專利名稱：基于自動化控制的反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于自動化控制的反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集系統。
背景技術：
甲烷作為一種重要的能源，在人類的生產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氫化合物，其對全球變暖的貢獻僅次于CO2，它引起的溫室效應是等摩爾(X)2的20 30倍。據悉，全球每年甲烷產生量的85%及消耗量的60%都是基于微生物的作用。微生物進行的甲烷厭氧氧化(anaerobic oxidation of methane)能夠使大部分甲烷氣體(90%以上)在進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，它有效緩解了目前日趨嚴重的溫室效應。Jx ^ft it M ￥ ^υ M fl fl ^ (denitrification through anaerobic methane oxidation)是甲烷厭氧氧化的一種，其反應方程式如方程式(1)、(2)所示。目前，對于指導該反應進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和生物地球碳素循環以及二者的有機結合；其次，催化該過程的微生物在自然界中未曾被發現過，因此對該過程的研究有助于進一步挖掘自然界中的微生物資源。5CH4 + 8NCV + 8H+ — 5C02 + 4N2 + 14H20(1)
(Δ Ψ =-~65 IcJmol1 CH4) 3CH4 + 8NCV + 8H+ — 3C02 + 4N2 + IOH2O(2)
(AGfl* = —928 LTmol4 CH4)
由于反硝化型甲烷厭氧氧化的發生環境通常限于具有急劇梯度特征的區域，使該反應僅在幾毫米的范圍內發生，從而導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，細胞倍增時間可長達一個月以上，因而很難獲得催化該過程的富集培養物
本發明通過模擬自然生態系統反硝化型甲烷厭氧氧化菌的生存環境，富集反硝化型甲烷厭氧氧化菌，獲得高純度的富集培養物，為深入研究反硝化型甲烷厭氧氧化過程及其在生物地球化學循環中的貢獻奠定良好的基礎。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種基于自動化控制的反硝化型甲烷
厭氧氧化菌富集系統。基于自動化控制的反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集系統包括甲烷進氣自動調節閥、 甲烷進氣氣體流量計、進氣管、取泥口、氬氣進氣氣體流量計、氬氣進氣自動調節閥、進水自動調節閥、進水管、法蘭、溶解氧探頭、PH探頭、機械攪拌槳、反應器主體、氣體均布器、支架、溶解氧報警器、甲烷報警器、數據采集分析調控裝置、酸液輸入自動調節閥、堿液輸入自動調節閥、出氣氣體流量計、氣體輸出管、酸液輸入管、堿液輸入管、液封、儲酸容器、儲堿容器、甲烷探頭、第一出水管、生物量截留器、第二出水管、生物量回流管、回流泵、取泥口 ；反應器主體下端設有支架、取泥口，反應器主體內底部設有氣體均布器，反應器主體內中心設有機械攪拌槳，反應器主體下部經回流泵、生物量回流管、生物量截留器、第一出水管與反應器主體上部相連，生物量截留器上部側壁設有第二出水管，反應器主體上端設有法蘭，法蘭上設有進氣管、進水管、PH探頭、溶解氧探頭、甲烷探頭、堿液輸入管、酸液輸入管、氣體輸出管，進氣管上端分為兩路，一路經甲烷進氣自動調節閥與甲烷進氣氣體流量計相連，另一路經氬氣進氣自動調節閥與氬氣進氣氣體流量計相連，進氣管另一端與氣體均布器相連； 進水管上端與進水自動調節閥相連；堿液輸入管上端經堿液輸入自動調節閥與儲堿容器相連；酸液輸入管上端經酸液輸入自動調節閥與儲酸容器相連；氣體輸出管上端經出氣氣體流量計伸入液封中；氬氣進氣自動調節閥、甲烷進氣自動調節閥、進水自動調節閥、酸液輸入自動調節閥、堿液輸入自動調節閥分別與數據采集分析調控裝置相連；溶解氧探頭經溶解氧報警器與數據采集分析調控裝置相連；甲烷探頭經甲烷報警器與數據采集分析調控裝置相連。