专利名称：磁搅气升式内循环反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种磁搅气升式内循环反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集装置及方法。
背景技术：
甲烷作为一种重要的能源，在人类的生产生活中扮演着重要的角色。同时，甲烷又是大气中含量最多的碳氢化合物，其对全球变暖的贡献仅次于CO2,目前对全球气候变暖的 “贡献率”达15%，它引起的温室效应是等摩尔(X)2的20 30倍。据悉，全球每年甲烷产生量的85%及消耗量的60%都是基于微生物的作用。微生物进行的甲烷厌氧氧化(anaerobic oxidation of methane)能够使大部分甲烷气体(90%以上)在进入大气圈之前就被大量地消耗。因此，甲烷厌氧氧化在全球的甲烷排放控制过程中起了不容忽视的作用，它能有效缓解目前日趋严重的温室效应。反硝化型甲烷厌氧氧化(denitrification anaerobic methane oxidation)是甲烷厌氧氧化的一种，其反应方程式如方程式(1)、(2)所示。目前，对于催化该反应进行的反硝化型甲烷厌氧氧化菌的研究非常少。然而，该过程却非常值得关注首先，通过研究该过程有助于更好地理解生物地球氮素循环和生物地球碳素循环以及二者的有机结合；其次， 对该过程的研究有助于进一步挖掘自然界中的微生物资源；再则，以此为基础，可以开发新型生物脱氮除碳工艺。5CH4 + 8NCV + 8H+ — 5C02 + 4N2 + 14H20(1) (Δ G0 = - 765 kJmoF1 CH4)
3CH4 + 8NCV + 8H+ — 3C02 + 4N2 + IOH2O(2)
(Δ G0 = - 928 kJmoF1 CH4)
由于反硝化型甲烷厌氧氧化的发生环境通常限于具有急剧梯度特征的区域，使该反应仅在几毫米的范围内发生，从而导致该过程很难被检测到。而且，反硝化型甲烷厌氧氧化的功能微生物生长极其缓慢，细胞倍增时间长达一个月以上，因而很难获得催化该过程的富集培养物。
发明内容
本发明的目的是克服现有装置富集效率低、能耗高、密封性差、混合传递性能差等不足，提供一种磁搅气升式内循环反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集装置及方法。磁搅气升式内循环反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集装置，其特征在于包括反应器本体、反应容器、反应器盖板、恒温磁力搅拌器、搅拌磁子、进水泵、进水管、出水生物量截留环、出水管、出水泵、循环气出气管、循环泵、进气管、进气泵、循环气进气管、曝气管、导流筒、排气管、温度探头；反应器本体下端设有恒温磁力搅拌器，反应器本体底部设有搅拌磁子、曝气管，反应器本体内设有出水生物量截留环、导流筒，其中导流筒将反应器本体分为升气区和降液区，升气区位于反应容器与导流筒之间，降液区位于导流筒内，反应器本体上端设有反应器盖板，在反应器盖板上设有循环气进气管、循环气出气管、排气管、进水管、温度探头，出水管一端与出水泵相连，出水管另一端与出水生物量截留环相连，进水管一端与进水泵相连，进水管另一端通至反应器本体的底部，循环气进气管上端的外侧经进气管与进气泵相连，上端的内侧经循环泵与循环气出气管相连，下端与曝气管相连，搅拌磁子和温度探头由恒温磁力搅拌器控制。所述的反应器本体为圆柱体，其高径比为1. 5 2:1。所述的降液区与升气区的体积比为0. 5 1:1。所述的反应容器下端中间为圆柱形凹陷，恒温磁力搅拌器的搅拌盘为圆柱形，圆柱形凹陷的深度与恒温磁力搅拌器搅拌盘的高度相等，圆柱形凹陷的直径与恒温磁力搅拌器搅拌盘的直径相等。所述的出水生物量截留环为圆环形，导流筒为圆筒形，曝气管为圆环形，导流筒高度与反应器本体高度比为0. 6 0. 7:1，曝气管高度与反应容器下端中间圆柱形凹陷的深度相等。所述的进水管位于反应容器的轴线上，其出水口与搅拌磁子之间的距离为1 1. 5 cm。