专利名称：水质净化微生物生态系统及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及水质净化微生物生态系统及其应用。
背景技术：
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水族箱用来饲养热带鱼或者金鱼的玻璃器具，起到观赏的作用。水族箱又称为生态鱼缸或水族槽，是为观赏用、专门饲养水生动植物的容器，是一个动物饲养区，通常至少有一面为透明的玻璃及高强度的塑料。水族箱内人工饲养著生活于水中的植物及动物(通常为鱼类，但亦可是无脊椎动物、两栖动物、海洋哺乳动物或爬行动物)。水族箱内的氮素消解与利用是水族人士最关注的问题，S卩如何管理水族生物排出的生物废物。鱼、无脊椎动物等会排出氮废物氨(NH3)(氨可能会被转化为铵，NH4+),而动物的排泄物以及植物死亡残体在分解过程中同样会释放出氨。当这些氮废物积累到一个高的浓度水平就会使生物中毒，故此务必通过氮循环将这些物质控制于一个低浓度范围。一个平衡良好的水族箱应该含有可将废物转化的生物。氮废物可经硝化细菌进行转化，首先亚硝酸菌属Nitoosomonas可将水中的氨转化成亚硝酸盐(N02_)。惟高浓度的亚硝酸盐同样可毒害生物。其次硝化细菌(如硝化螺旋菌属，Nitoospira)会将亚硝酸盐转化成毒性较低的硝酸盐(N03O，饲养者再以换水的方式稀释水中硝酸盐的浓度。这个硝化作用的过程是水族嗜好者所熟知的。在水族箱中，硝化菌往往附著在滤材以及底砂上，形成数种菌类共生的菌膜。除了物理过滤使用的白棉及羊毛绒之外，亦有专门用以培养硝化菌的生化棉、陶瓷环等等生化滤材，或提供较佳的水流，或提供较大的附著环境，以培养硝化菌。中国发明专利申请(申请号02140178.0申请日2002-07-04)公开了自然生态水族箱及其建置方法，自然生态水族箱建置方法包括在箱体底先铺一薄层细珊瑚砂；于珊瑚砂上放置具许多小孔洞的底板；在底板上铺满一厚层珊瑚砂；在珊瑚砂上放置一些创造多样的生物生存环境的基质；加入水；用抽水机制造波浪和产生适当强度的水流；在箱体上方提供光源；引进一些天然生态系基质；自然生态水族箱包括朝上开口的箱体、铺设于箱体底面一薄层细珊瑚砂、设置于珊瑚砂上具许多小孔洞的底板、铺满于底板上一厚层珊瑚砂、置放于珊瑚砂基质、设置于箱体内的电动机、抽水机及设置于箱体上方的光源。该专利涉及了具有珊瑚砂结构的生态水族箱，但是其中的珊瑚砂中的菌种是自然生长的，其品种有限，而且珊瑚石主成分是碳酸钙，市售鱼缸使用的珊瑚石颗粒直径多数大于5_，每升比表面积不足100M2，并不适用于多种菌种的生长，同时制造波浪的抽水机并未起到水体循环过滤的功能。中国发明专利申请(申请号200710128413. 8申请日2007-07-05)公开了一种自动化循环水维生与养殖系统，包括至少一可拆组式养殖槽体、一自动化循环式净水设备连接该养殖槽体，以及一自动化实时监控、预警与回馈设备，用以监控该养殖槽体内的水质，所述自动化循环式净水设备包括一机械与微生物过滤装置、一消毒杀菌装置以及一维生装置，用以抽取养殖槽体中水经物理性及生物过滤处理后，进行消毒杀菌及提高水中溶氧率后，导入养殖槽体中循环再使用，藉此，确保养殖槽体中的水质于最佳状态，且于水质发生异常时，可及时发出警示讯息，由操作者加以排除，使该系统可以提供一几近恒定的养殖环境。但其缺乏良好的物理过滤材料以及高效快速强化的硝化菌群。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的一个目的是提供一种水质净化微生物生态系统，该水质净化微生物生态系统采用多孔土质滤材，不仅具有大量的有效吸附面积，同时具有土壤的一般特性，即具有离子交换力、具有微量元素，因此适合植入多种硝化菌群物，也满足了生态微景观中水草和鱼的生长繁育。本发明的另外一个目的是提供上述的水质净化微生物生态系统的一种应用。为了实现上述的第一个目的，本发明采用了以下的技术方案
