CN214571988U - 一种同步富集酸性和碱性damo微生物的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种同步富集酸性和碱性DAMO微生物的装置，装置包括相连的膜组件和反应器模块；反应器模块包括并联设置且结构相同的酸性反应器和碱性反应器；反应腔室内通过直立的隔板分为沉降区和反应区；隔板的上部开设有用于气体流通的第一孔洞，底部开设有用于回流污泥的第二孔洞；酸性反应器设有加热套、取样管、搅拌装置、气体平衡袋、pH电极和调节管。本实用新型利用pH调控系统可以提供特定酸性、碱性富集环境，设置并联反应器系统实现酸性、碱性DAMO微生物的同步富集，反应器系统有机玻璃壳体特设沉淀区域以保证生物量的持留，采用连续流全混合甲烷无泡曝气富集装置，安全、高效地实现酸性、碱性DAMO微生物的同步富集。
Description
技术领域
本实用新型属于厌氧甲烷氧化微生物富集领域，具体涉及一种同步富集酸性和碱性DAMO微生物的装置。
背景技术
反硝化型厌氧甲烷氧化(Denitrification Anaerobic Methane Oxidation，DAMO)耦合了反硝化过程和甲烷氧化过程，能够在厌氧的条件下同时去除温室气体甲烷和污染性物质硝氮及亚硝氮，它包括硝酸盐型厌氧甲烷氧化(Na-DAMO)和亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化(Ni-DAMO)，其过程理论方程式分别如下：
5CH4+8NO3 -+8H+→5CO2+4N2+14H2OΔG0′＝-765kJ mol-1
3CH4+8NO2 -+8H+→3CO2+4N2+10H2OΔG0′＝-928kJ mol-1
目前已知的DAMO富集培养物包括两类：1)隶属ANME-2d古菌的CandidatusMethanoperedens nitroreducens，行使硝酸盐型厌氧甲烷氧化功能；2)隶属NC10门细菌的Candidatus Methylomirabilis oxyfera和Candidatus Methylomirabilis sinica，具有亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化功能。上述DAMO功能菌均在中性条件下富集得到，而酸性或碱性条件却鲜有研究。pH作为重要的环境因子，对微生物生长代谢影响显著。酸碱生境造就了微生物与众不同的功能潜力，为特殊代谢机制的形成提供契机，为种质资源的开发拓宽前景。近年来，研究者在酸性和碱性环境中均检测到DAMO微生物的存在，但由于缺乏高丰度富集物，其环境适应机制不清，遗传代谢机理不明，甲烷氧化贡献未知。为了探究酸性和碱性生境是否存在新型DAMO功能微生物，并揭示其与众不同的生化代谢特征，挖掘其潜在的甲烷氧化贡献，进行酸碱条件下的DAMO微生物富集培养意义重大。
实用新型内容
本实用新型的目的是基于现有反硝化甲烷厌氧氧化微生物富集研究的不足，提供一种同步富集酸性和碱性DAMO微生物的装置。本实用新型能同步提供酸性、碱性特殊的DAMO微生物生长环境，从而得到酸性和碱性DAMO富集物，或抗酸抗碱DAMO富集物，以便于研究其代谢机制。
本实用新型所采用的具体技术方案如下：
本实用新型提供了一种同步富集酸性和碱性DAMO微生物的装置，其包括膜组件和反应器模块；所述膜组件的顶部进气口和底部进气口分别通过管道连通甲烷气瓶，底部进液口通过管道与用于承装微生物营养液的进水罐连通；膜组件顶部的出液口通过管路连接反应器模块；所述反应器模块包括并联设置且结构相同的酸性反应器和碱性反应器；
所述酸性反应器包括壳体，壳体为具有反应腔室的封闭结构，反应腔室内通过直立的隔板分为沉降区和反应区；所述隔板的上部开设有用于气体流通的第一孔洞，底部开设有用于回流污泥的第二孔洞；所述沉降区壳体底部设置为向第二孔洞倾斜的斜坡；位于沉降区的壳体侧壁顶部开设有出水口，出水口的水平高度低于第一孔洞的高度；所述出水口通过管路与外接第三气体平衡袋的出水罐连通；