磁搅气升式内循环反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集方法是反应器本体内培养基中逸出的气体一部分经排气管排至反应器本体外，另一部分经循环气出气管、循环泵，在循环气进气管中与经进气泵、进气管进入循环气进气管的甲烷气体混合，混合气通过曝气管以微小气泡的形式进入反应器本体内的培养基中；新鲜培养基经进水泵、进水管至反应器本体的底部，在搅拌磁子的搅拌作用下与反应器本体内原有的培养基混合，再在搅拌磁子的离心力和气升区与降液区压力差的共同作用下进入反应容器与导流筒环隙的气升区，并自下而上流动，其中一部分绕过导流筒的上端返回到降液区，另一部分通过出水生物量截留环、出水管和出水泵排至反应器本体外；当反应器本体内的生物量达到1. 5 2gVSS/L后， 关闭恒温磁力搅拌器、循环泵、进气泵、进水泵和出水泵，静置他时后，通过进水管、进水泵取出40 50%的富集培养物，取完后，开启恒温磁力搅拌器、循环泵、进气泵、进水泵和出水泵，重新开始新一轮富集培养；其中出水泵控制的出水流量与进水泵控制的进水流量相等， 进气泵控制的进气流量与进水泵控制的进水流量的比值为0. 2 0. 3: 1，进气泵控制的进气流量与循环泵控制的循环气流量的比值为0. 02 0. 03: 1，搅拌磁子的搅拌速率控制为 50 IOOrpm0发明具有的有益效果1)将气升式反应器与磁力搅拌反应器结合，不仅可以扩大传质面积，强化传递性能，增加循环速度及扰动，提高甲烷传质效率和热传递性能，大幅提高反硝化型甲烷厌氧氧化菌的富集效率，而且具有结构简单、易密封、造价低、能耗低等优点；2)新鲜培养液首先进至反应器底部、搅拌磁子的上方，在搅拌磁子的搅拌作用下与反应器本体内的培养液混合，从而降低新鲜培养液中亚硝酸盐对反硝化型甲烷厌氧氧化菌的抑制作用，同时提高反应器抗水力负荷和基质负荷冲击的能力；3)使用出水生物量截留环可减小反应器内生物量的流失，实现反硝化型甲烷厌氧氧化菌的快速富集，出水生物量截留环截留面积较大，可有效缓解出水生物量截留环表面污泥堵塞问题；4)甲烷气体的循环利用，不仅提高了反应器的气含率，而且可以大幅提高甲烷气体的利用率，减少反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集过程中甲烷废气的排放。
图1是一种磁搅气升式内循环反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集装置结构示意图；图2是导流筒和出水生物量截留环的俯视图。图中反应器本体1、反应容器2、反应器盖板3、恒温磁力搅拌器4、搅拌磁子5、进水泵6、进水管7、出水生物量截留环8、出水管9、出水泵10、循环气出气管11、循环泵12、进气管13、进气泵14、循环气进气管15、曝气管16、导流筒17、排气管18、温度探头19。
具体实施例方式如图1、2所示，磁搅气升式内循环反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集装置，其特征在于包括反应器本体1、反应容器2、反应器盖板3、恒温磁力搅拌器4、搅拌磁子5、进水泵6、 进水管7、出水生物量截留环8、出水管9、出水泵10、循环气出气管11、循环泵12、进气管 13、进气泵14、循环气进气管15、曝气管16、导流筒17、排气管18、温度探头19 ；反应器本体 1下端设有恒温磁力搅拌器4，反应器本体1底部设有搅拌磁子5、曝气管16，反应器本体1 内设有出水生物量截留环8、导流筒17，其中导流筒17将反应器本体1分为升气区和降液区，升气区位于反应容器2与导流筒17之间，降液区位于导流筒17内，反应器本体1上端设有反应器盖板3，在反应器盖板3上设有循环气进气管15、循环气出气管11、排气管18、 进水管7、温度探头19，出水管9 一端与出水泵10相连，出水管9另一端与出水生物量截留环8相连，进水管7 —端与进水泵6相连，进水管7另一端通至反应器本体1的底部，循环气进气管15上端的外侧经进气管4与进气泵13相连，上端的内侧经循环泵12与循环气出气管11相连，下端与曝气管16相连，搅拌磁子5和温度探头19由恒温磁力搅拌器4控制。