专利名称：高新板框式固定化细胞膜生物反应器及其应用技术
技术领域：
本发明涉及饮用水安全保障技术领域，具体的说，涉及一种板框式固定化细胞膜生物反应器及其在地下水生物反硝化脱氮技术中的应用。
背景技术：
地下水是许多国家和地区的主要饮用水源，如美国超过一半的人口以地下水作为饮用水；荷兰饮用水2/3源于地下水。我国对21个省市和27个主要城市的统计表明，有一半以上的城市以地下水为主要水源。然而，由于不合理的使用化肥、污水灌溉及污水渗漏等原因，导致地下水中的硝酸盐浓度持续上升。硝酸盐被摄入人体后，在肠胃中被还原为亚硝酸盐，后者可以把血红蛋白中的狗2+氧化成狗3+，减少血液的载氧容量，从而具有引发各种疾病的危险，如高铁血红蛋白症、肝损害以及癌症等。为防止受硝酸盐污染的地下水危害人体健康，世界上许多国家和国际组织都对饮用水中硝酸盐的含量设定了最高限值。如世界卫生组织(WHO)在2004年出版的《饮用水水质准则》(第3版)中推荐的饮用水硝酸盐限值为50mg N03_/L;美国EPA和加拿大环境组织规定了饮用水中硝酸盐氮浓度的最高极限值为10mgN03_-N/L。欧盟提出了饮用水中硝酸盐最高允许浓度为50 mgN03_/L，推荐硝酸盐氮的允许水平5.6mgN03_-N/L。我国《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)规定的硝酸盐限值为10mg/L(以Ν03__Ν计)。把地下水中硝酸盐浓度降至标准值以下的方法主要有离子交换、反渗透和生物反硝化等。离子交换和反渗透具有相似的缺点，两者都会副产浓盐水，需要进一步处理或处置。生物反硝化是相对廉价的脱氮方法，即在缺氧或厌氧环境下，反硝化细菌以有机物作为电子供体、硝酸盐分子中的氧作为最终电子受体，把硝酸盐还原成氮气。生物反硝化过程不会副产盐水。最近几十年来，生物反硝化技术在地下水脱硝酸盐方面得到广泛研究，但该技术的工程应用却很少，原因是常规的生物反硝化无法避免微生物和电子供体对处理水的污染。因此，相关研究聚焦于生物过程与膜分离技术相结合形成的膜生物反应器(MBR)。MBR 可以完全避免地下水受微生物污染，但仍无法解决残留电子供体对地下水的污染问题。中国专利(CN101786763A)公开了一种间歇式地下水反硝化脱氮方法，即把细胞固定化技术与膜分离技术有机地结合在一起，构建了一种间歇操作的新型膜生物反应器，利用该新型膜生物反应器进行地下水反硝化脱氮，可以克服常规生物反硝化及普通MBR反硝化脱氮过程中存在的缺点。但是，由于这种新型膜生物反应器是一种敞开体系，特别是该反应器在运行时需要不断搅拌反应器内的地下水和乙醇水溶液，从而消除外扩散对反硝化反应的影响。不过，持续的搅拌也使得地下水和乙醇水溶液的表面不断更新，这就不可避免地增加了大气中氧气在地下水和乙醇水溶液中的溶解。地下水和乙醇水溶液中溶解氧的增加，又会提高溶解氧从两侧液体中向膜状固定化细胞中扩散的速率，使膜状固定化细胞靠近地下水或乙醇水溶液的表层区域溶解氧浓度偏高(处于好氧状态)，或者说在整个膜状固定化细胞的厚度上，只有中间区域处于兼氧或厌氧状态，满足生物反硝化的条件。也就是说，溶解氧的增加缩小了膜状固定化细胞的反硝化区域，因此，这种间歇式地下水反硝化脱氮方法的脱氮速率比较慢，不利于这一地下水反硝化脱氮方法的工程应用，并且空气中的氧气不断溶入乙醇水溶液中，还会促进微生物对乙醇的降解，增加乙醇的消耗。此外，这种间歇式地下水反硝化脱氮技术单位反应器体积内膜状固定化细胞的有效面积比较小，与一般的MBR相比，达到相同处理能力所需的反应器体积会大得多。若不彻底改变反应器的结构，很难提高单位反应器体积的处理能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种连续、密闭的，板框式固定化细胞膜生物反应器。