所述的反應器主體(13)的高徑比為2 2. 5:1。所述的第一出水管(29)距反應器主體(13)頂部的距離為10 15cm。所述的氣體均布器(14)的直徑與反應器內徑相同， 由1根主管和5根支管組成，每根支管上間隔2 3cm設1根垂直向下的曝氣管。所述的機械攪拌槳(12)的轉速為150 200rpm。所述的生物量截留器(30)的高徑比3 4:1，生物量截留器(30)與反應器主體(13)體積比為1:8 10。所述的機械攪拌槳(12)底部距氣體均布器(14)的距離為5 8cm。本發明與現有技術相比具有的有益效果1)反應器主體呈柱狀，內部設有氣體均布器，產生微小的甲烷氣泡，機械攪拌使氣液固三相充分接觸，保證了基質與微生物的充分混合，有利于反硝化型甲烷厭氧氧化菌的高效富集；2)通過自動化控制系統對富集裝置中的甲烷含量、溶解氧含量與PH等參數進行實時監控與反饋，既保證了反硝化型甲烷厭氧氧化菌在適宜的條件下富集，又保證了反應器的安全、正常運行，同時減少了人力勞動；3)反應器出水處采用生物量截留裝置，截留從反應器內部流出的生物量，并定期回流，避免了生物量的流失；4)此富集系統可富集自然生態系統中的反硝化型甲烷厭氧氧化菌，可為深入研究自然生態系統中的反硝化型甲烷厭氧氧化作用奠定良好的基礎；5)該裝置結構簡潔、 易于加工，便于其普遍應用。
圖1是基于自動化控制的反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集系統結構示意圖； 圖2是本發明的甲烷均布器結構示意圖中甲烷進氣自動調節閥1、甲烷進氣氣體流量計2、進氣管3、取泥口 4、氬氣進氣氣體流量計5、氬氣進氣自動調節閥6、進水自動調節閥7、進水管8、法蘭9、溶解氧探頭10、pH 探頭11、機械攪拌槳12、反應器主體13、氣體均布器14、支架15、溶解氧報警器16、甲烷報警器17、數據采集分析調控裝置18、酸液輸入自動調節閥19、堿液輸入自動調節閥20、出氣氣體流量計21、氣體輸出管22、酸液輸入管23、堿液輸入管24、液封25、儲酸容器沈、儲堿容器27、甲烷探頭觀、第一出水管29、生物量截留器30、第二出水管31、生物量回流管32、回流泵33。
具體實施例方式如附圖所示，基于自動化控制的反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集系統包括甲烷進氣自動調節閥1、甲烷進氣氣體流量計2、進氣管3、取泥口 4、氬氣進氣氣體流量計5、氬氣進氣自動調節閥6、進水自動調節閥7、進水管8、法蘭9、溶解氧探頭10、pH探頭11、機械攪拌槳12、反應器主體13、氣體均布器14、支架15、溶解氧報警器16、甲烷報警器17、數據采集分析調控裝置18、酸液輸入自動調節閥19、堿液輸入自動調節閥20、出氣氣體流量計21、氣體輸出管22、酸液輸入管23、堿液輸入管M、液封25、儲酸容器沈、儲堿容器27、甲烷探頭觀、第一出水管四、生物量截留器30、第二出水管31、生物量回流管32、回流泵33 ；反應器主體13下端設有支架15、取泥口 4，反應器主體13內底部設有氣體均布器14，反應器主體 13內中心設有機械攪拌槳12，反應器主體13下部經回流泵33、生物量回流管32、生物量截留器30、第一出水管四與反應器主體13上部相連，生物量截留器30上部側壁設有第二出水管31，反應器主體13上端設有法蘭9，法蘭9上設有進氣管3、進水管8、pH探頭11、溶解氧探頭10、甲烷探頭觀、堿液輸入管M、酸液輸入管23、氣體輸出管22，進氣管3上端分為兩路，一路經甲烷進氣自動調節閥1與甲烷進氣氣體流量計2相連，另一路經氬氣進氣自動調節閥6與氬氣進氣氣體流量計5相連，進氣管3另一端與氣體均布器14相連；進水管8 上端與進水自動調節閥7相連；堿液輸入管M上端經堿液輸入自動調節閥20與儲堿容器 27相連；酸液輸入管23上端經酸液輸入自動調節閥19與儲酸容器沈相連；氣體輸出管22 上端經出氣氣體流量計21伸入液封25中；氬氣進氣自動調節閥6、甲烷進氣自動調節閥1、 進水自動調節閥7、酸液輸入自動調節閥19、堿液輸入自動調節閥20分別與數據采集分析調控裝置18相連；溶解氧探頭10經溶解氧報警器16與數據采集分析調控裝置18相連；甲烷探頭觀經甲烷報警器17與數據采集分析調控裝置18相連。