水质净化微生物生态系统，该系统包括多孔土质滤材层，所述的多孔土质滤材层由多孔土质滤材堆积构成,多孔土质滤材为由火山灰性土烧制成,具有空隙直径为0. l-4Mm，每升比表面积1-5万M2、颗粒直径I-IOmm的通水性过滤材料，并在所述的多孔土质滤材层中植入多种硝化菌群，多种硝化菌群包括亚硝化细菌、硝化细菌与反硝化细菌群。作为优选，上述的多孔土质滤材的空隙直径为0.每升比表面积1-3万M2、颗粒直径2-6_的通水性过滤材料。作为优选，上述的多孔土质滤材层中栖息的硝化菌群包括节杆菌DSC4Urthrobacter sp. DS4)，该菌株的保藏编号为CCTCC No :M2011406，保藏单位为中国典型培养物保藏中心，保藏地址为中国武汉武汉大学，保藏日期为2011年11月21日。该菌株具有明显的反硝化脱氮效果，详见申请人申请的中国发明专利(申请号2012100811286，申请日:2012-3-26)。作为再优选，上述的多孔土质滤材层中栖息的硝化菌群还至少包括以下菌种的一种
①节杆菌属菌种ClrtAroAacter niigatensis)；
②拟无枝菌酸菌菌种echigonensis )；
③腊样芽抱杆菌(AaciJJy1Scereus)；
④红球菌属菌种iRhodococcus kyotonensis')。作为最优选，上述的多孔土质滤材层中栖息的硝化菌群还至少包括以下菌种之全部
①节杆菌属菌种ClrtAroAacter niigatensis ^)；
②拟无枝菌酸菌属菌种echigonensis)；
③样芽抱杆菌(AaciJJw1Scereus)；
④红球菌属菌种iRhodococcus kyotonensis')。作为优选，上述的多孔土质滤材层的上部为待处理水体，多孔土质滤材层的底部设有回收水路，回收水路上设有管道连接设有循环水泵，循环水泵的出水口连接到待处理水体。为了实现上述的第二个目的，本发明采用了以下的技术方案
一种生态循环净化水族箱，该水族箱采用上述任一一个技术方案所述的水质净化微生物生态系统。
作为优选，上述的多孔土质滤材层上种植水生植物。本发明所述的水质净化微生物生态系统采用多孔土质滤材，不仅具有大量的有效吸附面积，同时具有土壤的一般特性，即具有离子交换力、具有微量元素，因此适合植入多种硝化菌群物，也满足了生态微景观中水草和鱼的生长繁育。本发明的水质净化微生物生态系统具有以下的特点
1.物理吸附能力对水中有机质具有强吸附力，等质量(w/w)COD可降低60%以上；
2.化学中和能力在一定体积比(1/100)—定范围pH (5-9)能有效维持稳定中性pH180天以上；
3.多孔质地巨大空间每IL比表面积达2万M2，最适宜降解菌群栖息，形成高效降解性生物膜； 4.主要硝化菌群(亚硝化、硝化与反硝化菌群)能有效消解水族箱内氨氮与亚硝态氮90%以上，硝态氮植物吸收利用达到氮素平衡；
5.底面过滤环保节能，一年节省水约5T(60x40x40cm水族箱每周换水一次为例),少排污水5T，一年以上免换水(或能达到2-3年)；
6.也可在其他需要水质净化的行业应用。
图I为本发明生态循环净化水族箱的结构示意图。
具体实施例方式实施例I水质净化微生物生态系统 一、多孔土质滤材的制备
采用以二氧化硅、氧化亚铁和氧化铝为主成分，添加少量特殊粘土成分经配方调制改性，经800度以上高温烧制而成。多孔土质滤材的空隙、直径达0. 每升比表面积可达I 3万M2、颗粒直径为2-6mm。二、菌种选择
①节杆菌属菌种ClrtAroAacter niigatensis ^)；
②拟无枝菌酸菌属菌种echigonensis)；
③腊样芽抱杆菌(AaciJJy1Scereus)；
④红球菌属菌种(热kyotonensis')；
