一種腐殖質還原菌的厭氧培養裝置的製作方法
2023-06-10 10:20:26 2
本實用新型是關於微生物菌劑培養裝置的，尤其涉及一種腐殖質還原菌的厭氧培養裝置。
背景技術：
傳統微生物厭氧培養裝置主要包括兩種形式：一是化學耗氧，即通過投加化學藥劑，利用化學反應消耗裝置內氧氣，製造厭氧環境；二是採用氣瓶向反應器內補充惰性氣體或人為製造真空環境。腐殖質還原菌作為一種厭氧菌，廣泛存在於河道沉積物及土壤中，而傳統厭氧培養裝置內環境與實際的底泥-上覆水系統相去甚遠；其次，反應器與氣瓶聯用，不僅增大佔地面積，提高菌劑製作成本，並且每次取樣時極易造成反應器有氧狀態，不能保證嚴格厭氧環境。
腐殖質還原菌作為一類具有腐殖式呼吸能力的微生物，可以利用有機質作為碳源及電子供體，偶聯能量進行生長。腐殖式呼吸作用所產生的還原態腐殖質可以進一步還原環境中的氧化態物質，如Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅳ)、Cr(Ⅵ)、U(Ⅵ)、硝基芳香化合物和多滷代汙染物。因此，腐殖質呼吸能夠影響環境中碳、氮循環及一些痕量金屬的生物地球化學循環，並且能夠促進重金屬以及有機汙染物的脫毒，在水體自淨、汙染土壤及河道沉積物的原位修復、汙水處理等方面具有廣闊的應用前景，而目前對於腐殖質還原菌的規模化培養仍處於空白階段。
AQDS(電子傳遞體)作為一種腐殖質模式物，具有與天然腐殖質相似的醌基結構，但其分子量遠遠小於土壤及沉積物中的腐殖質，更容易被微生物生長代謝所利用，1mmol/LAQDS可偶聯菌體生長約60倍。因此，本實用新型設計一種厭氧培養方法，採用AQDS培養液，並將培養液循環利用，保證在厭氧環境下進行菌劑的富集生長。
技術實現要素：
本實用新型的目的，是鑑於目前對腐殖質還原菌的規模化培養仍處於空白階段，為克服傳統腐殖質還原菌的厭氧培養裝置的不足，提供一種腐殖質還原菌高效富集培養的新裝置。
本實用新型通過如下技術方案予以實現。
一種腐殖質還原菌的厭氧培養裝置，包括反應器、自動液位控制裝置、布水管和除氧池；其特徵在於，所述反應器設置有反應器Ⅰ區、反應器Ⅱ區和反應器Ⅲ區；
反應器Ⅰ區的頂部設置有單向氣體導出裝置8和活性汙泥補入口9，反應器Ⅰ區的側面設置有培養液補入口A10、自動液位控制裝置A11和閥門A12，閥門A12的出口端設置有固液分離器A13，固液分離器A13分別與反應器Ⅱ區與曝氣池19相連通；
反應器Ⅱ區的一側設置有培養液補入口B14、自動液位控制裝置B15和閥門B16，閥門B16的出口端設置有固液分離器B17，固液分離器B17分別與反應器Ⅲ區與曝氣池19相連通；
反應器Ⅱ區的另一側設置有除氧池3，除氧池3通過離心泵4與曝氣池19相連通；除氧池3的頂部設置有除氧劑補充口1和自動液位控制裝置2，除氧池3通過多向閥門6與設置在反應器Ⅱ區的布水管A5和設置在反應器Ⅲ區的布水管B7相連通；
反應器Ⅲ區的一側設置有自動液位控制裝置C18；反應器Ⅲ區的底部設置有吸附區21，吸附區21通過閥門20與反應器Ⅲ區相連通；吸附區21的一側設置有排料口22，吸附區21的底部設置有超濾膜23；吸附區21內超濾膜23的上方還設置有吸附載體，該吸附載體為膨潤土。
所述反應器Ⅰ區、反應器Ⅱ區、反應器Ⅲ區的有效容積分別為0.2、0.2、0.4m3。
所述反應器Ⅰ區、反應器Ⅱ區的區域底部隔板的坡度均為3％～5％。
所述除氧池3、曝氣池19有效容積均為0.2m3，吸附區21有效容積為0.4m3。