數據采集分析調控裝置18 見 ZL2010202095573. 9。所述的反應器主體13的高徑比為2 2. 5:1。所述的第一出水管四距反應器主體13頂部的距離為10 15cm。所述的氣體均布器14的直徑與反應器內徑相同，由1根主管和5根支管組成，每根支管上間隔2 3cm設1根垂直向下的曝氣管。所述的機械攪拌槳12的轉速為150 200rpm。所述的生物量截留器30的高徑比3 4:1，生物量截留器 30與反應器主體13體積比為1:8 10。所述的機械攪拌槳12底部距氣體均布器14的距離為5 8cm。基于自動化控制的反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集系統的控制方法通過pH探頭 11實時監測反應器主體13內液相中PH值，并根據數據采集分析調控裝置18控制酸液輸入自動調節閥19與堿液輸入自動調節閥20，使反應器主體13內液相中pH維持在7. 0 7. 5 之間。若反應器主體13內液相中pH小于7. 0，數據采集分析調控裝置18打開堿液輸入自動調節閥20，直到反應器主體13內液相中pH恢復到正常范圍，堿液輸入自動調節閥20關閉。若反應器主體13內液相中pH大于7. 5，數據采集分析調控裝置18打開酸液輸入自動調節閥19，直到反應器主體13內液相中pH恢復到正常范圍，酸液輸入自動調節閥19關閉； 通過甲烷探頭觀實時監測反應器主體13內氣相中的甲烷體積百分含量，并根據數據采集分析調控裝置18控制甲烷進氣自動調節閥1，使反應器主體13內氣相中甲烷體積百分含量維持在30 50%之間。若反應器主體13內氣相中甲烷體積百分含量低于5 10%或高于 50 55%，甲烷報警器17發出報警信息，數據采集分析調控裝置18關閉所有自動調節閥， 反應器停止運行。通過溶解氧探頭10實時監測反應器主體13內液相中溶解氧的濃度。當溶解氧濃度高于0. 1 0. 2mg/L時，溶解氧報警器16發出報警信息，數據采集分析調控裝置18首先關閉甲烷進氣自動調節閥1，隨后打開氬氣進氣自動調節閥6，持續通入氬氣，直至反應器主體13內液相中溶解氧的濃度低于0. 1 0. ang/L，溶解氧報警器16停止報警， 數據采集分析調控裝置18首先關閉氬氣進氣自動調節閥6，隨后打開甲烷進氣自動調節閥 1。并且，在溶解氧報警器16報警階段，甲烷報警器17停止工作。
權利要求
1.一種基于自動化控制的反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集系統，其特征在于包括甲烷進氣自動調節閥(1)、甲烷進氣氣體流量計(2)、進氣管(3)、取泥口(4)、氬氣進氣氣體流量計(5)、氬氣進氣自動調節閥(6)、進水自動調節閥(7)、進水管(8)、法蘭(9)、溶解氧探頭 (10)、PH探頭(11)、機械攪拌槳(12)、反應器主體(13)、氣體均布器(14)、支架(15)、溶解氧報警器(16)、甲烷報警器(17)、數據采集分析調控裝置(18)、酸液輸入自動調節閥(19)、 堿液輸入自動調節閥(20)、出氣氣體流量計(21)、氣體輸出管(22)、酸液輸入管(23)、堿液輸入管(24)、液封(25)、儲酸容器(26)、儲堿容器(27)、甲烷探頭(28)、第一出水管(29)、 生物量截留器(30)、第二出水管(31)、生物量回流管(32)、回流泵(33)；反應器主體(13) 下端設有支架(15)、取泥口(4)，反應器主體(13)內底部設有氣體均布器(14)，反應器主體(13)內中心設有機械攪拌槳(12)，反應器主體(13)下部經回流泵(33)、生物量回流管 (32)、生物量截留器(30)、第一出水管(29)與反應器主體(13)上部相連，生物量截留器 (30)上部側壁設有第二出水管(31)，反應器主體(13)上端設有法蘭(9)，法蘭(9)上設有進氣管(3)、進水管(8)、pH探頭(11)、溶解氧探頭(10)、甲烷探頭(28)、堿液輸入管(24)、 酸液輸入管(23)、氣體輸出管(22)，進氣管(3)上端分為兩路，一路經甲烷進氣自動調節閥 (1)與甲烷進氣氣體流量計(2)相連，另一路經氬氣進氣自動調節閥(6)與氬氣進氣氣體流量計(5)相連，進氣管(3)另一端與氣體均布器(14)相連；進水管(8)上端與進水自動調節閥(7)相連；堿液輸入管(24)上端經堿液輸入自動調節閥(20)與儲堿容器(27)相連；酸液輸入管(23)上端經酸液輸入自動調節閥(19)與儲酸容器(26)相連；氣體輸出管(22)上端經出氣氣體流量計(21)伸入液封(25)中；氬氣進氣自動調節閥(6)、甲烷進氣自動調節閥 (1)、進水自動調節閥(7)、酸液輸入自動調節閥(19)、堿液輸入自動調節閥(20)分別與數據采集分析調控裝置(18)相連；溶解氧探頭(10)經溶解氧報警器(16)與數據采集分析調控裝置(18)相連；甲烷探頭(28)經甲烷報警器(17)與數據采集分析調控裝置(18)相連。
2.根據權利要求1所述的一種基于自動化控制的反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集系統， 其特征在于所述的反應器主體(13)的高徑比為2 2. 5:1。
3.根據權利要求1所述的一種基于自動化控制的反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集系統， 其特征在于所述的第一出水管(29)距反應器主體(13)頂部的距離為10 15cm。
4.根據權利要求1所述的一種基于自動化控制的反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集系統， 其特征在于所述的氣體均布器(14)的直徑與反應器內徑相同，由1根主管和5根支管組成， 每根支管上間隔2 3cm設1根垂直向下的曝氣管。
5.根據權利要求1所述的一種基于自動化控制的反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集系統， 其特征在于所述的機械攪拌槳(12)的轉速為150 200rpm。
6.根據權利要求1所述的一種基于自動化控制的反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集系統， 其特征在于所述的生物量截留器(30)的高徑比3 4:1，生物量截留器(30)與反應器主體 (13)體積比為1:8 10。
7.根據權利要求1所述的一種基于自動化控制的反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集系統， 其特征在于所述的機械攪拌槳(12)底部距氣體均布器(14)的距離為5 8cm。
全文摘要
本發明公開了一種基于自動化控制的反硝化型甲烷厭氧氧化菌富集系統。它包括甲烷進氣氣體流量計、氬氣進氣氣體流量計、出氣氣體流量計、甲烷進氣自動調節閥、氬氣進氣自動調節閥、進水自動調節閥、酸堿液輸入自動調節閥、法蘭、溶解氧探頭、pH探頭、甲烷探頭、機械攪拌槳、反應器主體、氣體均布器、溶解氧報警器、甲烷報警器、數據采集分析調控裝置、生物量截留器、回流泵。本發明優點如下1)設有氣體均布器與機械攪拌槳，利于基質與微生物充分混合，實現高效富集；2)通過自動化控制實現參數的實時監控與反饋，保證富集系統正常運行，同時減少人力勞動；3)采用生物量截留裝置，避免生物量流失；4)結構簡潔、易于加工，便于普遍應用。
文檔編號C12M1/02GK102174370SQ201110031538
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月29日 優先權日2011年1月29日
發明者劉帥, 葉天強, 沈李東, 胡寶蘭, 蔡琛, 鄭平 申請人:浙江大學