本发明的第二个目的在于提供一种地下水连续式反硝化脱氮的方法，并实现电子供体反硝化碳源的循环利用。为实现以上目的，本发明公开以下技术方案一种板框式固定化细胞膜生物反应器，其特征在于，最外层为两片盖板，中间部分由框与平板状固定化细胞依次排列组装而成，所述平板状固定化细胞由富集培养的反硝化细菌与聚乙烯醇溶液共混制得，所述框呈长方形，包括W框和C框，W框代表供地下水流通的框，C框代表供乙醇水溶液流通的框，所述中间部分至少包括两片平板状固定化细胞、两片W框和一片C框，其中盖板、框和平板状固定化细胞的排列顺序为，盖板一W框一平板状固定化细胞一C框一平板状固定化细胞一 W框一盖板，其中W框和C框下端和上端分别开设入口和出口，盖板和框的四周均开有螺栓孔。本反应器模拟地下水以串联方式依次通过W框；乙醇水溶液则以串联方式依次通过C框。第一个W框上端出口至第二个W框下端入口之间通过导管连接，更多W框之间的连接以此类推；同理，第一个C框上端出口至第二个C框下端入口之间通过导管连接，更多 C框之间的连接以此类推。简单地说，就是用一根管子把两个W框或C框的出口和入口连接起来。作为一个优选方案，面向W框的平板状固定化细胞表面还覆盖有微孔滤膜，用于防止从平板状固定化细胞中脱落下来的微生物污染地下水。为实现以上第二个目的，本发明公开以下技术方案，一种地下水连续式反硝化脱氮的方法，其特征在于，把地下水从其贮槽输送至上述板框式固定化细胞膜生物反应器第一个W框下端的入口，地下水在W框内向上流动，从该W框另一侧上端的出口经导管流入下一个W框下端的入口，处理完的地下水从最后一个W框上端的出口排出；同时把乙醇水溶液从其贮槽输送到第一个C框下端的入口，乙醇水溶液在C框内向上流动，从该C框另一侧上端出口经导管流入下一个C框下端的入口，并从最后一个C框上端的出口返回乙醇水溶液贮槽，循环使用。当地下水在W框内向上流动时，硝酸盐从水相扩散进入平板状固定化细胞中，固定于其中的反硝化菌利用从另一侧C框中扩散来的乙醇作为电子供体把硝酸盐还原成氮气，实现反硝化脱氮的目的。本发明的优点在于(1)板框式固定化细胞膜生物反应器是一个连续、密闭的反应器，地下水和乙醇水溶液在不同的框内连续流动，控制合适的流速，可以使框内流体达到较高的扰动程度，从而消除外扩散对板框式膜生物反应器反硝化脱氮过程的影响；(2)可以避免空气中的氧气不断地溶入反应器内的地下水和乙醇水溶液中，减少了溶解氧对反硝化脱氮产生的不利影响；(3)由于框的厚度要比间歇搅拌反应器内搅拌室小得多，因此板框式固定化细胞膜生物反应器单位体积内固定化胞的有效反应面积要大得多，从而大大提高了单位反应器体积的处理能力；(4)板框式固定化细胞膜生物反应器可以实现反硝化碳源乙醇水溶液的循环使用，减少了反硝化碳源的浪费。
图1为板框式固定化细胞膜生物反应器及其反硝化脱氮流程示意图。图2为板框式固定化细胞膜生物反应器中的盖板、框、微孔滤膜、平板状固定化细胞的结构示意图。图3为板框式固定化细胞膜生物反应器连续反硝化脱氮效果。图4为板框式固定化细胞膜生物反应器连续运行过程中进水硝酸盐氮负荷及出水CODsfa的变化。其中，图1、图2中的标号分别为1.地下水贮槽；2.输送地下水的泵；3.乙醇水溶液贮槽；4.输送乙醇水溶液的泵；5.盖板；6.供地下水流通的框(简称W框)；7.微孔滤膜；8.平板状固定化细胞；9.供乙醇水溶液流通的框(简称C框);10.螺栓孔；11. W 框的入口；12. W框的出口；13. C框的入口；14. C框的出口。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做详细说明，实施例的作用仅是解释而非限定本发明。