用上升流。
另外，在本装置中，还可以设置一个自动控制箱29，自动控制箱29与溶解氧探头30和pH探头31相连，用于接收实时的溶解氧浓度和pH，以便于进行反馈控制。自动控制箱29也可以与其他各电气元件相连，实现整个装置的自动化运行。当然需要注意的是，自动控制箱29并非本发明的必要部件，可根据需要进行取舍。
基于上述串联管式中空纤维膜装置，本发明提供了一种硝化型厌氧甲烷氧化微生物富集方法，其步骤如下：
向进水罐10中加入一定污泥浓度的悬浮态接种污泥，开启进水系统Ⅱ中的进水泵11，通过进水管12给串联反应器系统Ⅰ持续接种污泥，接种至串联管式中空纤维膜反应器1内的中空纤维膜束4表面附着一层污泥后，关闭进水泵11；将进水罐10中液体更换为新鲜培养基，开启进水泵11，使新鲜培养基通过进水管12进入沿程的管式中空纤维膜反应器1，调节流量使反应器内的流体流态呈平推流态；培养基经串联管2流经整个串联反应器系统Ⅰ，最后通过溢流管13进入溢流瓶14，待溢流瓶14内液面与管式中空纤维膜反应器1内液面高度平齐后，出水流经出水管15进入出水罐16；打开并调节进气系统Ⅳ中的干路进气阀18，使干路气压表19的读数在1.2atm左右，然后依次打开和调节支路进气阀22，使各支路气压表23的读数保持一致，再调节干路进气阀18，使各支路进气阀的读数保持在1.2atm左右；甲烷钢瓶17中的甲烷气体经干路进气管20、支路进气管21流入管式中空纤维膜反应器1，通过中空纤维膜束4的侧壁溢出并溶于液相，供膜上微生物利用；当支路气压表23的度数下降至1.0atm以下时，重新调节干路进气阀18和支路进气阀22，恢复支路气压至1.2atm左右；生物反应过程产生的气体通过管式中空纤维膜反应器1顶部的出气口9进气支路出气管，定期打开支路出气阀24，将气体排入汇流板26，最终通过干路出气管27进入气袋28；保持新鲜培养基持续进入沿程的各管式中空纤维膜反应器1中，串联流路前端的好氧微生物逐渐消耗新鲜培养基中的溶解氧，沿管程形成溶解氧浓度梯度消减的状态，为后端厌氧甲烷氧化微生物提供厌氧条件，好氧甲烷氧化微生物和反硝化型厌氧甲烷氧化微生物沿管程逐渐分离，实现反硝化型厌氧甲烷氧化微生物的富集。
在该方法中，串联反应器系统Ⅰ内，各管式中空纤维膜反应器1中的流体流态均为平推流状态或接近平推流状态。富集过程中，管式中空纤维膜反应器1内的pH应当始终维持在7.0-7.5范围内，为反硝化型厌氧甲烷氧化微生物提供最佳生长环境。串联反应器系统Ⅰ中的气路通过并联的方式连接，支路进气管21中的气压可通过干路进气阀18和支路进气阀22协同调节，各支路气压相等且在1～2atm范围内。
本发明中涉及的串联管式中空纤维膜装置拥有较大的长径比，与化工领域的管式反应器外观相似，内部填充一定密度的中空纤维膜。串联管式的构型决定了反应器内部的流体流态为平推流或近平推流态。稳定条件下，本发明的这种平推流式反应器可看做SBR反应器随时间的反应过程在空间维度的展开，具体表现为平推流式反应器内部的反应条件会随管程的变化而变化，某一管程处对应SBR反应周期内的某一时间点。以上特点为实现反应器内部不同种类微生物的分离提供了有利条件。传统的一体式全混合反应器内的反应条件处于均相或近均相状态，进水中些微的溶解氧携带可能会对反应器整体造成影响，也会导致很多全混合反应器的富集物中反硝化型厌氧甲烷氧化菌和好氧甲烷氧化菌共存。相较而言，本发明的平推流式反应器由于管程较长，对进水中的微量溶解氧有一定的缓冲和消耗能力；同时，溶解氧条件随管程的变化有利于实现好氧甲烷氧化微生物和反硝化型厌氧甲烷氧化微生物的分离。从富集角度来说，本发明的平推流式反应器有利于获得更高纯度的反硝化型厌氧甲烷微生物的富集物。
另外，本发明中涉及的串联管式中空纤维膜装置为一种膜反应器，装置内部填充的中空纤维膜单端封闭，另一端与钢瓶气路连接。运行状态下，气路中的甲烷气体进入每根中空纤维膜中间的空腔，在一定压强下，由侧壁缓慢溢出并溶于膜外的液相中。根据膜材料的不同，中空纤维膜能承受的压强也不同，一般均高于大气压强，因此，甲烷气体达到临界压强渗入液相的浓度会高于大气压强顶空扩散的浓度。此外，中空纤维膜的填充能够大大增加气液接触面积，进一步促进甲烷的气液相传质，为反硝化型厌氧甲烷氧化微生物的主代谢反应提供足够的电子供体。
由此可见，本发明将管式反应器与膜反应器结合，不仅能实现反硝化型厌氧甲烷氧化微生物与好氧甲烷氧化微生物的分离，还能增加甲烷的传质效能，强化反应装置的生物截留功能，从而有利于实现反硝化型厌氧甲烷氧化微生物的定向高效富集。
以上所述实施例只是本发明的一种较佳的方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种反硝化型厌氧甲烷氧化微生物富集用串联管式中空纤维膜装置，其特征在于，包括串联反应器系统（Ⅰ）、进水系统（Ⅱ）、出水系统（Ⅲ）、进气系统（Ⅳ）和出气系统（Ⅴ）；