⑤节杆菌DSC4 (.Arthrobacter sp. DS4)。节杆菌0504(心^^0&^(￡^sp. DS4)，菌株的保藏编号为 CCTCC No :M2011406，保藏单位为中国典型培养物保藏中心，保藏地址为中国武汉武汉大学，保藏日期为2011年11月21日。节杆菌属菌种Clr(AroAacter见文献(Ding, L (丁林贤) ，Hirose, T. and Yokota, A. Four novel Arthrobacter species isolated fromfiltration substrate. Int J Syst Evol Microbiol, 2009, 59: 856-862.)。拟无枝菌酸菌属菌种(Amycolatops is echigonensis ),见文献(Ding, L (丁林贤).,Hirose, T. and Yokota, A. Amycolatopsis echigonensis sp. nov. andAmycola top sis niigatensis sp. nov., novel actinomycetes isolated from afiltration substrate. Int J Syst Evol Microbiol, 2007, 57: 1747 - 1751. X腊样芽孢杆菌iBaciIlus cereus ),米用常规。红球菌属菌姨(Miodococcuskyotonensis^,见文献(Li, B.，Furihata,K.，Ding, L (丁林贤) and Yokota , A. Rhodococcus kyotonensis sp. nov. , anovel actinomycete isolated from soil (2007). Int J Syst Evol Microbiol, 57,1956-1959.)。(I)前培养
节杆菌属菌种(Arthrobacter niigatensis^与拟无枝菌酸菌属菌种(Jlniycolatopsisechigonensis)菌培养基组成为Nutrient broth I. 6g, Yeast extract 0. 5g,Cycloheximide 0. 05g, Kabicidin 0. lg, 1000ml 去离子水，pH 调至 7.0;
红球菌属菌种紅O(Oflefl1Si1S)培养基组成为Bacto peptone (Difco)10.Og, Yeast extract (Difco) 5.Og, Malt extract (Difco) 5.Og, Casamino acids(Difco) 5. Og, Beef extract (Difco) 2. Og, Glycerol 2. Og, Tween 80 50. Omg,MgS04 7H20 I. Og, 1000ml 去离子水，pH 调至 7. 0 ；
节杆菌 DSC4 {Arthrobacter sp. DS4)培养基组成为Nutrient broth 5g, Yeastextract 0. 5g, Cycloheximide 0. 05g, Kabicidin 0. lg, 1000ml 去离子水，pH调至 7.0;为普通牛肉膏蛋白胨；
以上各菌株分别在30°C、120r水浴摇床前培养24h后，进行增量扩大培养。(2)增量扩大培养
增量扩大培养基组成为peptone 5. 0 g, yeast extract 0. 5 g, glucose 5. 0 g,NaCl 2.5 g, 1000ml去离子水，pH调至7. 0 ;将实验菌群①-⑤分别经前培养后的菌液各2%接种于增量扩大培养基内，经30°C、120r水浴摇床培养48h，菌量达109每升以上。混合培养后的菌液用于过滤材料的吸附工程工艺。(3)细菌加入量
5种细菌混合培养液的0. 2% (W/W)均匀分散加入过滤材料的吸附工程工艺。实施例2 生态循环净化水族箱
如图I所示的生态循环净化水族箱，包括实施例I所述的水质净化微生物生态系统，在多孔土质滤材层的上部为待处理水体,多孔土质滤材层的底部设有回收水路，回收水路上设有管道连接设有循环水泵，循环水泵的出水口连接到待处理水体，并在多孔土质滤材层上种植水生植物。上述的水族箱水质净化原理水族箱内养育观赏鱼和水草，水中残余饵料和鱼排泄物经底面循环装置吸附于多孔土质滤材里，栖息于滤材表面及内部的亚硝化、硝化细菌将吸附于滤材的有机物及氨态氮消解，形成的硝态氮成为水草养分，多余的硝态氮可在异养反硝化细菌作用下消解成氮气释放于空气，使生态微景观达到水质清澈、营养平衡、鱼和草健康的观赏效果。 水质主要指标的氨氮、亚硝态氮、硝态氮采用国标奈氏定氮法；REDSEA或TETRA试剂盒；C0D重铬酸钾测定法等测定。采用普通鱼缸大量养鱼形成的养殖废水，其中CODcr为113. I mg/L,氨氮3mg/L,亚硝态氮I. 2mg/L,硝态氮35mg/L。以此水加入铺设多孔土质滤材水质净化微生物生态系统中，经24小时后测定水质情况，其中CODcr为18. 8 mg/L，去除率为83. 4% ;氨氮0. 04mg/L,去除率为98. 7% ;亚硝态氮0. 08mg/L,去除率为93. 3% ;硝态氮