所述布水管A5、布水管B7均為下方單側水平方向開孔，開孔直徑為50mm，數量為20。
所述吸附載體為經研碎且過80目篩並高溫滅菌的膨潤土，膨潤土添加量為吸附區有效容積的1/4；並在其中添加經研碎且過80目篩並高溫滅菌的藥劑KH2PO4、CaCl2、MgSO4及NaHCO3，藥劑的質量配比為5：2：1：1，藥劑添加的體積量為膨潤土添加的體積量的5～10％，將藥劑與膨潤土混合均勻後平鋪於超濾膜上方。
本實用新型彌補了腐殖質還原菌規模化培養裝置的空白，且與傳統厭氧培養裝置相比較，避免了補充惰性氣體或製造真空環境等手段，操作方法簡單。另外，通過曝氣池和除氧池的聯用，將還原態AH2QDS氧化為AQDS，重新參與電子傳遞過程，實現了培養液的循環利用，降低了菌劑製作成本。同時，在吸附區採用吸附能力較強的膨潤土實現對菌劑的吸附，避免了菌劑流失，為後續菌劑的有效利用提供了保證。
附圖說明
圖1是腐殖質還原菌厭氧培養裝置示意圖。
附圖標記如下：
1———除氧劑補充口 2———自動液位控制裝置
3———除氧池 4———離心泵
5———布水管A 6———多向閥門
7———布水管B 8———單向氣體導出口
9———活性汙泥補入口 10———培養液補入口A
11———自動液位控制裝置A 12———閥門A
13———固液分離器A 14———培養液補入口B
15———自動液位控制裝置B 16———閥門B
17———固液分離器B 18———自動液位控制裝置C
19———曝氣池 20———閥門
21———吸附區 22———排料口
23———超濾膜 24———膨潤土
具體實施方式
本實用新型採用常規原材料及常規工藝方法進行製備。
膨潤土是一種黏土巖，質地鬆散如土，在水介質中能分散成懸浮狀或凝膠狀，因此對液體、有機物質有較強的吸附能力，最大吸附量可達5倍與自身的重量。
膨潤土是一類以蒙脫石為主要礦物成分的非金屬礦產的統稱，根據層間陽離子的不同，又分為鈉基膨潤土、鈣基膨潤土、氫基膨潤土及有機膨潤土。鈉基膨潤土的吸附能力明顯優於其他種類膨潤土，故本實用新型優選鈉基膨潤土作為吸附劑，並將其研磨粉碎後進行使用。
本實用新型腐殖質還原菌厭氧培養裝置的工作原理如下：
具體實施例的完整的培養周期為96h，包括三個階段。第一培養階段為48h，在反應器Ⅰ區內進行，有效容積為0.2m3；第二培養階段為24h，在反應器Ⅱ區內進行，有效容積為0.2m3；第三培養階段為24h，在反應器Ⅲ區內進行，有效容積為0.2m3；每個周期培養結束後，約有0.3m3的菌體及培養液進入吸附區，採用膨潤土進行吸附。
培養液為AQDS培養液，主要成分為啤酒廢水或糖蜜廢水，並向廢水中補充AQDS作為電子受體，補充量控制在40～60g/m3，注入培養液體積為0.1m3，故AQDS補充量控制為6g。
(1)第一培養階段，培養時間為48h
通過培養液補入口A10向反應器Ⅰ區注入新鮮培養液，當液面高度達到自動液位控制裝置11設定高度，即反應器Ⅰ區1/2體積時停止。取汙水廠厭氧活性汙泥作為接種母液，接種量為0.08m3，活性汙泥由補入口9進入反應器Ⅰ區開始培養。培養過程中，厭氧微生物以檸檬酸鈉為碳源及電子供體，AQDS為電子受體進行醌呼吸，電子在細胞膜呼吸鏈的傳遞過程中，偶聯產生能量支持菌體生長。隨著腐殖質還原菌的增殖代謝，AQDS接受電子被還原為AH2QDS，培養液由黃色逐漸變為橙紅色。通過單向氣體導出裝置8排除產生的CH4、CO2及N2等氣體。