所述串联反应器系统（Ⅰ）包括若干管式中空纤维膜反应器（1）和若干串联管（2）；每个管式中空纤维膜反应器（1）包括筒体（3）和中空纤维膜束（4），所述筒体（3）底部设有进水口（5）和进气口（8），筒体（3）顶部设有出水口（6）和出气口（9），中空纤维膜束（4）沿轴向设置于筒体（3）内腔中，中空纤维膜束（4）顶端封闭，底端连通进气口（8），筒体（3）内设置有溶解氧探头（30）和pH探头（31）；若干条管式中空纤维膜反应器（1）的水流流路串联，位于上游的管式中空纤维膜反应器（1）的出水口（6）通过串联管（2）连接位于下游的管式中空纤维膜反应器（1）的进水口（5）；
所述的进水系统（Ⅱ）包括进水罐（10）、进水泵（11）和进水管（12），进水管（12）连接进水罐（10）和位于串联流路最前端的管式中空纤维膜反应器（1）的进水口（5），所述进水泵（11）设置于进水管（12）上；
所述出水系统（Ⅲ）包括溢流管（13）、溢流瓶（14）、出水管（15）和出水罐（16），溢流管（13）连接溢流瓶（14）和位于串联流路最末端的管式中空纤维膜反应器（1）的出水口（6），溢流瓶（14）通过出水管（15）连接出水罐（16）；
所述进气系统（Ⅳ）包括甲烷钢瓶（17）、干路进气管（20）和支路进气管（21），干路进气管（20）一端连接甲烷钢瓶（17）的出气口，另一端分别连接若干条支路进气管（21），每条支路进气管（21）分别连接一个管式中空纤维膜反应器（1）的进气口（8）；靠近出气口位置的干路进气管（20）设有干路进气阀（18）和干路气压表（19），每条所述的支路进气管（21）上分别设有支路进气阀（22）和支路气压表（23）；
所述的出气系统（Ⅴ）包括支路出气管（25）、汇流板（26）、干路出气管（27）和气袋（28），每个管式中空纤维膜反应器（1）的出气口（9）分别通过带有支路出气阀（24）的干路出气管（27）连接至汇流板（26），经汇流板（26）汇流后经由干路出气管（27）连接至气袋（28）。
2.如权利要求1所述的反硝化型厌氧甲烷氧化微生物富集用串联管式中空纤维膜装置，其特征在于，管式中空纤维膜反应器（1）的长径比为8~20。
3. 如权利要求1所述的反硝化型厌氧甲烷氧化微生物富集用串联管式中空纤维膜装置，其特征在于，管式中空纤维膜反应器（1）内的膜丝填充密度为100~500 m2/m3。
4.如权利要求1所述的反硝化型厌氧甲烷氧化微生物富集用串联管式中空纤维膜装置，其特征在于，所述的串联反应器系统（Ⅰ）中，至少有3个及以上的管式中空纤维膜反应器（1）。
5.如权利要求1所述的反硝化型厌氧甲烷氧化微生物富集用串联管式中空纤维膜装置，其特征在于，所述的管式中空纤维膜反应器（1）的串联方式为水平横向串联、垂直竖向串联或横竖向组合串联。
6.如权利要求1所述的反硝化型厌氧甲烷氧化微生物富集用串联管式中空纤维膜装置，其特征在于，所述的进水泵（11）采用蠕动泵。
7.如权利要求1所述的反硝化型厌氧甲烷氧化微生物富集用串联管式中空纤维膜装置，其特征在于，所述的溢流瓶（14）的水流进口低于出口，且出口高度与管式中空纤维膜反应器（1）的最高液面高度平齐。
8.一种利用如权利要求1所述的串联管式中空纤维膜装置的反硝化型厌氧甲烷氧化微生物富集方法，其特征在于，步骤如下：
向进水罐（10）中加入悬浮态接种污泥，开启进水系统（Ⅱ）中的进水泵（11），通过进水管（12）给串联反应器系统（Ⅰ）持续接种污泥，接种至串联管式中空纤维膜反应器（1）内的中空纤维膜束（4）表面附着一层污泥后，关闭进水泵（11）；将进水罐（10）中液体更换为新鲜培养基，开启进水泵（11），使新鲜培养基通过进水管（12）进入沿程的管式中空纤维膜反应器（1），调节流量使反应器内的流体流态呈平推流态；培养基经串联管（2）流经整个串联反应器系统（Ⅰ），最后通过溢流管（13）进入溢流瓶（14），待溢流瓶（14）内液面与管式中空纤维膜反应器（1）内液面高度平齐后，出水流经出水管（15）进入出水罐（16）；打开并调节进气系统（Ⅳ）中的干路进气阀（18），使干路气压表（19）的读数在1.2 atm，然后依次打开和调节支路进气阀（22），使各支路气压表（23）的读数保持一致，再调节干路进气阀（18），使各支路进气阀的读数保持在1.2atm；甲烷钢瓶（17）中的甲烷气体经干路进气管（20）、支路进气管（21）流入管式中空纤维膜反应器（1），通过中空纤维膜束（4）的侧壁溢出并溶于液相，供膜上微生物利用；当支路气压表（23）的度数下降至1.0atm以下时，重新调节干路进气阀（18）和支路进气阀（22），恢复支路气压至1.2atm；生物反应过程产生的气体通过管式中空纤维膜反应器（1）顶部的出气口（9）进气支路出气管，定期打开支路出气阀（24），将气体排入汇流板（26），最终通过干路出气管（27）进入气袋（28）；保持新鲜培养基持续进入沿程的各管式中空纤维膜反应器（1）中，串联流路前端的好氧微生物逐渐消耗新鲜培养基中的溶解氧，沿管程形成溶解氧浓度梯度消减的状态，为后端厌氧甲烷氧化微生物提供厌氧条件，好氧甲烷氧化微生物和反硝化型厌氧甲烷氧化微生物沿管程逐渐分离，实现反硝化型厌氧甲烷氧化微生物的富集。
