富集培養產超廣譜β-內醯胺酶耐熱性菌群的多級環流膜生物反應裝置製造方法

2023-06-18 06:14:16 1

富集培養產超廣譜β-內醯胺酶耐熱性菌群的多級環流膜生物反應裝置製造方法
【專利摘要】一種富集培養產超廣譜β-內醯胺酶耐熱性菌群的多級環流膜生物反應裝置，其主要是：該裝置外殼設有與原水箱相連的進水口及與藥劑箱相連的通孔，外殼底部設有與空氣泵相連的曝氣頭，在外殼的底板上分別設有排泥管和放空管。在外殼內設有筒壁上設通孔的導流筒，在導流筒內設有膜組件，該膜組件集水管與清水蓄水池相連。清水蓄水池又與反衝洗泵及膜組件出水管路相連。在上述外殼內分別設有溫度控制設備和在線監測設備，上述各部件均通過控制線路與PLC中央控制系統相連。本發明可以完全實現自動化控制，不僅節省大量能源，而且又能滿足富集培養產ESBLs耐熱性菌群的最佳濃度、水溫和pH值，解決含抗生素廢水處理難和處理效果差的問題。
【專利說明】富集培養產超廣譜β-內醯胺酶耐熱性菌群的多級環流膜生物反應裝置【技術領域】
[0001 ] 本發明涉一種汙水處理裝置。
【背景技術】
[0002]抗生素廣泛用於人類和動物(畜禽/魚)的疾病防治或動物的促進生長。然而，長期過量使用或濫用抗生素會對環境和人類健康構成巨大的潛在威脅，這是因為大部分的抗生素以原藥及其代謝產物的方式隨人、畜禽和魚的排洩物最終進入自然環境，導致細菌耐藥性增強，甚至出現超級細菌，嚴重威脅人類健康。近年我國醫院臨床分離的細菌耐藥性有明顯增長趨勢。β -內醯胺類抗生素是一類抗菌能力很強的抗生素，因其具有毒副作用低、抗菌效率高等特點而廣泛應用於臨床治療中。細菌為了能在抗生素類藥物存在的環境中繼續生長和繁殖，啟動自身的調節機制，來適應和抵抗抗生素類藥物的毒害作用，即對抗生素產生耐藥性。微生物對抗生素的耐藥機制包括外膜屏障、靶位改變、滅活酶的產生及藥物主動外排等，其中大多數微生物對內醯胺類抗生素產生耐藥性的重要原因是合成β_內醯胺酶，尤其是第三代頭孢菌素應用於臨床後，細菌誘導合成了超廣譜β_內醯胺酶(ESBLs)和AmpC酶，導致耐藥性的進一步增強。伴隨β _內醯胺類抗生素使用範圍的擴大，細菌也通過合成內醯胺酶而對其產生耐藥性，嚴重影響了內醯胺類抗生素的臨床療效。ESBLs是能催化微生物水解6-氨基青黴烷酸^-ΑΡΑ)、7-氨基頭孢烷酸(7-ACA)及其N-醯基衍生物中β -內醯胺環上醯胺鍵以及第三代頭孢菌素如頭孢曲松、頭孢他啶等的黴，受ESBLs酶抑制劑如克拉維酸抑制的酶。產生ESBLs酶的主要菌類為肺炎克雷伯菌和大腸埃希菌。合成ESBLs是製藥廢水中活性汙泥對抗β-內醯胺類抗生素從而達到降解製藥廢水中汙染物的主要作用機制。所以在實際的工程應用中開發一套不僅僅能夠處理汙水還能在汙水處理過程中富集培養出產ESBLs耐熱性菌群的汙水處理反應裝置對於製藥廢水和醫院汙水的處理是迫在眉睫的事情。
[0003]起源於上世紀60年代末的膜生物反應MBR技術，首先引起美國科技人員的注意並將其應用於去除廢水中殘留的頭抱類抗生素藥品，以消除此類痕量有機物對環境的影響。Munir等2011年在水處理領域國際權威雜誌《Water Research》上發表的一篇名為((Release of antibiotic resistant bacteria and genes in the effluent andbio-solids of five wastewater utilities in Michigan》的文章中比較了膜生物反應器和傳統活性汙泥法對耐藥菌與抗性基因的去除效果，結果表明，MBR具有顯著的耐藥菌與抗性基因的去除效果(2.57~7.061og單位)，遠遠要優於傳統活性汙泥工藝(2.37~4.561og單位)。魯南，普紅平在一篇名為《膜生物反應器處理抗生素廢水》的研究中介紹了將一體式中空纖維膜生物反應器處理四 川省某青黴素製藥廠的抗生素廢水，研究中獲得了較好的效果，MBR對於COD的去除率為98%，對氨氮的去除率為87%。
