專利名稱：外置式甲烷無泡曝氣生物膜反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種外置式甲烷無泡曝氣生物膜反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集裝置及方法。
背景技術(shù)：
甲烷作為一種重要的能源，在人類的生產(chǎn)生活中扮演著重要的角色。同時，甲烷又是大氣中含量最多的碳?xì)浠衔?，其對全球變暖的貢獻(xiàn)僅次于CO2,目前對全球氣候變暖的“貢獻(xiàn)率”達(dá)15%，它引起的溫室效應(yīng)是等摩爾(X)2的20 30倍。據(jù)悉，全球每年甲烷產(chǎn)生量的85%及消耗量的60%都是基于微生物的作用。微生物進(jìn)行的甲烷厭氧氧化(anaerobicoxidation of methane)能夠使大部分甲烷氣體(90%以上)在進(jìn)入大氣圈之前就被大量地消耗。因此，甲烷厭氧氧化在全球的甲烷排放控制過程中起了不容忽視的作用，它能有效緩解目前日趨嚴(yán)重的溫室效應(yīng)。反硝化型甲烷厭氧氧化(denitrification anaerobic methane oxidation)是甲烷厭氧氧化的一種，其反應(yīng)方程式如方程式(1)、(2)所示。目前，對于催化該反應(yīng)進(jìn)行的反硝化型甲烷厭氧氧化菌的研究非常少。然而，該過程卻非常值得關(guān)注首先，通過研究該過程有助于更好地理解生物地球氮素循環(huán)和生物地球碳素循環(huán)以及二者的有機(jī)結(jié)合；其次，對該過程的研究有助于進(jìn)一步挖掘自然界中的微生物資源；再則，以此為基礎(chǔ)，可以開發(fā)新型生物脫氮除碳工藝。5CH4 + 8NCV + 8H+ — 5C02 + 4N2 + 14H20(1)(Δ G0 = - 765 kJmoF1 CH4)
3CH4 + 8NCV + 8H+ — 3C02 + 4N2 + IOH2O(2)
(Δ G0 = - 928 kJmoF1 CH4)
由于反硝化型甲烷厭氧氧化的發(fā)生環(huán)境通常限于具有急劇梯度特征的區(qū)域，使該反應(yīng)僅在幾毫米的范圍內(nèi)發(fā)生，從而導(dǎo)致該過程很難被檢測到。而且，反硝化型甲烷厭氧氧化的功能微生物生長極其緩慢，細(xì)胞倍增時間長達(dá)一個月以上，因而很難獲得催化該過程的富集培養(yǎng)物。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種外置式甲烷無泡曝氣生物膜反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集裝置及方法。外置式甲烷無泡曝氣生物膜反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集裝置包括反應(yīng)器主體、甲烷無泡曝氣膜組件、控溫系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)和液封裝置；反應(yīng)器主體具有反應(yīng)器蓋板、反應(yīng)容器、生物填料、出水生物量截留球、循環(huán)液生物量截留球和生物填料支架，反應(yīng)器蓋板上穿有出水管、排氣管、循環(huán)液出水管和循環(huán)液進(jìn)水管，生物填料支架的支撐板將反應(yīng)容器分為生物填料區(qū)和完全混合區(qū)兩部分，生物填料區(qū)內(nèi)設(shè)有生物填料、出水生物量截留球和循環(huán)液生物量截留球，完全混合區(qū)設(shè)有生物填料支架的支柱、攪拌磁子，其中循環(huán)液進(jìn)水管一端穿過反應(yīng)器蓋板、生物填料和生物填料支架的支撐板與完全混合區(qū)相連，循環(huán)液進(jìn)水管另一端與甲烷無泡曝氣膜組件上部相連，出水生物量截留球通過出水管與出水泵相連，循環(huán)液生物量截留球通過循環(huán)液出水管和循環(huán)泵與甲烷無泡曝氣膜組件底部相連，排氣管與液封裝置相連，生物填料由生物填料支架支撐，甲烷無泡曝氣膜組件內(nèi)設(shè)有中空纖維膜，甲烷無泡曝氣膜組件上端設(shè)有進(jìn)氣管和進(jìn)氣泵，甲烷無泡曝氣膜組件底部設(shè)有進(jìn)水管和進(jìn)水泵。