实施例一板框式固定化细胞膜生物反应器的构建。(1)反硝化细菌的富集培养在每升蒸馏水中分别加入硝酸钾2000mg/L，乙醇 1500mg/L,氯化钙 350mg/L,硫酸镁 300mg/L, pH 7. 2 的 0. 2mol/L 磷酸盐缓冲液 0. 5mL,构成反硝细菌富集培养液。把取自城市生活污水处理厂的活性污泥加入到反硝化细菌培养液中，进行反硝化细菌富集培养。培养反硝化细菌的反应器每天搅拌反应20h，静止沉淀 4h，用虹吸法排出上清液，然后再加入新鲜的反硝化细菌培养液进行下一轮操作，持续运行 70d，得到反硝化细菌悬浮液。(2)聚乙烯醇(PVA)溶液配制把90g固体PVA置于IOOOmL烧杯中，加入580mL蒸馏水，然后将烧杯置于沸水浴上加热，边加热边搅拌至PVA完全溶解，停止加热，自然冷却至室温后，补加适量的蒸馏水，把PVA溶液定容至600mL，则所得PVA溶液的浓度为15% (w/ ν)。最后再在所得PVA溶液中加入24mL甘油，搅拌均勻后备用。(3)平板状固定细胞的制备将步骤(1)所得的反硝化细菌悬浮液在3000r ^irT1 下离心15min，弃去上清液，用生理盐水洗涤并离心2次，然后称取12. Og浓缩菌体，将其加入到步骤(2)所配制的PVA溶液中，搅拌均勻后平铺于4个350mmX IOOmmX4mm的板框式模型中，置于-20士 1°C的冰箱中冷冻16h，然后在室温下解冻4h。重复冷冻-解冻4次，用蒸馏水充分洗涤膜表面，即得平板状固定细胞。(4)板框式固定化细胞膜生物反应器的构建将盖板、W框、微孔滤膜、平板状固定化细胞、C框、平板状固定化细胞、微孔滤膜、W框、微孔滤膜、平板状固定化细胞、C框、平板状固定化细胞、微孔滤膜、W框、盖板位次排列，在板和框四周的螺栓孔中插入螺栓，然后拧
5紧两侧盖板外表面的螺母，把板和框紧固在一起，即得板框式固定化细胞膜生物反应器。W 框和C框的有效容积均为60 mL (30 cm X 2 cm X 1 cm),微孔滤膜的孔径为0. 45 μ m。图1中，第一个W框上端出口至第二个W框下端入口之间有一根线，该线就代表两个W框之间的连接导管；同理，第一个C框上端出口至第二个C框下端入口之间有一根线， 该线就代表两个C框之间的连接导管。简单地说，就是用一根管子把两个W框或C框的出口和入口连接起来。实施例二 地下水连续式反硝化脱氮。用泵把硝酸盐氮浓度为16 100mg/L的地下水以50mL/h的流量从地下水贮槽输送到图1所示板框式固定化细胞膜生物反应器第一个W框下端的入口，地下水在W框内向上流动，从该W框另一侧上端的出口经导管流入下一个W框下端的入口，更多W框之间的连接以此类推，处理完的地下水从最后一个W框上端的出口排出；同时用泵把乙醇含量为 13(Tl725mg/L的乙醇水溶液以500mL/min的流量从乙醇水溶液贮槽输送到第一个C框下端的入口，乙醇水溶液在C框内向上流动，从该C框另一侧上端出口经导管流入下一个C框下端的入口，更多C框之间的连接以此类推，并从最后一个C框上端的出口返回乙醇水溶液贮槽，循环使用。每隔24h分别从地下水贮槽、处理水排出口、乙醇水溶液贮槽取样测定进水硝酸盐氮浓度，出水硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和CODsfa的浓度，以及乙醇水溶液中乙醇的浓度，并根据乙醇浓度的变化在乙醇水溶液贮槽中补充反硝化过程中消耗掉的乙醇。试验结果如附图 3禾口 4所示。由图3可以看出，当进水硝酸盐氮浓度从16mg/L逐渐上升到100 mg/L的过程中， 反应器的运行状态会受到一定程度的冲击，但很快就趋于稳定。当反应器的运行进入稳态后，出水硝酸盐氮浓度均在3 mg/L以下。