[0004]雖然不少的研究中將膜生物反應器應用於處理含有抗生素的廢水處理並取得較好實際運行效果，但是普通的MBR裝置具有容易產生膜汙染、運行能耗較高、固液氣三相不能完全混合、反應器內存在著「死角」、微生物生長條件惡劣等一系列缺點，而且不能為微生物提供較好的生長繁殖條件，更別說富集培養特定的微生物種群。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在於提供一種膜無汙染、運行能耗較低、固液氣三相可完全混合、微生物生長條件良好的富集培養產超廣譜β-內醯胺酶(ESBLs)耐熱性菌群的多級環流膜生物反應裝置。本發明主要是將環流反應機構和汙水處理的膜生物反應裝置(MBR)結合在一起形成多級環流MBR，使得其內部的氣體、液體和固體形成良好的多級環流,並通過對其內部條件的控制使得多級環流MBR裝置內產生適合微生物生長的良好環境。
[0006]本發明具體內容如下:
[0007]本發明裝置主體有一個上下兩端封閉的圓筒形外殼，最好外殼高度與直徑比3-5。在該外殼上部設有進水口，其通過進水管路及管路上所設的進水流量計、進水泵及電磁閥與原水箱相連。最好在外殼上部設有溢流管。另在外殼頂板上還設有通孔，其通過帶閥的加藥管與藥劑箱相連，通過藥劑箱施加的藥品及數量控制反應器中特徵汙染物的濃度，使得裝置在不同的特徵汙染物的濃度條件下運行，進而對產ESBLs耐熱性菌群的富集培養提供良好的汙染物濃度條件；通過藥劑箱還可以控制反應器中的PH值，為產ESBLs耐熱性菌群的富集培養提供適宜的PH值條件。外殼底部設有若干曝氣頭，最好曝氣頭上設有微孔分布器，該曝氣頭通過帶電磁閥的管路與空氣泵相連。在上述外殼的底板上分別設有帶電磁閥的排泥管和放空管。在外殼內底部設有支架，在支架上設有導流筒，其為反應器的升流區，該圓筒形導流筒筒壁與外殼筒壁有一定間隙，其為反應器的降流區，該導流筒壁上設有若干通孔，最好導流筒壁上設有三段孔區，每段孔區有三排直徑為Icm的小孔。升降流區面積比為1.0-1.5。在導流筒內設有膜組件，最好採用改性親水性聚丙烯微孔膜，該膜組件是由若干中空纖維管組成的片狀結構，該中空纖維管兩端與兩豎直水管相連，該兩豎直水管上端分別與水平的集水管兩端相連，該集水管通過出水管路及管路上所設的出水流量計、出水泵、真空表及電磁閥與清水蓄水池相連。最好清水蓄水池設另一個出水口，該另一個出水口通過設有電磁閥的管路與反衝洗泵進口相連，反衝洗泵出口與膜組件出水管路相連。通過自動控制系統的調節對膜組件形成一定程度的衝刷作用，緩解膜汙染的發生，提高系統的整體運行效率。最好導流筒底部也設有曝氣頭，其也通過帶電磁閥的管路與空氣泵相連，在氣含率差作用下，形成氣液兩相的整體循環流動，並帶動反應器底部的汙泥在反應器中循環，促進反應器底部汙泥與汙水和氣泡的進一步的結合，優化了汙泥內微生物的生長條件。在上述外殼與導流筒之間分別設有溫度控制設備和在線監測設備，該溫度控制設備可將水溫控制在適宜產ESBLs耐熱性菌群生長的最佳溫度，以更好的富集培養出產ESBLs耐熱性菌群；同時通過對溫度進行控制，進而篩選與富集培養出耐高溫甚至是超高溫的菌群。上述在線監測設備能夠及時、準確、完整地監測運行所涉及的大部分參數和水質參數，其中包括反應器內溫度、溶解氧濃度、pH值、液位、COD、BOD、OUR、SOUR、MLSS等指標。上述的水泵、氣泵、在線監測設備、溫控設備、藥劑箱及電磁閥均通過控制線路與PLC中央控制系統相連，本發明可以完全實現自動化控制，不需要或很少需要人工操作。