所述壳体外周套设有加热套，加热套和反应区内部分别设有第一温度传感器和第二温度传感器，第一温度传感器和第二温度传感器分别通过线路与温度控制器连接；所述壳体顶部设有高度可调的取样管，取样管的底端与反应区连通；所述反应区内底部设有搅拌装置，反应区通过平衡气管与位于壳体外部且用于平衡气压的第一气体平衡袋连通；反应区内设有pH电极和用于投加酸性调节溶液或碱性调节溶液的调节管，pH电极和调节管之间通过设有pH控制器、调节泵和调节阀的管路连通。
作为优选，所述膜组件为中空纤维膜组件，高径比为5～10：1，中空纤维膜的膜面积为500～1500m2；膜组件与壳体的体积比为0.5～2：1。
作为优选，所述膜组件与甲烷气瓶连接的管道上设有防爆阀和压力传感器，与进水罐连接的管道上设有蠕动泵。
作为优选，所述进水罐通过第一管路连通有氩气瓶，通过第二管路连接有第二气体平衡袋；所述第一管路的一端位于进水罐内的液面以下，另一端连接氩气瓶；所述第二管路的一端位于进水罐内液面以上的气腔中，另一端连接第二气体平衡袋。
作为优选，所述管道均为软管，搅拌装置为机械搅拌桨。
作为优选，所述pH电极与调节管的下端直线距离大于0.5D，D为反应区的宽度值；所述斜坡的倾斜角度为45-60℃。
作为优选，所述第一孔洞为直径为10mm的圆孔，第二孔洞为矩形孔。
作为优选，所述壳体为有机玻璃材质制备的柱形结构，壳体的高径比为1.5～2.5：1。
作为优选，所述沉降区和反应区的体积比为0.15～0.25。
作为优选，所述酸性反应器的pH为5.0，碱性反应器的pH为9.0。
本实用新型相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
本实用新型通过pH调控模块，可以提供特定酸性或碱性的微生物富集环境；通过设置并联反应器模块，实现了酸性和碱性DAMO微生物的同步富集；通过在反应腔室内部设置沉降区，能够有效沉降出水中的污泥，以保证生物量的持留。本实用新型采用前置膜组件的结构，使气体基质溶解在液体基质中，为反应器内的反硝化甲烷厌氧氧化微生物提供富足的底物。本实用新型设计了一种连续流全混合甲烷无泡曝气富集装置，能够安全、高效地实现酸性、碱性DAMO微生物的同步富集。
附图说明
图1是本实用新型的装置结构示意图；
图2是图1中膜组件的结构示意图；
图3是图1中酸性反应器和碱性反应器的结构示意图；
图4是图1中酸性反应器和碱性反应器的主视图；
图5是图1中酸性反应器和碱性反应器的立体图；
图中：氩气瓶1、进水罐2、第一气体平衡袋31、第二气体平衡袋32、第三气体平衡袋33、甲烷气瓶4、防爆阀5、压力传感器6、膜组件7、蠕动泵8、壳体10、进水管11、搅拌装置12、平衡气管13、取样管14、出水口15、pH电极16、pH控制器17、调节泵18、调节阀19、调节管20、加热套21、温度控制器22、第一温度传感器231、第二温度传感器232、出水罐24。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步阐述和说明。本实用新型中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1所示，为本实用新型提供的一种同步富集酸性和碱性DAMO微生物的装置，包括膜组件7和反应器模块。具体的细分，其主要结构包括进料系统Ⅰ、并联反应器系统Ⅱ、pH调控系统Ⅲ、温度控制系统Ⅳ和出水系统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。
进料系统Ⅰ包括氩气瓶1、进水罐2、第二气体平衡袋32、甲烷气瓶4、防爆阀5、压力传感器6、膜组件7和蠕动泵8。如图2所示，膜组件7的顶部进气口和底部进气口分别通过管道连通甲烷气瓶4，底部进液口通过管道与用于承装微生物营养液的进水罐2连通。膜组件7顶部的出液口通过管路连接反应器模块。具体地说，进水罐2通过第一管路连通有氩气瓶1，通过第二管路连接有第二气体平衡袋32。第一管路的一端位于进水罐2内的液面以下，另一端连接氩气瓶1。第二管路的一端位于进水罐2内液面以上的气腔中，另一端连接第二气体平衡袋32。氩气瓶1中的氩气通过第一管路进入进水罐2的底部，进水罐2中承装的微生物营养液(液料)完成除氧后，通过蠕动泵8的作用从底部进入膜组件7，第二气体平衡袋32可保持进水罐2压力恒定。甲烷气瓶4中的甲烷气料从膜组件7的上下两进气端进入，并在防爆阀5、压力传感器6的控制下溶解在液料中。蠕动泵8用于提供进水动力，将混合后的气液基质从膜组件7顶部的出液口通过进水管11定量的输入反应腔室。
