一套工业化厌氧氨氧化菌种的贮存容器及活性恢复装置的制作方法

本实用新型属于废水生物处理设备领域，涉及一种工业化厌氧氨氧化菌的贮存及活性恢复的设备。

背景技术：

厌氧氨氧化菌倍增时间长，增加缓慢，纯培养难以进行，因而应用于实际废水处理较困难。有研究表明，增大前期接种污泥量或增加后期菌种的添加频率可克服厌氧氨氧化工艺的应用困难。富集培养并有效保存厌氧氨氧化菌种是解决其应用匮乏的有效措施。

常见的菌种保存方法有液体石蜡法、液氮法、冷藏法、冷冻法及凝胶包埋法等。这些技术虽然能在某种程度上有效保留细菌活性，但能否直接应用于厌氧氨氧化菌的保存过程需要积累相当的实验数据给予支持。而且由于厌氧氨氧化菌对温度变化比较敏感，选择合适的保存温度至关重要，而低温保存菌种避免了常温及较高温度下细菌自身的变化而应用较广。但简单、快速有效的厌氧氨氧化菌保存手段迄今为止未能得到实用化应用。

目前所采用的厌氧氨氧化菌种的贮存装置一般为实验室小试规模的容积，多采用玻璃、有机玻璃的容器，以便于控制保藏过程中的温度、避光、厌氧等条件要求；同时在贮存装置中一次性添加或间断性的添加厌氧氨氧化菌种所需的生长基质，也是各研究中通常采用的手段。在保藏后的菌种的活性恢复过程中，通常是将菌种直接投入厌氧氨氧化菌的富集培养装置中，所采用的反应器包括UASB、ASBR、厌氧流化床等，这些反应器一般是对厌氧氨化菌直接富集培养过程中所采用的通用反应器，并未对贮存之后的菌种的活性快速恢复过程进行单独设计。因此开发一套快速、高效、可行的厌氧氨氧化菌的贮存装置以及有针对性的菌种活性恢复装置对于厌氧氨氧化的大规模工业化应用有着现实的推动作用。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型提供了一套工业化的厌氧氨氧化菌的贮存和活性恢复的设备。它能够较为简便的实现在常规环境因素和技术条件下对状态适宜的厌氧氨氧化菌进行有效贮存，并进行较为迅速、可靠的菌种活性恢复。整个操作过程所需的控制性因素较少，控制条件较为简单且均为易于实现的常规工业化条件，贮存及活性恢复效果稳定可靠。

本实用新型的一套工业化厌氧氨氧化菌种的贮存容器及活性恢复装置包括厌氧氨氧化菌的贮存容器和厌氧氨氧化菌种的活性恢复装置，其结构如下：

厌氧氨氧化菌种贮存容器1为圆柱型不锈钢罐，菌种贮存容器1的顶部设置有法兰加料口2、底部设置有法兰卸料口4；菌种贮存容器1的罐体设置有板框视镜3，可以观察罐内液位及泥位；菌种贮存容器1内底部设置有环型的微孔曝气管5，通过进气管道6与高纯氩气气源9相连接，进气管道6上设置进气球阀7及气体升温装置8；菌种贮存容器1的中部设置有排水管12，其上设置排水球阀13，在排水管12上设置了真空抽气系统，包括负压缓冲罐14、真空表16、真空泵18以及排水阀门15和排气阀门17，由真空泵18抽负压缓冲罐14中的空气，产生负压，以便于在排水管12中形成虹吸排水；菌种贮存容器1的顶部设置了压力表19，温度计20，表征容器内的工作状态；菌种贮存容器1的顶部还设置了安全阀10和排气阀11，保证菌种贮存容器1内的压力在设定的范围之内。