[0008]本發明與現有技術相比具有如下優點:
[0009]1、本發明的富 集培養產ESBLs耐熱性菌群多級環流MBR裝置是完全的自動控制自適應自調節膜生物反應裝置。裝置中安裝有靈敏度最高的、監測項目最全的、監測數據最準的在線監測設備，便於自動控制的進出水泵，能夠調節任意流量的電磁閥，能夠根據反應條件的需要而進行控制的溫度控制設備，能夠實現自動控制的藥劑控制設備等。這些設備都與PLC控制系統相連，因此本發明可以完全實現自動化控制，不需要或很少需要人工操作，這樣更有利於工程運用，解決了現有的膜生物反應裝置自動控制不好的局面。
[0010]2、本發明中的在線監測設備將監測到的反應器內的水質參數和運行參數值傳遞到PLC控制系統中，PLC控制系統利用已經編好的程序並結合監測到的數據進行分析運算，然後以指令形式傳遞到下行機，進而對閥門的開閉、泵的運行與開啟進行控制和調節以達到對反應器內的環境和可控制的參數進行實時有效的控制，不僅節省大量能源，而且又能滿足富集培養產ESBLs耐熱性菌群的最佳濃度、水溫和pH值，以更好地富集培養出產ESBLs耐熱性菌群。
[0011] 3、反應器內的導流筒為本發明的主要部件之一，其內的水力循環條件比現有的膜生物反應裝置更具有優勢，反應器內的流體圍繞著反應器內筒的兩側進行快速的環流運動，使得氣泡在反應器內具有較長的運動軌跡；較長的運動軌跡使得氣體更容易溶於液體之中。多級環流和單級環流相比使得氣-汙水-微生物絮凝體混合良好，氣泡在反應器內分布比較均勻，在整個反應器內不會存在曝氣或汙泥「死區」，而且氣泡在下降段分布均勻，完全解決了單級環流反應器環隙上部氣含率較大、下部較小的問題，這樣就不會存在傳統膜生物反應裝置上部曝氣過量，下部曝氣不足，嚴重時甚至會發生上部微生物由於氧含量過高而自身氧化分解，而下部由於供氧不足導致汙泥厭氧消化。
[0012]4、多級環流條件使得反應器內的汙水在整個反應器內得到完全充分的循環，這樣會使新進入反應器的汙水迅速與反應器中原有汙水達到完全混合狀態，多級環流條件避免現有的膜生物反應裝置中部分汙水進入反應器後「停滯」在某個區域，未與反應器中的汙泥完全反應混合而直接被排除反應器。
[0013]5、富集培養產ESBLs耐熱性菌群多級環流MBR裝置產生多級環流效應，其結構簡單，傳質性能好，能耗較低，易於工程放大。不僅僅可以用來富集培養產ESBLs耐熱性菌群，也可以用於處理含有抗生素的製藥廢水和醫院的醫療廢水等，解決含抗生素廢水處理難和處理效果差的問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發明主視立體示意簡圖。
[0015]圖2為圖1中導流筒主視示意簡圖。
[0016]圖中:1.原水箱，2.電磁閥，3.進水泵，4.進水流量計，5.真空壓力表，6.溢流管，7.膜組件，8.外殼，9.導流筒，10.曝氣裝置，11.汙泥排放管，12.放空管，13.取樣口，14.空氣泵，15.出水泵，16.蓄水池，17.出水流量計，18.孔區，19.支架，20.高低液位計，21.氣泡，22.反衝洗泵，23.藥劑箱，24.溫度控制儀。
[0017]【具體實施方式】
[0018]例I