并且，在稳态条件下，出水中没有出现亚硝酸盐氮的积累，亚硝酸盐氮浓度小于0. lmg/L。由图4可以看出，在反应器负荷小于3. 5g N03_-N/m2*d时(对应的乙醇水溶液浓度小于1250mg/L)，出水CODfc含量小于;3mg/L。而且，即使乙醇浓度高达1725mg/L，出水CODsfa 含量也没有超过5mg/L。综合图3和图4所示结果，不难看出，用板框式固定化细胞膜生物反应器连续处理受硝酸盐污染的地下水，当反应器的运行状态达到稳定后，出水硝酸盐氮、亚硝酸盐氮及 CODfc等指标均符合《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)的要求。表明用本发明的方法连续处理受硝酸盐污染的地下水是完全可行的。此外，由图4还可以看出，板框式固定化细胞膜生物反应器的最高负荷将近5. Og N03_-N/m2 ·(!，与文献报道的普通MBR反硝化脱氮负荷相当(Ergas S J, Rheinheimer D E. Drinking water denitrification using a membrane bioreactor. Water Research, 2004，38(14-15) : 3225 – 3232)，相当于公开专利 CN101786763A 报道的 3 倍。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种板框式固定化细胞膜生物反应器，其特征在于，最外层为两片盖板，中间部分由框与平板状固定化细胞依次排列组装而成，所述平板状固定化细胞由富集培养的反硝化细菌与聚乙烯醇溶液共混制得，所述框呈长方形，包括W框和C框，W框代表供地下水流通的框，C框代表供乙醇水溶液流通的框，所述中间部分至少包括两片平板状固定化细胞、两片 W框和一片C框，其中盖板、框和平板状固定化细胞的排列顺序为，盖板一W框一平板状固定化细胞一C框一平板状固定化细胞一W框一盖板，其中W框和C框下端和上端分别开设入口和出口，盖板和框的四周均开有螺栓孔。
2.根据权利要求1所述的板框式固定化细胞膜生物反应器，其特征在于，面向W框的平板状固定化细胞表面覆盖有微孔滤膜。
3.一种利用权利要求1或2所述的板框式固定化细胞膜生物反应器对地下水实施连续式反硝化脱氮的方法，其特征在于，把地下水从其贮槽输送至第一个W框下端的入口，地下水在W框内向上流动，从该W框另一侧上端的出口经导管流入下一个W框下端的入口，处理完的地下水从最后一个W框上端的出口排出；同时把乙醇水溶液从其贮槽输送到第一个 C框下端的入口，乙醇水溶液在C框内向上流动，从该C框另一侧上端出口经导管流入下一个C框下端的入口，并从最后一个C框上端的出口返回乙醇水溶液贮槽。
全文摘要
本发明公开一种板框式固定化细胞膜生物反应器，最外层为盖板，中间部分由框与平板状固定化细胞依次排列组装而成，所述框包括W框和C框，W框代表供地下水流通的框，C框代表供乙醇水溶液流通的框，其中盖板、框和平板状固定化细胞的排列顺序为，盖板—W框—平板状固定化细胞—C框—平板状固定化细胞—W框—盖板，其中W框和C框下端和上端分别开设入口和出口，盖板和框的四周均开有螺栓孔。本发明避免了空气中的氧气溶入反应器内的地下水和乙醇水溶液中，减小了溶解氧对反硝化脱氮产生的不利影响。同时，显著提高了单位体积内固定化胞的有效反应面积和单位体积的处理能力。此外，还实现了反硝化碳源的循环使用，减少了反硝化碳源的浪费。
文档编号C02F3/28GK102173509SQ201110062809
公开日2011年9月7日 申请日期2011年3月16日 优先权日2011年3月16日
发明者俞益峰, 刘勇弟, 史伟伟, 孟科伟, 张立辉, 曹国民, 盛梅 申请人:华东理工大学