2.5mg/L，去除率达92. 9%。45cmX35cmX35cm生态水族箱内放养鳗龙、接吻鱼、灯鱼等数条，种植铁皇冠和水榕数株，经一年测定观察，除补充蒸发水分外未经换水，测试数据氨氮、亚硝态氮和硝态氮分别低于0. 1、0. 5和5mg/L,未见异常,一直维持水质清澈状态。
权利要求
1.水质净化微生物生态系统，其特征在于该系统包括多孔土质滤材层，所述的多孔土质滤材层由多孔土质滤材堆积构成,多孔土质滤材为由火山灰性土烧制成,具有空隙直径为0. 每升比表面积1-5万M2、颗粒直径I-IOmm的通水性过滤材料，并在所述的多孔土质滤材层中植入多种硝化菌群，多种硝化菌群包括亚硝化细菌、硝化细菌与反硝化细菌群。
2.根据权利要求I所述的水质净化微生物生态系统，其特征在于多孔土质滤材的空隙直径为0. 每升比表面积1-3万M2、颗粒直径2_6mm的通水性过滤材料。
3.根据权利要求I或2所述的水质净化微生物生态系统，其特征在于多孔土质滤材层中栖息的硝化菌群包括节杆菌DSC4sp. DS4),该菌株的保藏编号为CCTCC No :M2011406，保藏单位为中国典型培养物保藏中心，保藏地址为中国武汉武汉大学，保藏日期为2011年11月21日。
4.根据权利要求3所述的水质净化微生物生态系统，其特征在于多孔土质滤材层中栖息的硝化菌群还至少包括以下菌种的一种 ①节杆菌属菌种ClrtAroAacter niigatensis)； ②拟无枝菌酸菌属菌种echigonensis)； ③腊样芽抱杆菌(AaciJJy1Scereus)； ④红球菌属菌种iRhodococcus kyotonensis')。
5.根据权利要求4所述的水质净化微生物生态系统，其特征在于多孔土质滤材层中栖息的硝化菌群还至少包括以下菌种之全部 ①节杆菌属菌种ClrtAroAacter niigatensis ^)； ②拟无枝菌酸菌属菌种echigonensis)； ③腊样芽抱杆菌(AaciJJy1Scereus)； ④红球菌属菌种iRhodococcus kyotonensis')。
6.根据权利要求I或2或3或4或5所述的水质净化微生物生态系统，其特征在于多孔土质滤材层的上部为待处理水体,多孔土质滤材层的底部设有回收水路，回收水路上设有管道连接设有循环水泵，循环水泵的出水口连接到待处理水体。
7.—种生态循环净化水族箱，其特征在于该水族箱采用权利要求I或2或3或4或5所述的水质净化微生物生态系统。
8.根据权利要求7所述的一种生态循环净化水族箱，其特征在于该水族箱采用权利要求6所述的水质净化微生物生态系统。
9.根据权利要求7或8所述的一种生态循环净化水族箱，其特征在于多孔土质滤材层上种植水生植物。
全文摘要
本发明涉及水质净化微生物生态系统及其应用。水质净化微生物生态系统，该系统包括多孔土质滤材层，所述的多孔土质滤材层由多孔土质滤材堆积构成，多孔土质滤材为由火山灰性土烧制成，具有空隙直径为0.1-4μm，每升比表面积1-5万M2、颗粒直径1-10mm的通水性过滤材料，并在所述的多孔土质滤材层中植入多种硝化菌群，多种硝化菌群包括亚硝化细菌、硝化细菌与反硝化细菌群。本发明所述的水质净化微生物生态系统采用多孔土质滤材，不仅具有大量的有效吸附面积，同时具有土壤的一般特性，即具有离子交换力、具有微量元素，因此适合植入多种硝化菌群物，也满足了生态微景观中水草和鱼的生长繁育。
文档编号C02F3/34GK102701463SQ20121020445
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月20日 优先权日2012年6月20日
发明者丁林贤, 金夷, 陈建荣 申请人:浙江师范大学