[0019]在圖1所示的富集培養產超廣譜β -內醯胺酶耐熱性菌群的多級環流膜生物反應裝置的主視立體示意簡圖中，裝置主體有一個上下兩端封閉的圓筒形外殼，在該外殼上部設有進水口，其通過進水管路及管路上所設的進水流量計、進水泵及電磁閥與原水箱相連。在外殼上部設有溢流管。另在外殼頂板上還設有通孔，其通過帶閥的加藥管與藥劑箱相連。外殼底部設有兩個曝氣頭，每個曝氣頭上設有微孔分布器，該曝氣頭通過帶電磁閥的管路與空氣泵相連。在上述外殼的底板上分別設有帶電磁閥的排泥管和放空管。在外殼內底部設有支架，在支架上設有導流筒，該圓筒形導流筒筒壁與外殼筒壁有一定間隙，該導流筒壁上設有三段孔區，每段孔區有三排直徑為Icm的小孔。在導流筒內設有改性親水性聚丙烯微孔膜組件，該膜組件是由若干中空纖維管組成的片狀結構，該中空纖維管兩端與兩豎直水管相連，該兩豎直水管上端分別與水平的集水管兩端相連，該集水管通過出水管路及管路上所設的出水流量計、出水泵、真空表及電磁閥與清水蓄水池相連。清水蓄水池設另一個出水口，該另一個出水口通過設有電磁閥的管路與反衝洗泵進口相連，反衝洗泵出口與膜組件出水管路相連。導流筒底部也設有曝氣頭，其也通過帶電磁閥的管路與空氣泵相連。在上述外殼與導流筒之間分別設有溫度控制設備和在線監測設備，上述的水泵、氣泵、在線監測設備、溫控設備、藥劑箱及電磁閥均通過控制線路與PLC中央控制系統相連。
[0020]例2
[0021]結合圖1和圖2對本發明作進一步說明:本發明的生物反應裝置外殼⑶高220cm，直徑90cm，生物反應裝置外殼的進水口設在外殼(8)離上弦口 20cm處，高低液位計
(20)的高液位點位於外殼(8)上弦口 30cm處，高低液位計(20)的低液位點與導流筒上弦平行，生物反應裝置導流筒支架(19)高20cm，導流筒(9)高160cm，直徑為57cm，導流筒直徑/外殼直徑=0.761，導流筒共分4級；導流筒內最低環流液速為0.3m/s,正常環流液速為0.45m/s，環隙最大氣含率0.12，最小氣含率0.04，考慮到導流筒底部有一定高度的射流區，按計算值的120%，所以第一開孔處距導流筒(9)的底端為66cm ;在此高度下，開有三排直徑為Icm的小孔。第二開孔處距外殼(8)底端為100cm，在此高度下，開有三排直徑為Icm的小孔，第三開孔處距導流筒(9)底端為130cm，在此高度下，開有三排直徑為Icm的小孔。在此開孔率及反應器的設計情況下四個多級環流段的含氣率都控制在0.04~0.12，四個環流段的環液流速都控制在0.3m/s~0.45m/s。
[0022]本發明的工作過程大致如下:原水由進水泵(3)從原水箱⑴中吸入到進水管路中，從進水管中進入到反應器外殼(8)和導流筒(9)之間的緩衝區內，在反應器內與外殼底部的微生物等發生複雜的生化過程，並且在反應器外殼(8)與導流筒(9)之間不斷地進行多級環流水力循環。經過一定的HRT(水力停留時間)後，由出水泵(15)抽吸到蓄水池(16)中，隨著運行時間的增加，由於微生物的附著、微生物代謝物的附著以及汙水中難溶性顆粒物的附著作用將會導致膜堵塞，造成膜通量下降，也就是所謂的「膜汙染」，具體表現就是出水量下降、膜和泵間的壓力增大，在本發明中真空壓力表(5)會將其示數傳遞至PLC控制系統，當示數超過PLC控制系統的設定值時，啟動反衝洗泵(22)進行反衝洗。在反衝洗過程中，停止出水泵(15)，啟動反衝洗泵(22)，蓄水池(16)中的清水由反衝洗泵(22)抽吸至反應器內，清洗膜組件(7)。當真空壓力表(5)的示數降至PLC控制系統設定的停止反衝洗值時，即膜通量恢復至反衝洗前的95%時，停止反衝洗流程。