本实用新型的厌氧氨氧化菌种活性恢复装置21为圆柱型不锈钢密封罐，罐体外为加温及保温层23，其中设置电加热伴热带；菌种活性恢复罐21外壁的中部设置板框观察镜33，长度为罐体21高度的1/5～1/4，宽度6～10cm；罐体外壁设置液位计25，其上有标准长度刻度，并通过液位计阀门24与罐体内的液体相连通，用于指示罐内液位高度；罐体内部中心设置机械搅拌桨22，并由罐体顶部的变频搅拌电机30驱动，并可通过变频调节搅拌机的转速。菌种活性恢复装置21的顶部设置投料口29、进水口31以及排气口32；在罐体中上部设置排水口27，采用虹吸的方式排除罐内中上部的清液；罐下部设置氩气进气口34对罐内混合液进行充气除氧，同时还设置了卸料口35以及检修口28，便于排出活性恢复后的菌种。

本实用新型所采用的工业化厌氧氨氧化菌的贮存及活性恢复装置，适合于中等规模以上的菌种贮存和再利用场合。菌种的贮存以及活性恢复再次利用过程，采用批次式的方法进行，每批次贮存的菌种最少为1m³，折合成菌种干质量为20kgVSS，贮存后经过活性恢复，保保证再次利用的菌种干质量为16kgVSS以上。

采用本实用新型的一套厌氧氨氧化菌种的贮存容器及活性恢复装置，可根据拟贮存的期限的不同，有针对性的选择适宜进行贮存厌氧氨氧化菌种，并通过控制贮存过程中的温度、基质浓度及压力等环境条件，从而实现菌种的高活性贮存。通过不同期限的贮存方法，可以实现厌氧氨氧化菌的长距离运输、厌氧氨氧化反应器间断运行后的再启动等过程对于短期高活性贮存的需求，也可实现厌氧氨氧化反应器初次启动的较长时间(约3～4个月)下对于中长期菌种贮存的需求。本实用新型在工业化应用中的操作较为简便，费用低廉，具有很高的应用价值。

附图说明

图1表示厌氧氨氧化菌种贮存容器的示意图

图2表示厌氧氨氧化菌种活性恢复装置示意图

具体实施方式

本实施例中的厌氧氨氧化菌种贮存容器如图1所示。菌种贮存容器1为圆柱型不锈钢罐，有效容积1000L。菌种贮存容器1的顶部设置有法兰加料口2、底部设置有法兰卸料口4。菌种贮存容器1的罐体设置有板框视镜3，可以观察罐内液位及泥位。菌种贮存容器1内底部设置有环型的微孔曝气管5，通过进气管道6与高纯氩气气源9相连接，进气管道6上设置进气球阀7及气体升温装置8。菌种贮存容器1的中部设置有排水管12，其上设置排水球阀13。在排水管12上设置了真空抽气系统，包括负压缓冲罐14、真空表16、真空泵18以及排水阀门15和排气阀门17。由真空泵18抽负压缓冲罐14中的空气，产生负压，以便于在排水管12中形成虹吸排水。菌种贮存容器1的顶部设置了压力表19，温度计20，表征容器内的工作状态。菌种贮存容器1的顶部还设置了安全阀10和排气阀11，保证菌种贮存容器1内的压力在设定的范围之内。

本实施例中的厌氧氨氧化菌种活性恢复装置如图2所示，厌氧氨氧化菌种活性恢复装置21为圆柱型不锈钢密封罐，有效容积2000L。罐体外为加温及保温层23，其中设置电加热伴热带；菌种活性恢复罐21外壁的中部设置板框观察镜33，长度为罐体21高度的1/5～1/4，宽度6～10cm；罐体外壁设置液位计25，其上有标准长度刻度，并通过液位计阀门24与罐体内的液体相连通，用于指示罐内液位高度；罐体内部中心设置机械搅拌桨22，并由罐体顶部的变频搅拌电机30驱动，并可通过变频调节搅拌机的转速。菌种活性恢复装置21的顶部设置投料口29、进水口31以及排气口32；在罐体中上部设置排水口27，采用虹吸的方式排除罐内中上部的清液；罐下部设置氩气进气口34对罐内混合液进行充气除氧，同时还设置了卸料口35以及检修口28，便于排出活性恢复后的菌种。厌氧氨氧化菌种活性恢复装置21按序批式反应器方式运行。