9.如权利要求8所述的反硝化型厌氧甲烷氧化微生物富集方法，其特征在于，串联反应器系统（Ⅰ）内，各管式中空纤维膜反应器（1）中的流体流态均为平推流状态或接近平推流状态；管式中空纤维膜反应器（1）内的pH维持在7.0-7.5范围内。
10. 如权利要求8所述的反硝化型厌氧甲烷氧化微生物富集方法，其特征在于，串联反应器系统（Ⅰ）中的气路通过并联的方式连接，支路进气管（21）中的气压可通过干路进气阀（18）和支路进气阀（22）协同调节，各支路气压相等且在1~2 atm范围内。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910251288.2A CN110004047B (zh) | 2019-03-29 | 2019-03-29 | 富集反硝化型厌氧甲烷氧化微生物的串联管式中空纤维膜装置及其方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910251288.2A CN110004047B (zh) | 2019-03-29 | 2019-03-29 | 富集反硝化型厌氧甲烷氧化微生物的串联管式中空纤维膜装置及其方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110004047A CN110004047A (zh) | 2019-07-12 |
| CN110004047B true CN110004047B (zh) | 2024-04-02 |
Family
ID=67169054
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910251288.2A Active CN110004047B (zh) | 2019-03-29 | 2019-03-29 | 富集反硝化型厌氧甲烷氧化微生物的串联管式中空纤维膜装置及其方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110004047B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112708550B (zh) * | 2021-01-25 | 2024-04-30 | 浙江大学 | 同步富集酸性和碱性damo微生物的装置及方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20100109019A (ko) * | 2009-03-31 | 2010-10-08 | 한국과학기술연구원 | 막분리 시스템을 이용한 혐기성 암모늄 산화균 배양기 |
| CN103172171A (zh) * | 2013-04-08 | 2013-06-26 | 中国科学技术大学 | 反硝化厌氧甲烷氧化微生物富集的系统及其方法 |
| KR20140020084A (ko) * | 2012-08-08 | 2014-02-18 | 경기도 | 인공 광원 및 플루 가스를 이용한 미세조류 배양조 및 이를 이용한 하폐수 처리공정 시스템 |
| CN106219755A (zh) * | 2016-10-08 | 2016-12-14 | 济南大学 | 一种利用三级生物滤池同步脱氮除磷的装置及其处理方法 |
| CN210085457U (zh) * | 2019-03-29 | 2020-02-18 | 浙江大学 | 富集反硝化厌氧甲烷氧化微生物的串联管式纤维膜装置 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080305539A1 (en) * | 2007-06-08 | 2008-12-11 | Robert Hickey | Membrane supported bioreactor for conversion of syngas components to liquid products |
| EP2596084A2 (en) * | 2010-07-19 | 2013-05-29 | Red Patent B.V. | Device and method for the anaerobic digestion of organic material to biogas by means of micro-organisms |