所述的反應(yīng)器主體為圓柱體，其高徑比為1. 5 2:1。所述的生物填料區(qū)與完全混合區(qū)的體積比為8 10:1。所述的甲烷無泡曝氣膜組件采用外置式，內(nèi)部利用中空纖維膜實現(xiàn)甲烷的無泡曝氣，其與反應(yīng)器主體的體積比為1: 1.5 2。所述的生物填料支架的支柱是長方體，其長邊與生物填料支架的支撐板的半徑方向的偏角為50 70°，生物填料支架的支撐板是穿有小孔的薄板，其小孔孔徑為4 6mm。外置式甲烷無泡曝氣生物膜反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集方法是反應(yīng)器主體內(nèi)的培養(yǎng)液經(jīng)循環(huán)液生物量截留球截留下反硝化型甲烷厭氧氧化菌生物量后，通過循環(huán)液出水管和循環(huán)泵進(jìn)入甲烷無泡曝氣膜組件的底部，并與通過進(jìn)水泵和進(jìn)水管進(jìn)入甲烷無泡曝氣膜組件底部的新鮮培養(yǎng)液混合，混合液由下而上通過甲烷無泡曝氣膜組件內(nèi)的中空纖維膜的外部，甲烷氣體通過進(jìn)氣泵和進(jìn)氣管進(jìn)入中空纖維膜的內(nèi)部，經(jīng)中空纖維膜上的微孔快速溶解至混合液中，溶有甲烷的混合液通過循環(huán)液進(jìn)水管進(jìn)入完全混合區(qū)，在攪拌磁子的攪拌作用下與反應(yīng)器主體內(nèi)的培養(yǎng)液進(jìn)一步混合，并由反應(yīng)器主體的完全混合區(qū)向生物填料區(qū)流動，其中一部分通過循環(huán)液生物量截留球進(jìn)入循環(huán)液出水管循環(huán)使用，另一部分通過出水生物量截留球、出水管和出水泵排出，反應(yīng)器主體內(nèi)析出的氮氣和未反應(yīng)的甲烷氣體通過排氣管和液封裝置排出；當(dāng)反應(yīng)器主體內(nèi)生物量達(dá)到6 8gVSS/L后，打開反應(yīng)器蓋板，取出40 50%附著有生物量的生物填料，并補(bǔ)充等量新鮮的生物填料，蓋上反應(yīng)器蓋板，重新開始新一輪富集培養(yǎng)；其中出水泵控制的出水流量與進(jìn)水泵控制的進(jìn)水流量相等，進(jìn)水泵控制的進(jìn)水流量與循環(huán)泵控制的循環(huán)液流量的比值為1: 10 20，進(jìn)氣泵控制的進(jìn)氣流量與循環(huán)泵控制的循環(huán)液流量的比值為1: 40 50，攪拌磁子的攪拌方向與生物填料支架的支柱的偏轉(zhuǎn)方向一致，攪拌磁子的攪拌速率控制為50 lOOrpm。本發(fā)明具有的有益效果1)利用甲烷無泡曝氣技術(shù)，實現(xiàn)甲烷氣體在水相中的快速溶解，提高培養(yǎng)基中甲烷基質(zhì)的含量，從而實現(xiàn)反硝化型甲烷厭氧氧化菌的快速富集;2)新鮮培養(yǎng)液首先與循環(huán)液混合，再在攪拌磁子的攪拌作用下與反應(yīng)器主體內(nèi)的培養(yǎng)液混合，從而降低新鮮培養(yǎng)液中亞硝酸鹽對反硝化型甲烷厭氧氧化菌的抑制作用，同時提高反應(yīng)器抗水力負(fù)荷和基質(zhì)負(fù)荷沖擊的能力；3)在反應(yīng)器主體內(nèi)添加生物填料，反硝化型甲烷厭氧氧化菌在填料表面上形成生物膜，從而提高反應(yīng)器內(nèi)反硝化型甲烷厭氧氧化菌的生物量，同時也提高反應(yīng)器抗水力負(fù)荷和基質(zhì)負(fù)荷沖擊的能力；4)使用出水生物量截留球可減小反應(yīng)器內(nèi)生物量的流失，實現(xiàn)反硝化型甲烷厭氧氧化菌的快速富集，使用循環(huán)液生物量截留球可減少甲烷無泡曝氣膜組件受到的污染，延長中空纖維膜的使用周期。