采用本实施例的具体贮存和活性恢复步骤如下：

(1)将需要贮存的厌氧氨氧化菌自运行良好的厌氧氨氧化流化床反应器中取出。将自反应器上、中、下三部分分别取出的厌氧氨氧化污泥，分别置于中转容器中自然沉淀30分钟，采用虹吸法排出容器中的上清液。再将这三种厌氧氨氧化污泥按照2∶5∶3的容积比例分别加入到厌氧氨氧化菌种贮存容器1中。

(2)配置不含基质的无氧水，其组成包括营养盐溶液、无机盐溶液和自来水；每升不含基质的配水中需加入营养盐溶液5mL和无机盐溶液5ml；营养盐溶液组成为：NaH₂PO₄3～5g/L、CaCl₂ 25～30g/L；无机盐溶液组成：FeSO₄.7H₂O 1～2g/L、NH₄Mo₇O₂₄·4H₂O 0.03～0.05g/L、CuSO₄·5H₂O 0.04～0.06g/L、ZnSO₄·6H₂O 0.05～0.10g/L、MnSO₄ 0.15～0.25g/L、CoCl₂·6H₂O 0.04～0.06g/L、EDTA 3～5g/L；按上述要求配置好的不含基质的配水，采用微孔曝气管充入高纯的氩气10～30分钟，测定水中溶解氧浓度小于0.2mg/L后停止充氩气，即得到不含基质的无氧水。

(3)将步骤(1)中得到厌氧氨氧化菌种，用步骤(2)中的不含基质的无氧水在菌种贮存容器1中淘洗，之后进行30分钟自然沉淀，采用虹吸法自排水管12中排出菌种贮存容器1中的上清液。具体排水方法为：先关闭排水球阀13和排水阀门15，打开排气阀门17，开启真空泵18，当真空表16的负压值达到20～30KPa时，关闭真空泵18和排气阀门17，之后再依次开启排水球阀13和排水阀门15，使排水管道开始排除菌种贮存容器1内上清液，并通过调节排水阀门15来控制排水的速度。

当菌种贮存容器1内的上清液排除后，自加料口2再加入不含基质的无氧水进行淘洗。此淘洗过程共进行3次，以去除厌氧氨氧化菌种自身所带的基质及其他物质。

(4)在菌种贮存容器1中加入步骤(2)的不含基质的无氧水到菌种贮存容器1容积的80％，根据拟贮存的期限选择加入菌种贮存容器1中的基质的量，当贮存期限在1～30天时，加入的碳酸氢铵浓液和亚硝酸钠浓液的量应使菌种贮存容器1内的基质浓度分别达到氨氮5mmol/L，亚硝酸盐氮5mmol/L。开启进气管道6的进气球阀7，使高纯氩气经微孔曝气管5均匀的充入到菌种贮存容器1中的混合液中，充气10分钟，保证菌种贮存容器内溶解氧浓度低于0.2mg/L。之后，在充入高纯氩气的同时向菌种贮存容器1中添加不含基质的无氧水至菌种贮存容器总容积的90％，之后盖上进料口2的法兰密封盖。

(5)开启进气球阀7，向步骤(4)中密封好的贮存容器1中充入高纯氩气，控制瓶内压力升高速度在0.01MPa～0.02MP/min，最终菌种贮存容器1内压力达到0.2～0.25MPa。关闭进气球阀7，并检查菌种贮存容器1的密封情况。

(6)根据拟贮存的期限选择贮存温度。在进行1～30天的短期厌氧氨氧化菌贮存时，采用的温度条件为20±4℃的室温环境。

(7)贮存后的厌氧氨氧化菌种的活性恢复：将菌种贮存容器1内的压力缓慢减压至常压，控制减压速度0.005MPa～0.01MPa/min。减压后的菌种贮存容器1通入高纯氩气进行搅拌升温，开启升温装置8为高纯氩气提供热量。升温速率为1～2℃/h，最终将温度控制在30℃左右，静置4～6h。升温后的菌种采用不含基质的无氧水进行淘洗，氩气搅拌10min，静置1～2h后，采用虹吸法排除上清液。淘洗共进行2次，以去除菌种表面的残留基质、代谢产物及死亡解体的菌体。自菌种贮存容器1底部的卸料口处可取出待活性恢复的厌氧氨氧化菌种。