在实际应用时，氩气瓶1还可以由其他惰性气体气瓶代替，比如氦气瓶等。进水管11的一端通过蠕动泵8连接膜组件7顶部的出液口，另一端伸入酸性反应器或碱性反应器的反应腔室底部。膜组件7可以设置为中空纤维膜组件，高径比为5～10：1。
并联反应器系统Ⅱ包括并联设置且结构相同的酸性反应器和碱性反应器，具体地说，包括壳体10、进水管11、搅拌装置12、平衡气管13、防爆阀5、第一气体平衡袋31、取样管14和出水口15。酸性反应器和碱性反应器的结构相同，具体如下：
如图3～5所示，壳体10为具有反应腔室的封闭结构，反应腔室内通过直立的隔板分为沉降区和反应区。隔板的上部开设有用于气体流通的第一孔洞，底部开设有用于沉降回流的第二孔洞。沉降区壳体10底部设置为向第二孔洞倾斜的斜坡，倾斜角度为45-60℃。位于沉降区的壳体10侧壁顶部开设有出水口15，出水口15的水平高度低于第一孔洞的高度。实际应用时，出水口15应设置在沉淀区的最高液面处，从而保证反应器腔室内的液相生物量持留。壳体10顶部设有高度可调的取样管14，取样管14的底端与反应区连通，可以按需定位置取泥。反应区内底部设有搅拌装置12，搅拌装置12可维持反应区中微生物与底物的混合状态，提高微生物的底物利用率。反应区通过平衡气管13与位于壳体10外部的第一气体平衡袋31连通，用于平衡反应区顶部气腔中的气体压力。
pH调控系统Ⅲ包括pH电极16、pH控制器17、调节泵18、调节阀19和调节管20，反应区内设有pH电极16和用于投加酸性调节溶液或碱性调节溶液的调节管20，pH电极16和调节管20之间通过设有pH控制器17、调节泵18和调节阀19的管路连通。pH电极16能够对反应器系统中反应区液相酸碱度进行实时监测，pH控制器17可通过检测数据进行反馈调节，调节液(1mol/L NaOH或1mol/L HCl)在调节泵18、调节阀19的作用下，通过输料软管9、调节管20进入反应器系统反应区液相，以保证反应器系统维持在设定的酸碱度状态下平稳运行。
温度控制系统Ⅳ包括加热套21、温度控制器22、第一温度传感器231和第二温度传感器232。壳体10外周套设有加热套21，加热套21和反应区内部分别设有第一温度传感器231和第二温度传感器232，第一温度传感器231和第二温度传感器232分别通过线路与温度控制器22连接，可双重保证反应器系统维持在设定的温度状态下平稳运行。
出水系统Ⅴ包括出水罐24、第三气体平衡袋33和蠕动泵8，出水口15通过管路与外接第三气体平衡袋33的出水罐24连通。蠕动泵8用于提供出水动力，保证反应系统连续流平稳出水进入出水罐24，第三气体平衡袋33可平衡出水罐24压力。
在本实施例中，膜组件7与壳体10的体积比可以设置为0.5～2：1。壳体10可以采用有机玻璃材质制备的柱形结构，壳体10的高径比为1.5～2.5：1。沉降区和反应区的体积比可以设置为0.15～0.25。膜组件7与甲烷气瓶4连接的管道上设有防爆阀5和压力传感器6，与进水罐2连接的管道上设有蠕动泵8。搅拌装置12为机械搅拌桨。第一孔洞为直径为10mm的圆孔，第二孔洞为矩形孔。pH电极16与调节管20的下端直线距离大于0.5D，D为反应区的宽度值，以保证电极检测更加有效。进料系统中气料通过膜组件于一定的压力下溶解到液料中，压力根据进料流量适时调节，具体控制在泡点以下，气液料在膜组件中有效混合后通过输料软管同步输送至并联反应器系统，不仅可以实现甲烷的无泡曝气，而且可以为反应器系统提供富足的底物。
利用上述装置同步富集酸性和碱性DAMO微生物的方法，具体如下：