[0023]當反應器內的DO濃度低於目前系統所要求的適宜DO濃度時，PLC控制系統將控制曝氣量的電磁 閥(2)調大，當反應器的DO濃度高於目前系統所要求的適宜DO濃度時，PLC控制系統將控制曝氣量的電磁閥(2)調小。當反應器中的特徵汙染物濃度低於富集培養產ESBLs耐熱性菌群的最佳濃度時，開啟藥劑箱電磁閥(2)，使反應器內的特徵汙染物濃度滿足富集培養產ESBLs耐熱性菌群的最佳濃度；當應器中的特徵汙染物濃度高於富集培養產ESBLs耐熱性菌群的最佳濃度時，開啟進水泵(3)，注入一定量含有特徵汙染物濃度較低的原水稀釋反應器中特徵汙染物濃度。當反應器中的pH值過高時，PLC控制系統開啟藥劑箱電磁閥(2)，藥劑箱釋放一定量的酸，以降低反應器中的pH值至最佳pH，當反應器中的pH值過低時，PLC控制系統開啟藥劑箱電磁閥(2)，藥劑箱釋放一定量的鹼，以升高反應器中的pH值至最佳pH。PLC控制系統控制溫度控制儀將水溫控制在適宜產ESBLs耐熱性菌群生長的最佳溫度，以更好的富集培養出產ESBLs耐熱性菌群。當在線監測設備(20)監測到的反應器內液面位置低於PLC控制系統內部設置的最低液位點時，PLC控制系統啟動出水泵(3)，出水箱(1)中的原水進入反應器中，當進水至反應器中的液面高於PLC控制系統內部設置的最高液位時，停止進水泵(3)。PLC控制系統根據內部的設定程序，在系統需要時將汙泥排放管(11)的電磁閥進行打開，進行排泥，當排泥量達到一定時，關閉閥門 。
【權利要求】
1.一種富集培養產超廣譜β-內醯胺酶耐熱性菌群的多級環流膜生物反應裝置，其特徵在於:該裝置有一個上下兩端封閉的圓筒形外殼，在該外殼上部設有進水口，其通過進水管路及管路上所設的進水流量計、進水泵及電磁閥與原水箱相連，在外殼頂板上還設有通孔，其通過帶閥的加藥管與藥劑箱相連，外殼底部設有曝氣頭，該曝氣頭通過帶電磁閥的管路與空氣泵相連，在上述外殼的底板上分別設有帶電磁閥的排泥管和放空管，在外殼內底部設有支架，在支架上設有導流筒，該圓筒形導流筒筒壁與外殼筒壁有一定間隙，該導流筒壁上設有通孔，在導流筒內設有膜組件，該膜組件是由中空纖維管組成的片狀結構，該中空纖維管兩端與兩豎直水管相連，該兩豎直水管上端分別與水平的集水管兩端相連，該集水管通過出水管路及管路上所設的出水流量計、出水泵、真空表及電磁閥與清水蓄水池相連，清水蓄水池設另一個出水口，該另一個出水口通過設有電磁閥的管路與反衝洗泵進口相連，反衝洗泵出口與膜組件出水管路相連，在上述外殼與導流筒之間分別設有溫度控制設備和在線監測設備，上述的水泵、氣泵、在線監測設備、溫控設備、藥劑箱及電磁閥均通過控制線路與PLC中央控制系統相連。
2.根據權利要求1所述的富集培養產超廣譜內醯胺酶耐熱性菌群的多級環流膜生物反應裝置，其特徵在於:在外殼上部設有溢流管。
3.根據權利要求1或2所述的富集培養產超廣譜β-內醯胺酶耐熱性菌群的多級環流膜生物反應裝置，其特徵在於:導流筒底部設有曝氣頭，其通過帶電磁閥的管路與空氣泵相連。
4.根據權利要求3所述的富集培養產超廣譜β-內醯胺酶耐熱性菌群的多級環流膜生物反應裝置，其特徵在於:膜組件採用改性親水性聚丙烯微孔膜。
5.根據權利要求4所述的富集培養產超廣譜β-內醯胺酶耐熱性菌群的多級環流膜生物反應裝置，其特徵在於 :曝氣頭上設有微孔分布器。
6.根據權利要求5所述的富集培養產超廣譜β-內醯胺酶耐熱性菌群的多級環流膜生物反應裝置，其特徵在於:導流筒壁上設有三段孔區，每段孔區有三排直徑為Icm的小孔。
7.根據權利要求6所述的富集培養產超廣譜β-內醯胺酶耐熱性菌群的多級環流膜生物反應裝置，其特徵在於:外殼高度與直徑比3-5。
8.根據權利要求7所述的富集培養產超廣譜β-內醯胺酶耐熱性菌群的多級環流膜生物反應裝置，其特徵在於:升降流區面積比為1.0-1.5。
【文檔編號】C02F3/34GK103910436SQ201410079134
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年3月5日 優先權日:2014年3月5日
【發明者】呼冬雪, 陳兆波, 崔玉波, 冉春秋, 葛輝, 孫紅傑, 王冰 申請人:大連民族學院