(8)将待活性恢复的厌氧氨氧化菌种投入到如图2所示的厌氧氨氧化菌种活性恢复装置21中进行活性的快速恢复。菌种自投料孔29加入厌氧氨氧化菌种活性恢复装置21内，人工配制的模拟废水自进水口31加入，液位控制在罐体有效高度的80％的位置。厌氧氨氧化菌种活性恢复装置21按序批式方式运行，以最大限度的增加菌种在厌氧氨氧化菌种活性恢复装置21内的持久性。运行过程中关闭投料口29，进水口31，开启排气口32，自氩气进口34通入高纯氩气20～30分钟，以保证反应器内的厌氧状态，同时开启机械搅拌桨22。反应达到设定的时间后，停止机械搅拌桨22保持静沉1h，自排水口27排出上清液，完成一个反应周期。随后可以进行下一个周期的运行。

活性恢复过程中的厌氧氨氧化菌种活性恢复装置主要控制条件为：温度32～35℃，pH＝7.0～8.5，溶解氧小于0.2mg/L。反应器进水基质浓度为氨氮5mmol/L，亚硝酸盐氮5mmol/L，采用人工配制的模拟废水(其中的营养成分及微量元素见菌种贮存小节中的步骤2)。首先控制反应器的水力停留时间为24h，出水回流比为50％～100％，逐渐提高厌氧氨氧化菌种活性恢复装置的进水基质浓度，以3天为一个阶段，按照每阶段提高氨氮2mmol/L和亚硝酸盐氮2mmol/L的速度进行。当基质浓度达到氨氮15mmol/L和亚硝酸盐氮15mmol/L时，停止提高基质浓度。随后逐渐缩短水力停留时间，逐渐增加反应器的运行负荷。水力停留时间按照24h、18h、12h、8h、4h的阶梯进行缩短，每阶梯维持运行3天。

厌氧氨氧化菌种活性恢复装置的进水总氮容积负荷达到2.0～2.5kgTN/m³d，总氮去除率达到80％，总氮去除效率达到1.5～2.0kgTN/m³d时，贮存后的厌氧氨氧化菌种的活性恢复工作完成，可以进行实际工业废水的处理运行。

本实施例中对4份厌氧氨氧化菌种贮存前后的厌氧氨氧化比活性进行分别测定，得到每份样品的厌氧氨氧化活性保留率。在20±4℃的室温环境下贮存30天的菌种的活性保留率为81.82％，投入到厌氧氨氧化反应器中可以迅速的活性恢复。

实施例2：

本实施例中的厌氧氨氧化菌种贮存容器如图1所示。菌种贮存容器1为圆柱型耐压玻璃钢罐，有效容积1000L。菌种贮存容器1的顶部设置有法兰加料口2、底部设置有法兰卸料口4。菌种贮存容器1的罐体设置有板框视镜3，可以观察罐内液位及泥位。菌种贮存容器1内底部设置有环型的微孔曝气管5，通过进气管道6与高纯氩气气源9相连接，进气管道6上设置进气球阀7及气体升温装置8。菌种贮存容器1的中部设置有排水管12，其上设置排水球阀13。在排水管12上设置了真空抽气系统，包括负压缓冲罐14、真空表16、真空泵18以及排水阀门15和排气阀门17。由真空泵18抽负压缓冲罐14中的空气，产生负压，以便于在排水管12中形成虹吸排水。菌种贮存容器1的顶部设置了压力表19，温度计20，表征容器内的工作状态。菌种贮存容器1的顶部还设置了安全阀10和排气阀11，保证菌种贮存容器1内的压力在设定的范围之内。