首先，在酸性反应器和碱性反应器的反应腔室内分别接种一定浓度的酸性悬浮污泥和碱性悬浮污泥，作为接种物。向进水罐2内加入底物亚硝氮及微生物营养液，微生物营养液可以直接购买现成的液态培养基，也可以自己配置。若是自己配置微生物营养液(以1L为例)，则其中可以含有0.3g/L的CaCl2共10mL，浓度为0.2g/L的MgSO4·7H2O共10mL，浓度为0.3g/L的KH2PO4共10mL，浓度为0.2g/L的KHCO3共10mL，浓度为0.5mL/L的酸性微量元素共1mL，浓度为0.2mL/L的碱性微量元素共0.4mL。
打开氩气瓶1气阀，并取下第二气体平衡袋32，曝气30min以上来除尽进水罐2中的氧气，随后在进水罐2上连接第二气体平衡袋32，打开甲烷气瓶4气阀，甲烷气体在防爆阀5及压力传感器6的控制下从膜组件7上下的两进气端进入膜组件7，开启设置于进水罐2与膜组件7相连的管路上的蠕动泵8，液体基质从膜组件7下进水端进入，由下而上流经中空纤维膜外部，甲烷气体基质经中空纤维膜上的微孔快速溶解至液体基质中，得到气液基质。开启设置于膜组件7与进水管11相连的管路上的蠕动泵8，使气液基质从膜组件7上部的出水端经过管路输送至并联反应器模块Ⅱ中，即气液基质分别流入酸性反应器和碱性反应器内部。
开启酸性反应器和碱性反应器的搅拌装置12，使悬浮污泥和气液基质在反应腔室内完全混合，搅拌速率控制在50～100rpm。由于反应腔室内的微生物会消耗甲烷气体，并产生二氧化碳、氧化二氮以及一些含氮的微量气体等，因此通过平衡气管13和第一气体平衡袋31用于平衡反应腔室内的气体压力。启动pH调控系统Ⅲ，设定酸性反应器和碱性反应器的pH值分别为5和9，通过pH电极16对反应腔室内的pH情况进行实时监测并反馈给pH控制器17，pH控制器17通过调节泵18和调节阀19控制调节管20向反应腔室内投加酸性调节液或碱性调节液，使反应腔室内的pH值为设定值。在本实施例中，酸性调节溶液为1mol/L的HCl，碱性调节溶液为1mol/L的NaOH。
启动温度控制系统Ⅳ，设定反应温度为25℃。温度控制器22通过第一温度传感器231的温度反馈以控制加热套21升降温，维持反应腔室内的温度为设定值，温度控制器22通过第二温度传感器232的温度反馈以监测反应腔室内的温度。若温度高于警戒值，则及时阻断温度控制系统Ⅳ并重启，以防止温度失控。也就是说，温度设定值为25℃，并由232-22-232回路调控，设定温度阈值35℃，由231监测，一旦温度失控，会有阻断温度加热装置。
反应腔室内反应区的流体经由第二孔洞流入沉降区，由于沉降区内扰动极小，流体在沉降区上升的过程中，流体中的污泥会在重力作用下逐渐沉降，经由斜坡滑落并从第二孔洞回流至反应区中，重新与反应区中的流体混合，以保证生物持留。沉降区气室通过第一孔洞与反应区连通，并通过第一气体平衡袋实现沉降区压力的平衡。随着沉降区的液面高度上升，经由沉降固液分离的流体从出水口15流出反应腔室，在出水系统Ⅴ蠕动泵8的作用下排入出水罐24。
在该过程中，可以通过高度可调的取样管14实时采集反应腔室内的悬浮污泥，同时从出水口15处实时采集出水样品，用于监测DAMO微生物生长情况。
由此可见，本实用新型将膜组件、pH调控、并联反应器与沉淀池相结合，不仅可以实现甲烷无泡曝气，提高甲烷传质，强化反应装置的生物截留功能，而且可以保证稳定的酸碱度反应环境，以实现酸性碱性DAMO微生物的同步富集。
以上所述的实施例只是本实用新型的一种较佳的方案，然其并非用以限制本实用新型。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。
Claims (10)
1.一种同步富集酸性和碱性DAMO微生物的装置，其特征在于，包括膜组件(7)和反应器模块；所述膜组件(7)的顶部进气口和底部进气口分别通过管道连通甲烷气瓶(4)，底部进液口通过管道与用于承装微生物营养液的进水罐(2)连通；膜组件(7)顶部的出液口通过管路连接反应器模块；所述反应器模块包括并联设置且结构相同的酸性反应器和碱性反应器；