培養48h後，通過培養液補入口B14向反應器Ⅱ區注入新鮮培養液，當液面高度達到自動液位控制裝置15設定高度，即反應器Ⅱ區1/2體積時停止。同時打開閥門A12，菌體及培養液經固液分離器A13，其中菌體進入反應器Ⅱ區進行第二培養階段培養，培養液進入曝氣池19，當菌體及培養液逐漸排空時，關閉閥門A12。控制曝氣池內曝氣量為0.6m3/h，曝氣時間1h，在曝氣過程中，培養液由橙紅色逐漸變為黃色，其中被還原的AH2QDS逐漸被氧化為AQDS，可重新作為電子受體參與電子傳遞，從而實現了培養液的循環利用。
此外，當反應器Ⅰ區內菌體及培養液逐漸排空後，通過培養液補入口A10向反應器Ⅰ區注入新鮮培養液，當液面高度達到自動液位控制裝置A11設定高度，即反應器Ⅰ區1/2體積時停止。活性汙泥由補入口9進入反應器Ⅰ區，接種量為0.08m3，反應器Ⅰ區重新開始新一輪腐殖質還原菌的第一階段培養。
(2)第二培養階段，培養時間為24h
從菌體進入反應器Ⅱ區開始計時。
曝氣池19中的培養液經離心泵4抽吸至除氧池3中，曝氣池(19)與除氧池3的有效容積均為0.2m3；除氧池3中以亞硫酸鹽作為除氧劑，藥劑投加量為15g。培養液在除氧池3中停留2h，通過自動液位控制裝置2及多向閥門控制6，經布水管A5、布水管B7，分別有1/2體積培養液進入反應器Ⅱ區及1/2體積培養液進入反應器Ⅲ區。布水管A5、布水管B7均為下方單側開孔，並利用循環培養液從布水管的噴射實現對下方培養區域的水力攪拌，增加菌體與培養液的接觸，從而提高菌體表面傳質效率。
菌體培養24h後，打開閥門B16，反應器Ⅱ區中菌體及培養液經過固液分離器B17，菌體進入反應器Ⅲ區進行第三培養階段培養；培養液進入曝氣池19，控制曝氣量為0.6m3/h，曝氣時間1h，當菌體及培養液逐漸排空時，關閉閥門B16。
此外，當反應器Ⅱ區中菌體及培養液排空後，通過培養液補入口B14向反應器Ⅱ區注入新鮮培養液，當液面高度達到自動液位控制裝置15設定高度，即反應器Ⅱ區1/2體積時停止。
(3)第三培養階段，培養時間為24h
從菌體進入反應器Ⅲ區開始計時。
曝氣池中的培養液經離心泵4抽吸至除氧池3，停留2h後，通過通過自動液位控制裝置2及多向閥門控制6，經布水管B7，全部進入反應器Ⅲ區。
菌體培養24h後，打開位於反應器底部閥門20，菌體及培養液進入吸附區21，通過自動液位控制裝置18控制，當液體流盡時，關閉閥門20。
此時，反應器Ⅰ區內菌體已經過48h培養，打開閥門A12，菌體及培養液經固液分離器A13，其中菌體進入反應器Ⅱ區進行第二階段培養，培養液進入曝氣池19進行曝氣，當反應器Ⅰ區的菌體及培養液逐漸排空時，關閉閥門A12；控制曝氣池19內曝氣量為0.3～0.6m3/h，曝氣時間0.5～1h，重複步驟(2)、(3)，實現腐殖質還原菌的連續培養。
此外，當反應器Ⅰ區內菌體及培養液逐漸排空後，通過培養液補入口A10向反應器Ⅰ區注入新鮮培養液，通過自動液位控制裝置A11控制液面高度；活性汙泥由活性汙泥補入口9進入反應器Ⅰ區，接種量為反應器Ⅰ區有效容積的30～40％，反應器Ⅰ區重新開始新一輪腐殖質還原菌的第一階段培養。
吸附區21有效容積為0.4m3，吸附區21內設置有吸附載體，吸附載體為經研碎過80目篩並高溫滅菌的膨潤土，添加量為0.1m3；並在其中添加經研碎研碎過80目篩並高溫滅菌的藥劑KH2PO4、CaCl2、MgSO4、NaHCO3，質量比為5：2：1：1，添加量為膨潤土量的5％。
菌體及培養液在吸附區21被吸附後，打開排料口22收集菌體，廢液經吸附區下端超濾膜23排出。