本实施例中的厌氧氨氧化菌种活性恢复装置如图2所示，厌氧氨氧化菌种活性恢复装置21为圆柱型不锈钢密封罐，有效容积2000L。罐体外为加温及保温层23，其中设置电加热伴热带；菌种活性恢复罐21外壁的中部设置板框观察镜33，长度为罐体21高度的1/5～1/4，宽度6～10cm；罐体外壁设置液位计25，其上有标准长度刻度，并通过液位计阀门24与罐体内的液体相连通，用于指示罐内液位高度；罐体内部中心设置机械搅拌桨22，并由罐体顶部的变频搅拌电机30驱动，并可通过变频调节搅拌机的转速。菌种活性恢复装置21的顶部设置投料口29、进水口31以及排气口32；在罐体中上部设置排水口27，采用虹吸的方式排除罐内中上部的清液；罐下部设置氩气进气口34对罐内混合液进行充气除氧，同时还设置了卸料口35以及检修口28，便于排出活性恢复后的菌种。

本实施例的具体步骤如下：

(1)将需要贮存的厌氧氨氧化菌自运行良好的厌氧氨氧化流化床反应器中取出。将自反应器上、中、下三部分分别取出的厌氧氨氧化污泥，分别置于中转容器中自然沉淀30分钟，采用虹吸法排出容器中的上清液。再将这三种厌氧氨氧化污泥按照2∶5∶3的容积比例分别加入到厌氧氨氧化菌种贮存容器1中。

(2)配置不含基质的无氧水，其组成包括营养盐溶液、无机盐溶液和自来水；每升不含基质的配水中需加入营养盐溶液5mL和无机盐溶液5ml；营养盐溶液组成为：NaH₂PO₄3～5g/L、CaCl₂ 25～30g/L；无机盐溶液组成：FeSO₄.7H₂O 1～2g/L、NH₄Mo₇O₂₄·4H₂O 0.03～0.05g/L、CuSO₄·5H₂O 0.04～0.06g/L、ZnSO₄·6H₂O 0.05～0.10g/L、MnSO₄0.15～0.25g/L、CoCl₂·6H₂O 0.04～0.06g/L、EDTA 3～5g/L；按上述要求配置好的不含基质的配水，采用微孔曝气管充入高纯的氩气10～30分钟，测定水中溶解氧浓度小于0.2mg/L后停止充氩气，即得到不含基质的无氧水。

(3)将步骤(1)中得到厌氧氨氧化菌种，用步骤(2)中的不含基质的无氧水在菌种贮存容器1中淘洗，之后进行30分钟自然沉淀，采用虹吸法自排水管12中排出菌种贮存容器1中的上清液。具体排水方法为：先关闭排水球阀13和排水阀门15，打开排气阀门17，开启真空泵18，当真空表16的负压值达到20～30KPa时，关闭真空泵18和排气阀门17，之后再依次开启排水球阀13和排水阀门15，使排水管道开始排除菌种贮存容器1内上清液，并通过调节排水阀门15来控制排水的速度。

当菌种贮存容器1内的上清液排除后，自加料口2再加入不含基质的无氧水进行淘洗。此淘洗过程共进行3次，以去除厌氧氨氧化菌种自身所带的基质及其他物质。

(4)在菌种贮存容器1中加入步骤(2)的不含基质的无氧水到菌种贮存容器1总容积的80％，根据拟贮存的期限选择加入菌种贮存容器1中的基质的量。贮存期限在31～120天时，加入的碳酸氢铵浓液和亚硝酸钠浓液的量应使容器1内的基质浓度分别达到氨氮10mmol/L，亚硝酸盐氮10mmol/L。开启进气管道6的进气球阀7，使高纯氩气经微孔曝气管5均匀的充入到菌种贮存容器1中的混合液中，充气10分钟，保证菌种贮存容器内溶解氧浓度低于0.2mg/L。之后，在充入高纯氩气的同时向菌种贮存容器1中添加不含基质的无氧水至菌种贮存容器总容积的90％，之后盖上进料口2的法兰密封盖。