所述的反应器本体1为圆柱体，其高径比为1.5 2:1。所述的降液区与升气区的体积比为0. 5 1:1。所述的反应容器2下端中间为圆柱形凹陷，恒温磁力搅拌器4的搅拌盘为圆柱形，圆柱形凹陷的深度与恒温磁力搅拌器4搅拌盘的高度相等，圆柱形凹陷的直径与恒温磁力搅拌器4搅拌盘的直径相等。所述的出水生物量截留环8为圆环形，导流筒 17为圆筒形，曝气管16为圆环形，导流筒17高度与反应器本体1高度比为0. 6 0. 7:1， 曝气管16高度与反应容器2下端中间圆柱形凹陷的深度相等。所述的进水管7位于反应容器2的轴线上，其出水口与搅拌磁子5之间的距离为1 1.5 cm。磁搅气升式内循环反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集方法是反应器本体1内培养基中逸出的气体一部分经排气管18排至反应器本体1外，另一部分经循环气出气管11、循环泵12，在循环气进气管15中与经进气泵13、进气管14进入循环气进气管15的甲烷气体混合，混合气通过曝气管16以微小气泡的形式进入反应器本体1内的培养基中；新鲜培养基经进水泵6、进水管7至反应器本体1的底部，在搅拌磁子5的搅拌作用下与反应器本体1 内原有的培养基混合，再在搅拌磁子5的离心力和气升区与降液区压力差的共同作用下进入反应容器2与导流筒17环隙的气升区，并自下而上流动，其中一部分绕过导流筒17的上端返回到降液区，另一部分通过出水生物量截留环8、出水管9和出水泵10排至反应器本体1外；当反应器本体1内的生物量达到1. 5 2gVSS/L后，关闭恒温磁力搅拌器4、循环泵12、进气泵13、进水泵6和出水泵10，静置Mi时后，通过进水管7、进水泵6取出40 50%的富集培养物，取完后，开启恒温磁力搅拌器4、循环泵12、进气泵13、进水泵6和出水泵10，重新开始新一轮富集培养；其中出水泵10控制的出水流量与进水泵6控制的进水流量相等，进气泵13控制的进气流量与进水泵6控制的进水流量的比值为0. 2 0. 3: 1，进气泵13控制的进气流量与循环泵12控制的循环气流量的比值为0. 02 0. 03: 1，搅拌磁子5的搅拌速率控制为50 lOOrpm。
权利要求
1.一种磁搅气升式内循环反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集装置，其特征在于包括反应器本体(1)、反应容器(2)、反应器盖板(3)、恒温磁力搅拌器(4)、搅拌磁子(5)、进水泵 (6)、进水管(7)、出水生物量截留环(8)、出水管(9)、出水泵(10)、循环气出气管(11)、循环泵(12)、进气管(13)、进气泵(14)、循环气进气管(15)、曝气管(16)、导流筒(17)、排气管 (18)、温度探头(19);反应器本体(1)下端设有恒温磁力搅拌器(4)，反应器本体(1)底部设有搅拌磁子(5)、曝气管(16)，反应器本体(1)内设有出水生物量截留环(8)、导流筒(17)， 其中导流筒(17)将反应器本体(1)分为升气区和降液区，升气区位于反应容器(2)与导流筒(17)之间，降液区位于导流筒(17)内，反应器本体(1)上端设有反应器盖板(3)，在反应器盖板(3)上设有循环气进气管(15)、循环气出气管(11)、排气管(18)、进水管(7)、温度探头(19)，出水管(9) 一端与出水泵(10)相连，出水管(9)另一端与出水生物量截留环(8)相连，进水管(7 ) —端与进水泵(6 )相连，进水管(7 )另一端通至反应器本体(1)的底部，循环气进气管(15)上端的外侧经进气管(4)与进气泵(13)相连，上端的内侧经循环泵(12)与循环气出气管(11)相连，下端与曝气管(16)相连，搅拌磁子(5)和温度探头(19)由恒温磁力搅拌器(4)控制。
2.根据权利要求1所述的一种磁搅气升式内循环反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集装置， 其特征在于所述的反应器本体(1)为圆柱体，其高径比为1. 5 2:1。