所述酸性反应器包括壳体(10)，壳体(10)为具有反应腔室的封闭结构，反应腔室内通过直立的隔板分为沉降区和反应区；所述隔板的上部开设有用于气体流通的第一孔洞，底部开设有用于回流污泥的第二孔洞；所述沉降区壳体(10)底部设置为向第二孔洞倾斜的斜坡；位于沉降区的壳体(10)侧壁顶部开设有出水口(15)，出水口(15)的水平高度低于第一孔洞的高度；所述出水口(15)通过管路与外接第三气体平衡袋(33)的出水罐(24)连通；
所述壳体(10)外周套设有加热套(21)，加热套(21)和反应区内部分别设有第一温度传感器(231)和第二温度传感器(232)，第一温度传感器(231)和第二温度传感器(232)分别通过线路与温度控制器(22)连接；所述壳体(10)顶部设有高度可调的取样管(14)，取样管(14)的底端与反应区连通；所述反应区内底部设有搅拌装置(12)，反应区通过平衡气管(13)与位于壳体(10)外部且用于平衡气压的第一气体平衡袋(31)连通；反应区内设有pH电极(16)和用于投加酸性调节溶液或碱性调节溶液的调节管(20)，pH电极(16)和调节管(20)之间通过设有pH控制器(17)、调节泵(18)和调节阀(19)的管路连通。
2.根据权利要求1所述的一种同步富集酸性和碱性DAMO微生物的装置，其特征在于，所述膜组件(7)为中空纤维膜组件，高径比为5～10：1，中空纤维膜的膜面积为500～1500m2；膜组件(7)与壳体(10)的体积比为0.5～2：1。
3.根据权利要求1所述的一种同步富集酸性和碱性DAMO微生物的装置，其特征在于，所述膜组件(7)与甲烷气瓶(4)连接的管道上设有防爆阀(5)和压力传感器(6)，与进水罐(2)连接的管道上设有蠕动泵(8)。
4.根据权利要求1所述的一种同步富集酸性和碱性DAMO微生物的装置，其特征在于，所述进水罐(2)通过第一管路连通有氩气瓶(1)，通过第二管路连接有第二气体平衡袋(32)；所述第一管路的一端位于进水罐(2)内的液面以下，另一端连接氩气瓶(1)；所述第二管路的一端位于进水罐(2)内液面以上的气腔中，另一端连接第二气体平衡袋(32)。
5.根据权利要求1所述的一种同步富集酸性和碱性DAMO微生物的装置，其特征在于，所述管道均为软管，搅拌装置(12)为机械搅拌桨。
6.根据权利要求1所述的一种同步富集酸性和碱性DAMO微生物的装置，其特征在于，所述pH电极(16)与调节管(20)的下端直线距离大于0.5D，D为反应区的宽度值；所述斜坡的倾斜角度为45-60℃。
7.根据权利要求1所述的一种同步富集酸性和碱性DAMO微生物的装置，其特征在于，所述第一孔洞为直径为10mm的圆孔，第二孔洞为矩形孔。
8.根据权利要求1所述的一种同步富集酸性和碱性DAMO微生物的装置，其特征在于，所述壳体(10)为有机玻璃材质制备的柱形结构，壳体(10)的高径比为1.5～2.5：1。
9.根据权利要求1所述的一种同步富集酸性和碱性DAMO微生物的装置，其特征在于，所述沉降区和反应区的体积比为0.15～0.25。
10.根据权利要求1所述的一种同步富集酸性和碱性DAMO微生物的装置，其特征在于，所述酸性反应器的pH为5.0，碱性反应器的pH为9.0。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN112708550A (zh) * | 2021-01-25 | 2021-04-27 | 浙江大学 | 同步富集酸性和碱性damo微生物的装置及方法 |
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2021
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| CN112708550A (zh) * | 2021-01-25 | 2021-04-27 | 浙江大学 | 同步富集酸性和碱性damo微生物的装置及方法 |
| 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 |
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