(5)开启进气球阀7，向步骤(4)中密封好的贮存容器1中充入高纯氩气，控制瓶内压力升高速度在0.01MPa～0.02MP/min，最终菌种贮存容器1内压力达到0.2～0.25MPa。关闭进气球阀7，并检查菌种贮存容器1的密封情况。

(6)根据拟贮存的期限选择贮存温度，在进行31～120天的长期厌氧氨氧化菌贮存时，采用恒温室或冰箱，保持温度条件为4±1℃。

(7)贮存后的厌氧氨氧化菌种的活性恢复：将菌种贮存容器1内的压力缓慢减压至常压，控制减压速度0.005MPa～0.01MPa/min。减压后的菌种贮存容器1通入高纯氩气进行搅拌升温，开启升温装置8为高纯氩气提供热量。升温过程采用阶梯升温方法，升温速率为1～2℃/h，首先升温至20℃，停止升温及搅拌并维持20℃条件静置4～6h；最终将温度控制在30℃左右，静置4～6h。升温后的菌种采用不含基质的无氧水进行淘洗，氩气搅拌10min，静置1～2h后，采用虹吸法排除上清液。淘洗共进行2次，以去除菌种表面的残留基质、代谢产物及死亡解体的菌体。自菌种贮存容器1底部的卸料口处可取出待活性恢复的厌氧氨氧化菌种。

(8)将待活性恢复的厌氧氨氧化菌种投入到如图2所示的厌氧氨氧化菌种活性恢复装置21中进行活性的快速恢复。菌种自投料孔29加入厌氧氨氧化菌种活性恢复装置21内，人工配制的模拟废水自进水口31加入，液位控制在罐体有效高度的80％的位置。厌氧氨氧化菌种活性恢复装置21按序批式方式运行，以最大限度的增加菌种在厌氧氨氧化菌种活性恢复装置21内的持久性。运行过程中关闭投料口29，进水口31，开启排气口32，自氩气进口34通入高纯氩气20～30分钟，以保证反应器内的厌氧状态，同时开启机械搅拌桨22。反应达到设定的时间后，停止机械搅拌桨22保持静沉1h，自排水口27排出上清液，完成一个反应周期。随后可以进行下一个周期的运行。

活性恢复过程中的厌氧氨氧化菌种活性恢复装置主要控制条件为：温度32～35℃，pH＝7.0～8.5，溶解氧小于0.2mg/L。反应器进水基质浓度为氨氮5mmol/L，亚硝酸盐氮5mmol/L，采用人工配制的模拟废水(其中的营养成分及微量元素见菌种贮存小节中的步骤2)。首先控制反应器的水力停留时间为24h，出水回流比为50％～100％，逐渐提高厌氧氨氧化菌种活性恢复装置的进水基质浓度，以5天为一个阶段，按照每阶段提高氨氮2mmol/L和亚硝酸盐氮2mmol/L的速度进行。当基质浓度达到氨氮15mmol/L和亚硝酸盐氮15mmol/L时，停止提高基质浓度。随后逐渐缩短水力停留时间，逐渐增加反应器的运行负荷。水力停留时间按照24h、18h、12h、8h、4h的阶梯进行缩短，每阶梯维持运行5天。

厌氧氨氧化菌种活性恢复装置的进水总氮容积负荷达到2.0～2.5kgTN/m³d，总氮去除率达到80％，总氮去除效率达到1.5～2.0kgTN/m³d时，贮存后的厌氧氨氧化菌种的活性恢复工作完成，该状态的厌氧氨氧化菌种可以直接接种到含氨工业废水的处理装置中，脱氮效果良好。

本实施例中对4份厌氧氨氧化菌种贮存前后的厌氧氨氧化比活性进行分别测定，得到每份样品的厌氧氨氧化活性保留率。在4±1℃环境中贮存31～120天的菌种的活性保留率为57.10～63.05％。投入到厌氧氨氧化活性恢复装置中的活性恢复时间约需20天。