3.根据权利要求1所述的一种磁搅气升式内循环反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集装置， 其特征在于所述的降液区与升气区的体积比为0. 5 1:1。
4.根据权利要求1所述的一种磁搅气升式内循环反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集装置， 其特征在于所述的反应容器(2)下端中间为圆柱形凹陷，恒温磁力搅拌器(4)的搅拌盘为圆柱形，圆柱形凹陷的深度与恒温磁力搅拌器(4)搅拌盘的高度相等，圆柱形凹陷的直径与恒温磁力搅拌器(4)搅拌盘的直径相等。
5.根据权利要求1所述的一种磁搅气升式内循环反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集装置， 其特征在于所述的出水生物量截留环(8)为圆环形，导流筒(17)为圆筒形，曝气管(16)为圆环形，导流筒(17)高度与反应器本体(1)高度比为0. 6 0. 7:1，曝气管(16)高度与反应容器(2)下端中间圆柱形凹陷的深度相等。
6.根据权利要求1所述的一种磁搅气升式内循环反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集装置， 其特征在于所述的进水管(7)位于反应容器(2)的轴线上，其出水口与搅拌磁子(5)之间的距离为1 1. 5 cm,,
7.一种使用如权利要求1所述装置的磁搅气升式内循环反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集方法，其特征在于反应器本体(1)内培养基中逸出的气体一部分经排气管(18)排至反应器本体(1)外，另一部分经循环气出气管(11)、循环泵(12)，在循环气进气管(15)中与经进气泵(13)、进气管(14)进入循环气进气管(15)的甲烷气体混合，混合气通过曝气管 (16)以微小气泡的形式进入反应器本体(1)内的培养基中；新鲜培养基经进水泵(6)、进水管(7)至反应器本体(1)的底部，在搅拌磁子(5)的搅拌作用下与反应器本体(1)内原有的培养基混合，再在搅拌磁子(5)的离心力和气升区与降液区压力差的共同作用下进入反应容器(2)与导流筒(17)环隙的气升区，并自下而上流动，其中一部分绕过导流筒(17)的上端返回到降液区，另一部分通过出水生物量截留环(8)、出水管(9)和出水泵(10)排至反应器本体(1)外；当反应器本体(1)内的生物量达到1.5 2gVSS/L后，关闭恒温磁力搅拌器CN 102533529 A(4)、循环泵(12)、进气泵(13)、进水泵(6)和出水泵(10)，静置6h时后，通过进水管(7)、进水泵(6 )取出40 50%的富集培养物，取完后，开启恒温磁力搅拌器(4 )、循环泵(12 )、进气泵(13)、进水泵(6)和出水泵(10)，重新开始新一轮富集培养；其中出水泵(10)控制的出水流量与进水泵(6 )控制的进水流量相等，进气泵(13 )控制的进气流量与进水泵(6 )控制的进水流量的比值为0. 2 0. 3: 1，进气泵(13)控制的进气流量与循环泵(12)控制的循环气流量的比值为0. 02 0. 03: 1，搅拌磁子(5)的搅拌速率控制为50 lOOrpm。
全文摘要
本发明公开了一种磁搅气升式内循环反硝化型甲烷厌氧氧化菌富集装置及方法。它包括反应器本体、反应容器、反应器盖板、导流筒、出水生物量截留环和曝气管，其中导流筒将反应器本体分为升气区和降液区，升气区位于反应容器与导流筒之间，升气区上部设有出水生物量截留环，底部设有曝气管，降液区位于导流筒内，降液区上部设有温度探头，底部设有搅拌磁子，搅拌磁子和温度探头由恒温磁力搅拌器控制。本发明将气升式反应器和磁力搅拌反应器巧妙结合，可以扩大传质面积，强化传递性能，提高富集效率，并且实现甲烷气体的循环利用，提高甲烷的利用率，减少废气的排放量。
文档编号C12M1/00GK102533529SQ20121001484
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月18日 优先权日2012年1月18日
发明者何崭飞, 楼莉萍, 沈李东, 胡宝兰, 郑平 申请人:浙江大学