圖1是一種外置式甲烷無泡曝氣生物膜反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集裝置結(jié)構(gòu)示意圖2是生物填料支架結(jié)構(gòu)示意圖中反應(yīng)器主體1、反應(yīng)容器2、生物填料支架、攪拌系統(tǒng)4、攪拌磁子5、甲烷無泡曝氣膜組件6、液封裝置7、進(jìn)氣管8、進(jìn)水泵9、循環(huán)泵10、出水泵11、循環(huán)液生物量截留球12、循環(huán)液出水管13、進(jìn)水管14、進(jìn)氣泵15、循環(huán)液進(jìn)水管16、出水生物量截留球17、出水管18、排氣管19、中空纖維膜20、反應(yīng)器蓋板21、生物填料22、控溫系統(tǒng)23、生物填料支架的支柱M、生物填料支架的支撐板25。
具體實施例方式如圖1、2所示，外置式甲烷無泡曝氣生物膜反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集裝置，其特征在于包括反應(yīng)器主體1、甲烷無泡曝氣膜組件6、控溫系統(tǒng)23、攪拌系統(tǒng)4和液封裝置7 ；反應(yīng)器主體1具有反應(yīng)器蓋板21、反應(yīng)容器2、生物填料22、出水生物量截留球17、循環(huán)液生物量截留球12和生物填料支架3，反應(yīng)器蓋板21上穿有出水管18、排氣管19、循環(huán)液出水管13和循環(huán)液進(jìn)水管16，生物填料支架的支撐板25將反應(yīng)容器2分為生物填料區(qū)和完全混合區(qū)兩部分，生物填料區(qū)內(nèi)設(shè)有生物填料22、出水生物量截留球17和循環(huán)液生物量截留球12，完全混合區(qū)設(shè)有生物填料支架的支柱M和攪拌磁子5，其中循環(huán)液進(jìn)水管16一端穿過反應(yīng)器蓋板21、生物填料22和生物填料支架的支撐板25與完全混合區(qū)相連，循環(huán)液進(jìn)水管16另一端與甲烷無泡曝氣膜組件6上部相連，出水生物量截留球17通過出水管18與出水泵11相連，循環(huán)液生物量截留球12通過循環(huán)液出水管13和循環(huán)泵10與甲烷無泡曝氣膜組件6底部相連，排氣管19與液封裝置7相連，生物填料22由生物填料支架3支撐，甲烷無泡曝氣膜組件6內(nèi)設(shè)有中空纖維膜20，甲烷無泡曝氣膜組件6上端設(shè)有進(jìn)氣管8和進(jìn)氣泵15，甲烷無泡曝氣膜組件6底部設(shè)有進(jìn)水管14和進(jìn)水泵9。所述的反應(yīng)器主體1為圓柱體，其高徑比為1. 5 2:1。所述的生物填料區(qū)與完全混合區(qū)的體積比為8 10:1。所述的甲烷無泡曝氣膜組件6采用外置式，其與反應(yīng)器主體1的體積比為1: 1.5 2。所述的生物填料支架的支柱M是長方體，其長邊與生物填料支架的支撐板25的半徑方向的偏角為50 70°，生物填料支架的支撐板25是穿有小孔的薄板，其小孔孔徑為4 6mm。外置式甲烷無泡曝氣生物膜反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集方法是反應(yīng)器主體1內(nèi)的培養(yǎng)液經(jīng)循環(huán)液生物量截留球12截留下反硝化型甲烷厭氧氧化菌生物量后，通過循環(huán)液出水管13和循環(huán)泵10進(jìn)入甲烷無泡曝氣膜組件6的底部，并與通過進(jìn)水泵9和進(jìn)水管14進(jìn)入甲烷無泡曝氣膜組件6底部的新鮮培養(yǎng)液混合，混合液由下而上通過甲烷無泡曝氣膜組件6內(nèi)的中空纖維膜20的外部，甲烷氣體通過進(jìn)氣泵15和進(jìn)氣管8進(jìn)入中空纖維膜20的內(nèi)部，經(jīng)中空纖維膜20上的微孔快速溶解至混合液中，溶有甲烷的混合液通過循環(huán)液進(jìn)水管16進(jìn)入完全混合區(qū)，在攪拌磁子5的攪拌作用下與反應(yīng)器主體1內(nèi)的培養(yǎng)液進(jìn)一步混合，并由反應(yīng)器主體1的完全混合區(qū)向生物填料區(qū)流動，其中一部分通過循環(huán)液生物量截留球12進(jìn)入循環(huán)液出水管13循環(huán)使用，另一部分通過出水生物量截留球17、出水管18和出水泵11排出，反應(yīng)器主體1內(nèi)析出的氮氣和未反應(yīng)的甲烷氣體通過排氣管19和液封裝置7排出；當(dāng)反應(yīng)器主體1內(nèi)生物量達(dá)到6 8gVSS/L后，打開反應(yīng)器蓋板21，取出40 50%附著有生物量的生物填料22，并補(bǔ)充等量新鮮的生物填料22，蓋上反應(yīng)器蓋板21，重新開始新一輪富集培養(yǎng)；其中出水泵11控制的出水流量與進(jìn)水泵9控制的進(jìn)水流量相等，進(jìn)水泵9控制的進(jìn)水流量與循環(huán)泵10控制的循環(huán)液流量的比值為1: 10 20，進(jìn)氣泵15控制的進(jìn)氣流量與循環(huán)泵10控制的循環(huán)液流量的比值為1 40 50，攪拌磁子5的攪拌方向與生物填料支架的支柱M的偏轉(zhuǎn)方向一致，攪拌磁子5的攪拌速率控制為50 lOOrpm。
權(quán)利要求
1.一種外置式甲烷無泡曝氣生物膜反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集裝置，其特征在于包括反應(yīng)器主體(1)、甲烷無泡曝氣膜組件(6)、控溫系統(tǒng)(23)、攪拌系統(tǒng)(4)和液封裝置(7);反應(yīng)器主體(1)具有反應(yīng)器蓋板(21)、反應(yīng)容器(2)、生物填料(22)、出水生物量截留球(17)、循環(huán)液生物量截留球(12)和生物填料支架(3)，反應(yīng)器蓋板(21)上穿有出水管(18)、排氣管(19)、循環(huán)液出水管(13)和循環(huán)液進(jìn)水管(16)，生物填料支架的支撐板(25)將反應(yīng)容器(2)分為生物填料區(qū)和完全混合區(qū)兩部分，生物填料區(qū)內(nèi)設(shè)有生物填料(22)、出水生物量截留球(17)和循環(huán)液生物量截留球(12)，完全混合區(qū)設(shè)有生物填料支架的支柱(24)和攪拌磁子(5)，其中循環(huán)液進(jìn)水管(16)—端穿過反應(yīng)器蓋板(21)、生物填料(22)和生物填料支架的支撐板(25)與完全混合區(qū)相連，循環(huán)液進(jìn)水管(16)另一端與甲烷無泡曝氣膜組件(6)上部相連，出水生物量截留球(17)通過出水管(18)與出水泵(11)相連，循環(huán)液生物量截留球(12)通過循環(huán)液出水管(13)和循環(huán)泵(10)與甲烷無泡曝氣膜組件(6)底部相連，排氣管(19)與液封裝置(7)相連，生物填料(22)由生物填料支架(3)支撐，甲烷無泡曝氣膜組件(6)內(nèi)設(shè)有中空纖維膜(20)，甲烷無泡曝氣膜組件(6)上端設(shè)有進(jìn)氣管(8)和進(jìn)氣泵(15 )，甲烷無泡曝氣膜組件(6 )底部設(shè)有進(jìn)水管(14 )和進(jìn)水泵(9 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外置式甲烷無泡曝氣生物膜反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集裝置，其特征在于所述的反應(yīng)器主體(1)為圓柱體，其高徑比為1. 5 2:1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外置式甲烷無泡曝氣生物膜反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集裝置，其特征在于所述的生物填料區(qū)與完全混合區(qū)的體積比為8 10:1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外置式甲烷無泡曝氣生物膜反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集裝置，其特征在于所述的甲烷無泡曝氣膜組件(6)采用外置式，其與反應(yīng)器主體(1)的體積比為1: 1.5 2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外置式甲烷無泡曝氣生物膜反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集裝置，其特征在于所述的生物填料支架的支柱(24)是長方體，其長邊與生物填料支架的支撐板(25)的半徑方向的偏角為50 70°，生物填料支架的支撐板(25)是穿有小孔的薄板，其小孔孔徑為4 6mm。
6.一種使用如權(quán)利要求1所述裝置的外置式甲烷無泡曝氣生物膜反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集方法，其特征在于反應(yīng)器主體(1)內(nèi)的培養(yǎng)液經(jīng)循環(huán)液生物量截留球(12)截留下反硝化型甲烷厭氧氧化菌生物量后，通過循環(huán)液出水管(13)和循環(huán)泵(10)進(jìn)入甲烷無泡曝氣膜組件(6)的底部，并與通過進(jìn)水泵(9)和進(jìn)水管(14)進(jìn)入甲烷無泡曝氣膜組件(6)底部的新鮮培養(yǎng)液混合，混合液由下而上通過甲烷無泡曝氣膜組件(6)內(nèi)的中空纖維膜(20)的外部，甲烷氣體通過進(jìn)氣泵(15)和進(jìn)氣管(8)進(jìn)入中空纖維膜(20)的內(nèi)部，經(jīng)中空纖維膜(20)上的微孔快速溶解至混合液中，溶有甲烷的混合液通過循環(huán)液進(jìn)水管(16)進(jìn)入完全混合區(qū)，在攪拌磁子(5)的攪拌作用下與反應(yīng)器主體(1)內(nèi)的培養(yǎng)液進(jìn)一步混合，并由反應(yīng)器主體(1)的完全混合區(qū)向生物填料區(qū)流動，其中一部分通過循環(huán)液生物量截留球(12)進(jìn)入循環(huán)液出水管(13)循環(huán)使用，另一部分通過出水生物量截留球(17)、出水管(18)和出水泵(11)排出，反應(yīng)器主體(1)內(nèi)析出的氮氣和未反應(yīng)的甲烷氣體通過排氣管(19)和液封裝置(7 )排出；當(dāng)反應(yīng)器主體(1)內(nèi)生物量達(dá)到6 8gVSS/L后，打開反應(yīng)器蓋板(21)，取出40 50%附著有生物量的生物填料(22)，并補(bǔ)充等量新鮮的生物填料(22)，蓋上反應(yīng)器蓋板(21)，重新開始新一輪富集培養(yǎng)；其中出水泵(11)控制的出水流量與進(jìn)水泵(9)控制的進(jìn)水流量相等，進(jìn)水泵(9)控制的進(jìn)水流量與循環(huán)泵(10)控制的循環(huán)液流量的比值為1: 10 20，進(jìn)氣泵(15)控制的進(jìn)氣流量與循環(huán)泵(10)控制的循環(huán)液流量的比值為1:40 50，攪拌磁子(5)的攪拌方向與生物填料支架的支柱(24)的偏轉(zhuǎn)方向一致，攪拌磁子(5)的攪拌速率控制為50 lOOrpm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種外置式甲烷無泡曝氣生物膜反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集裝置及方法。它包括反應(yīng)器主體、甲烷無泡曝氣膜組件、控溫系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)和液封裝置；反應(yīng)器主體具有反應(yīng)器蓋板、反應(yīng)容器、生物填料、出水生物量截留球、循環(huán)液生物量截留球和生物填料支架，其中生物填料支架的支撐板將反應(yīng)器主體分為生物填料區(qū)和完全混合區(qū)兩部分，生物填料區(qū)包括生物填料、出水生物量截留球和循環(huán)液生物量截留球，完全混合區(qū)包括生物填料支架的支柱、攪拌磁子和循環(huán)液進(jìn)水管的出水口；甲烷無泡曝氣膜組件內(nèi)具有中空纖維膜。本發(fā)明利用甲烷無泡曝氣技術(shù)提高甲烷在水相中的溶解速率，同時利用生物膜技術(shù)提高反應(yīng)器的運(yùn)行效能。
文檔編號C12N1/20GK102559480SQ201110443608
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月27日
發(fā)明者何嶄飛, 劉帥, 樓莉萍, 沈李東, 胡寶蘭, 蔡琛, 鄭平 申請人:浙江大學(xué)