专利名称：双层水处理设备及其应用的制作方法
技术领域：
本发明属于污水处理技术领域，具体而言，本发明涉及能够配合 Pseudouchrobactrum saccharolyticum菌株除磷的污水处理装置，以及利用该装置进行污水处理的方法等。
背景技术：
城市污水所存在的含磷物质基本上都是不同形式的磷酸盐。依据物理特征可将污水中磷酸盐类物质分成溶解性和非溶解性；依据化学特征，则可分为正磷酸盐、聚合磷酸盐和有机磷酸盐。由于磷元素在生物化学过程中起到重要的主导作用。所有的微生物都含有相当数目的磷，磷是微生物细胞的主要组分，也是导致赤潮频繁发生的重要原因，给自然水体造成了严重的负面影响。因此，在污水处理过程中会进行除磷操作，通常通过生物作用，尤其是微生物的作用完成含磷物质的分解和/或同化，成为磷化氢气体和/或被限制于菌体中，从而从水中去除，以此达到除磷和净化水质的目的。当前，除磷菌的研究较少。周康群等(一株新的厌氧除磷功能菌株的鉴定与活性.化工学报，2008，39 (6) :1522-1530)分离出一株 Pseudouchrobactrum saccharolyticum菌株(被称为P2菌株)，该菌株在采用葡萄糖和乙酸钠的复合碳源、蛋白胨和氯化铵的复合氮源时，取得最佳除磷效果。但是，该菌株未能向公众公开发放，因此无法在实践中投入使用，也无法进行环境安全性评价测试，更无法合法地在国内使用，因此丧失了在产业化上的实用性。为此，在已经能够获得的 Pseudouchrobactrum saccharolyticum 菌株中， Pseudochrobactrum saccharolyticum CIP 108976 株(简称为 108976 菌株)被厂商要求使用含！“巧口切casein soy agar (Bio-Rad产品号为64554)的复合培养基中培养或者运用血清培养基来培养，这些培养基价格昂贵，对于污水处理这样要求低成本但用量大的产业来说，是很不合适的。本申请人进行了一系列长期严谨的研究工作，发现，如果按照厂商要求使用含 Trypto casein soy agar (Bio-Rad产品号为64554)的复合培养基，不但价格昂贵，而且 108976菌株培养的效果差，导致除磷效率相当低；更令人意想不到的是，如果对108976菌株采用本发明的单一碳源和氮源培养，培养温度可以更低更接近于实际环境温度，不但相对于复合碳源和氮源的培养基没有显著的除磷效率降低，相反还得到了一定程度的提升， 这样还有效地节约了成本并且方便了培养基的配制；另外，本发明的菌株对环境安全，可以推广应用。为了配合该菌株培养物除磷的特点，本发明人开发了一种双层水处理设备，尤其优化了水处理设备的关键部分结构的比例参数，适合108976菌株厌氧处理的效率，而且该设备结构简单，维护方便，节能降耗。
发明内容
本发明要解决的问题在于，提供一种能够配合I^seudouchrobactrumsaccharolyticum菌株除磷的污水处理装置，其根据I^seudouchrobactrum saccharolyticum菌株，尤其是108976菌株除磷的特点，采用静置沉降的方式，使得装置结构简单，维护方便，节能降耗。另外，本发明还提供利用该污水处理装置配合 Pseudouchrobactrum saccharolyticum菌株培养物，尤其是108976菌株培养物,进行污水处理的方法。其中，108976菌株培养物的培养可以替换掉原108976菌株厂商要求的较为昂贵的培养基，采用成本更为低廉、更易于配制的单一碳源和氮源的培养基，在更为节能的较低温度下，就可以取得与复合碳源和氮源的培养基相当的除磷效率，甚至在长期(21天)培养后，除磷效率甚至高于采用复合碳源和氮源的培养基。具体而言，在第一方面，本发明提供了污水处理装置，包括带有开口的好氧处理池 (1)、通入好氧处理池(1)内部的进气管(13)、深入好氧处理池(1)内部的搅拌器(14)、密闭的厌氧处理池( 和位于厌氧处理池( 底部的带有阀门031)的排泥管(23)，其特征在于，厌氧处理池( 上部有带有阀门011)的菌株投入管(21)，从而能够使厌氧处理菌株进入厌氧处理池O)内；厌氧处理池O)中部有带有阀门021)的厌氧处理池出水管02)；而且厌氧处理池( 位于好氧处理池(1)下方，厌氧处理池( 顶部与好氧处理池(1) 底部之间通过带有阀门(121)的管道(12)连接。在本文中，上部、中部、和下部等位置关系具有本领域技术人员所能理解的含义， 为了清除限定，上部指距离容器顶部三分之一容器高度以上的容器侧壁部分；中部指介于距离容器顶部三分之一容器高度以下和距离容器底部三分之一容器高度以上之间的容器侧壁部分；下部指距离容器底部三分之一容器高度以下的容器侧壁部分。优选其中，厌氧处理池出水管0 与好氧处理池(1)的开口相连，这样能够形成循环处理的状态。优选其中，好氧处理池(1)下部有带有阀门(111)的好氧处理池出水管(11)。好氧处理池出水管(11)可以方便从好氧处理池(1)中取样，更可以在维护时，方便排出好氧处理池(1)中的水体。在本发明的具体实施方式
中，本发明的装置优选由上述部件和 Pseudouchrobactrum saccharolyticum菌株组成，无需其他部件，简化了结构，节约了成本。本发明的装置适于投入FlSeudouchrobactrum saccharolytticum菌株进行厌氧处理，尤其适于投入Pseudochrobactrum saccharolyticum CIP 108976株进行厌氧处理。具体而言，采用静置厌氧处理的方式进行，可以避免过多氧气对该厌氧菌株活性的影响，同时可以有利于吸收磷元素的菌体沉淀，最后可以通过清理底部淤泥清除。从成本上考虑，Pseudouchrobactrum saccharolyticum菌株不必与其培养基进行分离，直接使用菌株的培养物，也就是说，可以投入投入I^seudouchrobactrum saccharolyticum菌株培养物进行厌氧处理。在本发明中，培养物可以通过培养能获得的Pseudouchrobactrum saccharolyticum菌株的方法来获得，该方法包括将 Pseudochrobactrum saccharolyticum菌株接种于培养基进行厌氧培养，其中所述培养基包含酵母膏、KH2PO4, K2HPO4, MgSO4, CaCl2, FeSO4、葡萄糖、和蛋白胨，且不包含其他碳源和氮源。其中，培养的对象，即Pseudouchrobactrum saccharolyticum菌株，应当是能够获得的，即能够提供本领域技术人员取得菌株的商业来源，否则本领域技术人员无法从合法渠道获得菌株，进而无法实施和/或比较本发明；而依赖于从污泥中筛选，更无法预期能够获得本发明的菌株。目前能够通过合法渠道获得I^seudouchrobactrum saccharolyticum 菌株包括Pseudochrobactrum saccharolyticum CIP 108976株，其可购自法国巴斯德研究所菌物保藏中(CIP, L' Institut Pasteur,可参见 http://www. crbip. pasteur. fr/fiches/fichecata. jsp ？ crbip = 108976)。在本发明的具体实施方式
中，能获得的 Pseudouchrobactrum saccharolyticum 1 Pseudochrobactrum saccharolyticum CIP 108976 株。根据本发明的具体试验分析结果，尽管本发明的采用的培养基比厂商要求的 Bio-Rad的复合培养基(产品号为64554)要便宜，但是更具有除磷作用；即使相比复合碳源和氮源的培养基，本发明的培养基更适于I^seudochrobactrum saccharolyticum CIP 108976株提高除磷效果，尤其是除无机磷的效果。更为难得的是，Pseudochrobactrum saccharolyticum CIP 108976株在本发明的适当调整了微量元素比例的培养基中，能够在较低的温度下就达到现有文献报道需要较高温度才能达到的除磷效果。因此优选在本发明第一方面的方法中，厌氧培养的温度为^_32°C。在本发明的具体实施方式
中，厌氧培养的温度为30°C。这样的温度达到的效果已经相当于现有文献报道的在35°C才能达到的效果， 甚至更高；而较低的温度更加适于我国常年的气候，能够降低加温所需的能耗并能够减少保温材料或者设施的使用。优选其中，培养基的pH值为5. 8-6. 5。在本发明的具体实施方式
中，培养基的pH 值为6. O。这一点与现有文献报道的相吻合。本领域技术人员能够应用常用的酸或碱来调节培养基的PH值，使其达到规定的范围。可以用来调节pH值的常用酸或碱包括盐酸、柠檬酸、氢氧化钠、氢氧化钾等，优选是盐酸、氢氧化钠，它们不会额外引入碳源和氮源。优选酸或碱是稀的酸或碱，如浓度为0. 01-0. 5mol/L的酸或碱，例如浓度可以是0. 05,0. 1、0. 2或 0.3mol/L。优选其中，培养基的配方为每1000体积培养基中，酵母膏约0. 25重量份、KH2PO4 约0. 5重量份、K2HPO4约0. 64重量份、MgSO4约0. 1重量份、CaCl2约0. 075重量份、FeSO4 约0. 04重量份、葡萄糖约1. 5重量份、和蛋白胨约1. 5重量份，余量为水。该配方微调了微量元素的比例，使得低温除磷效率得以提升到与现有文献相当甚至更高的水平。在本文中， 体积和重量相比较时，体积和重量单位取ml和g的比例关系，即当体积单位取ml时，重量单位取g，当然本领域技术人员也能够理解，当体积单位取L时，重量单位取kg，才能保持ml 和g的比例关系。在本文中，“约”表示以相应的数值士 10%为上下限所构成的数值范围， 例如，约1. 5重量份表示1. 5士 10%重量份，即1. 35-1. 65重量份。本领域技术人员能够通过计算方便地换算出数值范围。在本发明的具体实施方式
中，培养基的配方为每IOOOml 培养基中，酵母膏 0. 25g、KH2PO4O. 5g、K2HPO4O. 64g、MgSO4O. lg、CaCl2O. 075g、FeSO4O. (Mg、葡萄糖1. 5g、和蛋白胨1. 5g，余量为水。由于好氧处理和厌氧处理的效率不尽相同，经本发明人研究发现，好氧处理池(1) 与厌氧处理池O)的容积之比优选为2-4 1，更优选为3 1，这样，在持续处理时，基本按照2-4 1(优选为3 1)的比例处理，能使处理效率保持协调。优选本发明的装置中，好氧处理池(1)纵截面的高度大于宽度，优选好氧处理池(1)纵截面的高度与宽度之比为2.7 2-2. 6，更优选好氧处理池(1)呈圆柱形，其中高度与底面直径之比为2. 7 2.3-2.5。每次向厌氧处理池( 注入进好氧处理的污水时，由于从上而下的注入，可以使底部的含菌底泥泛起，为了有利于菌株的沉降以及处理，厌氧处理池(2)纵截面的高度应该加高。因此优选本发明的装置中，厌氧处理池( 纵截面的高度大于宽度的2倍，优选厌氧处理池( 纵截面的高度与宽度之比为2. 825 1-1. 4，更优选厌氧处理池( 呈圆柱形，其中高度与底面直径之比为2. 825 1.3-1. 4。尤其是当采用本发明具体实施方式
所用的高度时，配合处理的时间，正好使绝大多数菌体沉降到厌氧处理池出水管0 以下，可以防止菌体的过量消耗。在第二方面，本发明提供了使用本发明第一方面所述的装置进行污水处理的方法，其包括，(1)从菌株投入管(21)投入 Pseudouchrobactrum saccharolyticum 菌株培养物；(2)关闭所有阀门，将污水通入好氧处理池(1)进行好氧处理；和(3)打开管道(12)的阀门(121)，将好氧处理池(1)中处理的水通入厌氧处理池
(2)中进行厌氧处理。优选其中 Pseudouchrobactrum saccharolyticum 菌株培养物是 Pseudochrobactrum saccharolyticum CIP 108976株培养物。该培养物可以通过本发明第一方面描述的培养方法获得。具体而目，其中 Pseudochrobactrum saccharolyticum CIP 108976株培养物是在培养基中于进行厌氧培养而获得的，其中所述培养基包含酵母膏、KH2PO4, K2HPO4, MgSO4, CaCl2, FeS04、葡萄糖、和蛋白胨，且不包含其他碳源和氮源，优选其中培养基的PH值为5. 8-6. 5 ；和/或，培养基的配方为每1000体积培养基中，酵母膏约0. 25重量份、KH2PO4约0. 5重量份、Κ2ΗΡ04约0. 64重量份、MgSO4约0. 1重量份、CaCl2约 0. 075重量份、FeSO4约0. 04重量份、葡萄糖约1. 5重量份、和蛋白胨约1. 5重量份，余量为水。本发明引用了公开文献，这些文献是为了更清楚地描述本发明，它们的全文内容均纳入本文进行参考，就好像它们的全文已经在本文中重复叙述过一样。为了便于理解，以下将通过具体的实施例对本发明进行详细地描述。需要特别指出的是，这些描述仅仅是示例性的描述，并不构成对本发明范围的限制。依据本说明书的论述，本发明的许多变化、改变对所属领域技术人员来说都是显而易见了。
图1显示了 0-21天培养菌株时不同阶段消耗掉的总磷量，其中使用的培养基为 (1)为对照培养基；(2)为单一碳源、氮源培养基；(3)为单一碳源、双氮源培养基；(4)为双碳源、单一氮源培养基；( 为双碳源、双氮源培养基。图2显示了 0-21天培养菌株时不同阶段产生的磷化氢的量，其中使用的培养基为⑴为对照培养基；⑵为单一碳源、氮源培养基；⑶为单一碳源、双氮源培养基；
为双碳源、单一氮源培养基；( 为双碳源、双氮源培养基。图3是本发明的污水处理装置的结构示意图。
具体实施例方式以下本发明将通过具体的实验来说明本发明菌株和培养方法，为了突出本发明的优势，本发明采用周康群等(化工学报，2008，39 (6) :1522-1530)描述的方法进行，以下实施例未尽之处可以参见该文献的详细描述。实施例1不同培养基活化的效果将可购自法国巴斯德研究所菌物保藏中心(CIP，L，Institut Pasteur)的 Pseudochrobactrum saccharolyticum CIP 108976 株分别接种于如下 IOOOml 培养基，以 30°C充氮气厌氧培养(1)对照培养基取Trypto casein soy agar (购自Bio-fcid公司，产品号为 64554) 40g，用蒸馏水定容至IOOOml并调节pH至6. 0，121°C灭菌15分钟后通氮气除氧；(2)单一碳源、氮源培养基取酵母膏 0. 25g,KH2PO4O. 5g,K2HPO4O. 64g,MgSO4O. lg、 CaCl2O. 075g、FeSO4O. 04g、葡萄糖1.5g、和蛋白胨1.5g，用蒸馏水定容至1000ml并调节pH 至6. 0，121°C灭菌15分钟后通氮气除氧；(3)单一碳源、双氮源培养基取酵母膏 0. 25g、KH2PO4O. 5g、K2HPO4O. 64g、 MgSO4O. lg、CaCl2O. 075g、FeSO4O. 04g、葡萄糖 1. 5g、蛋白胨 1. 0g、和氯化铵 0. 5g，用蒸馏水定容至1000ml并调节pH至6. 0，121°C灭菌15分钟后通氮气除氧；(4)双碳源、单一氮源培养基取酵母膏 0. 25g、KH2PO4O. 5g、K2HPO4O. 64g、 MgSO4O. lg、CaCl2O. 075g、FeSO4O. 04g、葡萄糖 1. 0g、乙酸钠 0. 5g、和蛋白胨 1. 5g，用蒸馏水定容至1000ml并调节pH至6. 0，121°C灭菌15分钟后通氮气除氧；(5)双碳源、双氮源培养基取酵母膏 0. 25g,KH2PO4O. 5g,K2HPO4O. 64g,MgSO4O. lg、 CaCl2O. 075g、FeS040. 04g、葡萄糖1. 0g、乙酸钠0. 5g、蛋白胨1. 0g、和氯化铵0. 5g，用蒸馏水定容至1000ml并调节pH至6. 0，121°C灭菌15分钟后通氮气除氧。分别在厌氧培养的第0、7、14、21天取样，分别测定水体中总磷含量和磷化氢产生量。结果如图1和2所示，随着培养时间的延长，除磷的效果和磷化氢产生量的变化关系基本一致，并且基本与时间呈现出正比递增关系。对照培养基活化出的菌株的除磷能力的效率很低；而使用单一碳源、氮源培养基的效果尽管在早期不如使用双碳源、双氮源培养基的效果，但是到了 21天时却超过了双碳源、双氮源培养基的效果，这可能是由于成分多样后培养基原料消耗的不均一而造成的；而使用单一碳源、双氮源培养基的效果和使用双碳源、 单一氮源培养基的效果基本相当，但都低于使用单一碳源、氮源培养基的效果。采用单一碳源、氮源培养基在于30°C培养21天后，除磷率达到23. 8%，与现有技术需要35°C才能达到的效果相当，这可能是由于选用的菌株以及本发明人优化的培养基所造成的。实施例2菌株的环境安全性评价实施例1中单一碳源、氮源培养基培养的Pseudochrobactrum saccharolyticum CIP 108976株培养物(包括菌株和培养基残留)，委托上海市环境监测中心(中国上海) 进行环境安全性评价，没有发现导致危害的环境安全性问题，可以安全地实际投入应用。实施例3污水处理装置及利用其处理污水如图3所示，污水处理装置，包括带有开口的好氧处理池1、通入好氧处理池1内部的进气管13、深入好氧处理池1内部的搅拌器14、密闭的厌氧处理池2和位于厌氧处理池
72底部的带有阀门231的排泥管23，还包括，厌氧处理池2上部有带有阀门211的菌株投入管21，从而能够使厌氧处理菌株进入厌氧处理池2内；厌氧处理池2中部有带有阀门221的厌氧处理池出水管22 ；而且厌氧处理池2位于好氧处理池1下方，厌氧处理池2顶部与好氧处理池1底部之间通过带有阀门121的管道12连接。另外，好氧处理池1下部有带有阀门111的好氧处理池出水管11。根据I^seudochrobactrum saccharolyticum CIP 108976株厌氧处理的效率，设计该污水处理装置的大小、形状等参数。具体而言，好氧处理池1呈圆柱形，其容积为12m3，池内高度为2700mm ；厌氧处理池2呈圆柱形，其容积为4m3，池内高度为观25讓。它们的容积之比为3 1。使用该装置进行污水处理时，关闭所有阀门，将污水注满好氧处理池1，搅拌器14 开动搅拌并通过进气管13注入空气，曝气量为300L/min。6小时后，从菌株投入管21投入 IOL 根据实施例 1 的方法培养的 Pseudouchrobactrum saccharolyticum CIP 108976 株培养物，并打开管道12的阀门121，将好氧处理池1中处理的4m3水通入厌氧处理池2中，静置厌氧处理2小时。同时，继续补充4m3污水注满好氧处理池1。2小时后，从厌氧处理池出水管22放出经过厌氧处理的污水，并从好氧处理池1中补充经过好氧处理的污水入厌氧处理池2中，同时好氧处理池1继续注满污水，如此持续处理，期间每2天从菌株投入管21投入IOL根据实施例1的方法培养的I^seudouchrobactrum saccharolyticum CIP 108976株培养物。经过10天测试，每日取样，从厌氧处理池出水管 22放出的经过厌氧处理的污水平均比直接从好氧处理池出水管11放出的经过耗氧处理的污水的除磷率高5. 3%。另外，也可以将从厌氧处理池出水管22放出的经过厌氧处理的污水直接提升进入好氧处理池1中，进行循环处理。与不经过厌氧处理只经过好氧处理池1曝气的处理进行对比，经过2天处理，除磷效率提高了 40%。维护时，打开排泥管23的阀门231和好氧处理池出水管11的阀门111，排出其中的污泥。
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权利要求
1.污水处理装置，包括带有开口的好氧处理池(1)、通入好氧处理池(1)内部的进气管 (13)、深入好氧处理池(1)内部的搅拌器(14)、密闭的厌氧处理池( 和位于厌氧处理池 (2)底部的带有阀门031)的排泥管(23)，其特征在于，厌氧处理池( 上部有带有阀门011)的菌株投入管(21)，从而能够使厌氧处理菌株 Pseudouchrobactrum saccharolyticum 菌株进入厌氧处理池(2)内；厌氧处理池中部有带有阀门021)的厌氧处理池出水管0 ；而且厌氧处理池( 位于好氧处理池(1)下方，厌氧处理池( 顶部与好氧处理池(1)底部之间通过带有阀门(121)的管道(12)连接。
2.权利要求1所述的装置，好氧处理池(1)下部有带有阀门(111)的好氧处理池出水管(11)。
3.权利要求1或2所述的装置，其适于投入Pseudochrobactrumsaccharolyticum CIP 108976株进行厌氧处理。
4.权利要求3所述的装置，好氧处理池(1)与厌氧处理池的容积之比为2-4 1， 优选为3 1。
5.权利要求3所述的装置，好氧处理池(1)纵截面的高度大于宽度，优选好氧处理池 (1)纵截面的高度与宽度之比为2. 7 2-2. 6，更优选好氧处理池(1)呈圆柱形，其中高度与底面直径之比为2. 7 2.3-2.5。
6.权利要求3所述的装置，厌氧处理池( 纵截面的高度大于宽度的2倍，优选厌氧处理池( 纵截面的高度与宽度之比为2. 825 1-1. 4，更优选厌氧处理池( 呈圆柱形，其中高度与底面直径之比为2.825 1.3-1.4。
7.使用权利要求1-6之任一的装置进行污水处理的方法，其包括，(1)从菌株投入管(21)投入Pseudouchrobactrum saccharolyticum 菌株培养物；(2)关闭所有阀门，将污水通入好氧处理池(1)进行好氧处理；和(3)打开管道(12)的阀门(121)，将好氧处理池(1)中处理的水通入厌氧处理池中进行厌氧处理。
8.权利要求7所述的方法，其中Pseudouchrobactrumsaccharolyticum菌株培养物是 Pseudochrobactrum saccharolyticum CIP 108976 株;t音养物。
9.权利要求8 所述的方法，其中 Pseudochrobactrum saccharolyticum CIP 108976 株培养物是在培养基中于进行厌氧培养而获得的，其中所述培养基包含酵母膏、 KH2PO4, K2HPO4, MgSO4, CaCl2, !^eSCV葡萄糖、和蛋白胨，且不包含其他碳源和氮源。
10.权利要求9所述的方法，其中培养基的pH值为5.8-6. 5;和/或，培养基的配方为 每1000体积培养基中，酵母膏约0. 25重量份、KH2PO4约0. 5重量份、Κ2ΗΡ04约0. 64重量份、 MgSO4约0. 1重量份、CaCl2约0. 075重量份、FeSO4约0. 04重量份、葡萄糖约1. 5重量份、 和蛋白胨约1. 5重量份，余量为水。
全文摘要
本发明涉及双层水处理设备及其应用。本发明提供了污水处理装置，包括好氧处理池(1)、进气管(13)、搅拌器(14)、管道(12)、厌氧处理池(2)、菌株投入管(21)、厌氧处理池出水管(22)和排泥管(23)。另外，本发明还提供了利用该装置进行污水处理的方法等。
文档编号C02F3/30GK102476861SQ20101055375
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月23日 优先权日2010年11月23日
发明者吴西军, 张期建, 张金国, 李智军, 李连国 申请人:生态洁环保科技股份有限公司