-
2019
- 2019-03-29 CN CN201910251288.2A patent/CN110004047B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20100109019A (ko) * | 2009-03-31 | 2010-10-08 | 한국과학기술연구원 | 막분리 시스템을 이용한 혐기성 암모늄 산화균 배양기 |
| KR20140020084A (ko) * | 2012-08-08 | 2014-02-18 | 경기도 | 인공 광원 및 플루 가스를 이용한 미세조류 배양조 및 이를 이용한 하폐수 처리공정 시스템 |
| CN103172171A (zh) * | 2013-04-08 | 2013-06-26 | 中国科学技术大学 | 反硝化厌氧甲烷氧化微生物富集的系统及其方法 |
| CN106219755A (zh) * | 2016-10-08 | 2016-12-14 | 济南大学 | 一种利用三级生物滤池同步脱氮除磷的装置及其处理方法 |
| CN210085457U (zh) * | 2019-03-29 | 2020-02-18 | 浙江大学 | 富集反硝化厌氧甲烷氧化微生物的串联管式纤维膜装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110004047A (zh) | 2019-07-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103172171B (zh) | 反硝化厌氧甲烷氧化微生物富集的系统及其方法 | |
| CN107043160B (zh) | 一种基于磁铁矿和活性炭强化的两相厌氧处理装置与工艺 | |
| CN110156174B (zh) | 一种针对高浓高盐制药废水的混合菌种发酵生物预处理方法 | |
| CN108046423A (zh) | 一种用于城镇废水厌氧氨氧化生物脱氮的反应器装置与方法 | |
| CN107915320B (zh) | 一种气浮式半短程硝化-厌氧氨氧化反应器 | |
| CN106830302A (zh) | 溶解氧自动化控制的mbr全程硝化菌富集装置及其方法 | |
| CN216712108U (zh) | 一种快速富集培养厌氧氨氧化菌的装置 | |
| CN114751515A (zh) | 一种稳定高效短程反硝化方法及处理装置 | |
| CN105819567A (zh) | 自循环厌氧反应器 | |
| CN110004047B (zh) | 富集反硝化型厌氧甲烷氧化微生物的串联管式中空纤维膜装置及其方法 | |
| CN109321444B (zh) | 降流式两步厌氧发酵制取氢烷气的方法及生物膜反应器 | |
| CN206590950U (zh) | 一种溶解氧自动化控制的mbr全程硝化菌富集装置 | |
| CN109354166A (zh) | 用于处理高氨氮废水的高效自养脱氮系统的快速启动方法 | |
| CN210085457U (zh) | 富集反硝化厌氧甲烷氧化微生物的串联管式纤维膜装置 | |
| CN113354106A (zh) | 一种反硝化脱氮除磷的污水处理系统及处理方法 | |
| CN219409438U (zh) | 一种双向流甲烷氧化与铁碳强化反硝化爆气生物膜反应器 | |
| CN209537084U (zh) | 一种厌氧氨氧化与氢自养反硝化耦合深度脱氮的装置 | |
| CN112340843A (zh) | 一种实现产甲烷厌氧氨氧化一体化除碳脱氮的装置与方法 | |
| CN104591402A (zh) | 一种互营脂肪酸氧化菌与产电菌优势菌群的构建方法 | |
| CN111573833A (zh) | 一种高浓度氨氮有机废水产甲烷处理系统厌氧氨氧化耦合甲烷氧化工艺控制方法 | |
| CN103466897B (zh) | 一种废水处理方法 | |
| CN112830577A (zh) | 一种基于mabr的一段式egsb厌氧氨氧化装置 | |
| CN215798717U (zh) | 一种厌氧氨氧化反应器 | |
| CN216141327U (zh) | 一种基于mabr的一段式egsb厌氧氨氧化装置 | |
| CN114368835B (zh) | 一种全自养生物脱氮方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |