模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化菌富集系统.pdf

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1、(10)授权公告号 CN 101735947 B (45)授权公告日 2013.02.06 CN 101735947 B *CN101735947B* (21)申请号 200910155264.3 (22)申请日 2009.12.10 C12M 1/36(2006.01) C12M 1/00(2006.01) (73)专利权人浙江大学地址 310027 浙江省杭州市浙大路 38 号 (72)发明人胡宝兰沈李东郑平陈建伟余燚张吉强陈小光 (74)专利代理机构杭州求是专利事务所有限公司 33200 代理人张法高 (54) 发明名称模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化菌富集系统 (。

2、57) 摘要本发明公开了一种模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化菌富集系统。它包括进水箱、蠕动泵、时控器、反应器主体、喷头、土柱、带孔圆盘、支架、排水管、沉淀区、排泥管、填料层、取泥口、圆盘圆孔、喷头圆孔，反应器主体下部设有支架，反应器主体从上到下依次设有喷头、土柱、带孔圆盘、填料层、沉淀区，反应器主体底部设有排水管、排泥管，在反应器主体放土柱的侧壁上设多个取泥口，喷头上端与蠕动泵、进水箱依次连接，蠕动泵与时控器连接。本发明的优点： 1)取相应深度土层于土柱中，建立模拟自然环境的土柱，有利于土壤中厌氧氨氧化菌的富集；。

3、2) 时控组件实现了反应器间歇进水； 3) 此富集系统完全模拟原生态，可富集土壤生态系统中的厌氧氨氧化菌。 (51)Int.Cl. 审查员唐慧权利要求书 1 页说明书 3 页附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利权利要求书 1 页说明书 3 页附图 2 页 1/1 页 2 1. 一种模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化菌富集系统，其特征在于包括进水箱 (1)、蠕动泵 (2)、时控器 (3)、反应器主体 (4)、喷头 (5)、土柱 (6)、带孔圆盘 (7)、支架 (8)、排水管 (9)、沉淀区 (10)、排泥管 (11)、填料。

4、层 (12)、取泥口 (13)、圆盘圆孔 (14)、喷头圆孔 (15)，反应器主体 (4) 下部设有支架 (8)，反应器主体 (4) 内从上到下依次设有喷头 (5)、土柱 (6)、带孔圆盘 (7)、填料层 (12)、沉淀区 (10)，反应器主体 (4) 底部设有排水管 (9)、排泥管 (11)，在反应器主体 (4) 放土柱 (6) 的侧壁上设多个取泥口 (13)，喷头 (5) 上端与蠕动泵 (2)、进水箱 (1) 依次连接，蠕动泵 (2) 与时控器 (3) 连接；所述的填料层 (12) 为不同大小形状的鹅卵石，粒径为 10 40mm ；所述的圆盘 (7)。

5、的直径与反应器内径相同，圆盘内均匀分布孔径为 3 5mm 的小孔 (14)。 2. 根据权利要求 1 所述的一种模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化菌富集系统，其特征在于所述的土柱 (6) 与填料层 (12) 的体积比为 5.5 6 1。 3. 根据权利要求 1 所述的一种模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化菌富集系统，其特征在于所述的沉淀区 (10) 为锥形，沉淀区 (10) 与反应器主体 (4) 的体积比 5 6。 4. 根据权利要求 1 所述的一种模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化菌富集系统，其特征在于所述的多个取泥口 (13) 的间距为 8 9cm。 5. 根据权利要求 1 所述的一种模。

6、拟自然环境的土壤厌氧氨氧化菌富集系统，其特征在于所述的时控器 (3) 通过编程控制蠕动泵 (2) 的定时通断电，使蠕动泵每隔 3 3.2h 进一次水，每次进水时间 2 3min。 6. 根据权利要求 1 所述的一种模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化富集系统，其特征在于所述的喷头 (5) 的直径与反应器内径相同，喷头布满喷嘴 (15)，喷嘴直径为 1 2mm。 7. 根据权利要求 1 所述的一种模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化富集系统，其特征在于所述的反应器主体 (4) 的高径比为： 4 5 1。 8. 根据权利要求 1 所述的一种模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化富集系统，其特征在于。

7、所述的土柱 (6) 为水稻田的土壤。权利要求书 CN 101735947 B 2 1/3 页 3 模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化菌富集系统技术领域 0001 本发明涉及一种模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化菌富集系统。背景技术 0002 厌氧氨氧化(Anaerobic ammonia oxidation， Anammox)是指在厌氧条件下氨氮与亚硝酸氮反应，生成氮气的过程。从电子供体的角度看，厌氧氨氧化是一个氨的氧化反应，类似于硝化作用；但从电子受体的角度看，厌氧氨氧化则是一个亚硝酸盐的还原反应，类似于反硝化作用。也就是说厌氧氨氧化既可以算是硝化作用，也可以算是反。

8、硝化作用，在氮素循环中同时介入了硝化作用和反硝化作用中，改变了传统的硝化 - 反硝化氮循环模式。厌氧氨氧化作用的发现给微生物氮循环增加了新的内容。厌氧氨氧化最早是在人工废水处理系统中发现的，但厌氧氨氧化反应也普遍存在于自然生态系统中，如在海洋生态系统，湖泊沉积物、河口沉积物、土壤地下水处理系统等生态系统中都检测到了厌氧氨氧化活性，并被证实具有重要作用。厌氧氨氧化在全球氮素循环中所起的贡献不容忽视。 0003 土壤氮循环是全球氮循环的一个重要组成部分。其氮素转化过程对全球氮循环具有巨大的影响。在土壤生态系统中具有缺氧和厌氧层、有氧和缺氧的交界面，从发生厌氧氨。

9、氧化的条件看，是发生厌氧氨氧化的适合环境，但对于土壤氮素循环中厌氧氨氧化的报道却很少。在海洋生态系统中，厌氧氨氧化对氮循环的贡献可达 30-50，但在土壤生态系统中，由于厌氧氨氧化反应的介入而引起的传统土壤硝化 - 反硝化作用氮循环模式的改变以及各个环节在土壤氮循环中所起的贡献都未见报道。因此探明土壤厌氧氨氧化过程，对于完善土壤氮素循环模式及至全球氮素循环模式都具有重要的意义。 0004 本发明通过模拟自然土壤生态系统，建立土壤厌氧氨氧化菌富集系统，富集土壤厌氧氨氧化菌，扩大厌氧氨氧化菌的种群范围，为深入研究厌氧氨氧化菌及其在土壤氮素循环中的贡献和进一步开发厌。

10、氧氨氧化工艺奠定良好的基础。发明内容 0005 本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化菌富集系统。 0006 模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化菌富集系统包括进水箱、蠕动泵、时控器、反应器主体、喷头、土柱、带孔圆盘、支架、排水管、沉淀区、排泥管、填料层、取泥口、圆盘圆孔、喷头圆孔，反应器主体下部设有支架，反应器主体内从上到下依次设有喷头、土柱、带孔圆盘、填料层、沉淀区，反应器主体底部设有排水管、排泥管，在反应器主体放土柱的侧壁上设多个取泥口，喷头上端与蠕动泵、进水箱依次连接，蠕动泵与时控器连接。 000。

11、7 所述的填料层为不同大小形状的鹅卵石，粒径为1040mm。所述的土柱与填料层的体积比为 5.5 6 1。所述的沉淀区为锥形，沉淀区与反应器主体的体积比 5 6。所述的圆盘的直径与反应器内径相同，圆盘内均匀分布孔径为 3 5mm 的小孔。所述的多个取泥口的间距为89cm。所述的时控器通过编程控制蠕动泵的定时通断电，使蠕动泵每说明书 CN 101735947 B 3 2/3 页 4 隔 3 3.2h 进一次水，每次进水时间 2 3min。所述的喷头的直径与反应器内径相同，喷头布满喷嘴，喷嘴直径为 1 2mm。所述的反应器主体的高径比为： 4 5 1。所述的土柱。

12、为水稻田的土壤。 0008 本发明与现有技术相比具有的有益效果： 1) 反应器主体呈柱状，取相应深度土层于反应器中，建立模拟自然环境的土柱，维持土壤原生态系统，保证了土壤菌群结构的原始存在状态，有利于土壤中厌氧氨氧化菌的富集； 2) 反应器填料层的设置，可有效防止反应内水流的堵塞和土壤的大量流失，具有较好的生物持留能力，并可起到支撑作用； 3) 土柱层和填料层间带孔的带孔隔板可有效阻隔土壤，减少土壤的流失，并使土柱层的水顺利下流； 4) 时控设备实现了反应器的间歇性进水，其瞬时产生较大的水压可使其连接的喷淋设备产生大量小水滴，实现了反应器内均匀布水。

13、； 5) 此富集系统完全模拟原生态，可富集土壤生态系统中的厌氧氨氧化菌，扩大厌氧氨氧化菌的种群范围，可为深入研究土壤厌氧氨氧化作用及其在土壤氮素循环中的贡献奠定良好的基础。附图说明 0009 图 1 是模拟天然环境的土壤厌氧氨氧化富集系统结构示意图； 0010 图 2 是本发明的带孔圆盘结构示意图； 0011 图 3 是本发明的喷头结构示意图； 0012 图中：进水箱 1、蠕动泵 2、时控器 3、反应器主体 4、喷头 5、土柱 6、带孔圆盘 7、支架 8、排水管 9、沉淀区 10、排泥管 11、填料层 12、取泥口 13、圆盘圆孔 14、喷头。

14、圆孔 15。具体实施方式 0013 如附图所示模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化菌富集系统包括进水箱 1、蠕动泵 2、时控器3、反应器主体4、喷头5、土柱6、带孔圆盘7、支架8、排水管9、沉淀区10、排泥管11、填料层12、取泥口13、圆盘圆孔14、喷头圆孔15，反应器主体4下部设有支架8，反应器主体 4 内从上到下依次设有喷头 5、土柱 6、带孔圆盘 7、填料层 12、沉淀区 10，反应器主体 4 底部设有排水管 9、排泥管 11，在反应器主体 4 放土柱 6 的侧壁上设多个取泥口 13，喷头 5 上端与蠕动泵 2、进水箱 1 依次连接，蠕。

15、动泵 2 与时控器 3 连接。 0014 所述的填料层 12 为不同大小形状的鹅卵石，粒径为 10 40mm。所述的土柱 6 与填料层 12 的体积比为 5.5 6 1。所述的沉淀区 10 为锥形，沉淀区 10 与反应器主体 4 的体积比 5 6。所述的圆盘 7 的直径与反应器内径相同，圆盘内均匀分布孔径为 3 5mm 的小孔 14。所述的多个取泥口 13 的间距为 8 9cm。所述的时控器 3 通过编程控制蠕动泵 2 的定时通断电，使蠕动泵每隔 3 3.2h 进一次水，每次进水时间 2 3min。所述的喷头 5 的直径与反应器内径相同，喷头布满喷嘴 15，喷嘴直径为 1 。

16、2mm。所述的反应器主体 4 的高径比为：所述的土柱 6 为水稻田的土壤。 0015 本发明反应器主体由有机玻璃制成，外形呈圆筒状。反应器主体内从上到下依次设有喷头、土柱、带孔圆盘、填料层、沉淀区。在土柱上部预留一定空间，用于暂时积存进水。土柱层填充了不同深度的土层，维持土壤原生态系统，保证土壤菌群结构的原始存在状态，有利于土壤中厌氧氨氧化菌的富集；填料层填充不同大小形状的鹅卵石，可有效防止反应内水流的堵塞和土壤的大量流失，起到过滤和支撑作用，保证了反应器具有较好的生物持说明书 CN 101735947 B 4 3/3 页 5 留能力。反应器主。

17、体底部设有沉淀区，可以沉淀运行初期上部带出的部分土壤，防止了出水管的堵塞，沉淀区沉积的过多土壤，可从反应器底部的排泥管排出。并以天然湖水作为进水，人为向其添加适量氨氮、亚硝氮和硝氮，目的是加快土壤厌氧氨氧化菌的富集。通过时控器设置的命令控制蠕动泵实现反应器内间歇进水。进水经喷淋装置后形成大量小水滴，均匀洒布于反应器土层表面。水体在土柱中慢慢下渗，经带圆孔的圆盘后进入填料层，部分被带出的土壤可被填料所拦截，水体则继续下流，经出水管流出。整个富集系统实现了间歇运行。说明书 CN 101735947 B 5 1/2 页 6 图 1 说明书附图 CN 101735947 B 6 2/2 页 7 图 2 图 3 说明书附图 CN 101735947 B 7 。

摘要
申请专利号：	CN200910155264.3	申请日：	20091210
公开号：	CN101735947B	公开日：	20130206
当前法律状态：		有效性：	有效
法律详情：
IPC分类号：	C12M1/36,C12M1/00	主分类号：	C12M1/36,C12M1/00
申请人：	浙江大学
发明人：	胡宝兰,沈李东,郑平,陈建伟,余燚,张吉强,陈小光
地址：	310027 浙江省杭州市浙大路38号
优先权：	CN200910155264A
专利代理机构：	杭州求是专利事务所有限公司	代理人：	张法高
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内容摘要

本发明公开了一种模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化菌富集系统。它包括进水箱、蠕动泵、时控器、反应器主体、喷头、土柱、带孔圆盘、支架、排水管、沉淀区、排泥管、填料层、取泥口、圆盘圆孔、喷头圆孔，反应器主体下部设有支架，反应器主体从上到下依次设有喷头、土柱、带孔圆盘、填料层、沉淀区，反应器主体底部设有排水管、排泥管，在反应器主体放土柱的侧壁上设多个取泥口，喷头上端与蠕动泵、进水箱依次连接，蠕动泵与时控器连接。本发明的优点：1)取相应深度土层于土柱中，建立模拟自然环境的土柱，有利于土壤中厌氧氨氧化菌的富集；2)时控组件实现了反应器间歇进水；3)此富集系统完全模拟原生态，可富集土壤生态系统中的厌氧氨氧化菌。

权利要求书

1.一种模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化菌富集系统，其特征在于包括进水箱(1)、蠕动泵(2)、时控器(3)、反应器主体(4)、喷头(5)、土柱(6)、带孔圆盘(7)、支架(8)、排水管(9)、沉淀区(10)、排泥管(11)、填料层(12)、取泥口(13)、圆盘圆孔(14)、喷头圆孔(15)，反应器主体(4)下部设有支架(8)，反应器主体(4)内从上到下依次设有喷头(5)、土柱(6)、带孔圆盘(7)、填料层(12)、沉淀区(10)，反应器主体(4)底部设有排水管(9)、排泥管(11)，在反应器主体(4)放土柱(6)的侧壁上设多个取泥口(13)，喷头(5)上端与蠕动泵(2)、进水箱(1)依次连接，蠕动泵(2)与时控器(3)连接；所述的填料层(12)为不同大小形状的鹅卵石，粒径为10～40mm；所述的圆盘(7)的直径与反应器内径相同，圆盘内均匀分布孔径为3～5mm的小孔(14)。 2.根据权利要求1所述的一种模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化菌富集系统，其特征在于所述的土柱(6)与填料层(12)的体积比为5.5～6∶1。 3.根据权利要求1所述的一种模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化菌富集系统，其特征在于所述的沉淀区(10)为锥形，沉淀区(10)与反应器主体(4)的体积比5～6％。 4.根据权利要求1所述的一种模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化菌富集系统，其特征在于所述的多个取泥口(13)的间距为8～9cm。 5.根据权利要求1所述的一种模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化菌富集系统，其特征在于所述的时控器(3)通过编程控制蠕动泵(2)的定时通断电，使蠕动泵每隔3～3.2h进一次水，每次进水时间2～3min。 6.根据权利要求1所述的一种模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化富集系统，其特征在于所述的喷头(5)的直径与反应器内径相同，喷头布满喷嘴(15)，喷嘴直径为1～2mm。 7.根据权利要求1所述的一种模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化富集系统，其特征在于所述的反应器主体(4)的高径比为：4～5∶1。 8.根据权利要求1所述的一种模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化富集系统，其特征在于所述的土柱(6)为水稻田的土壤。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化菌富集系统。

背景技术

厌氧氨氧化(Anaerobic ammonia oxidation，Anammox)是指在厌氧条件下氨氮与亚硝酸氮反应，生成氮气的过程。从电子供体的角度看，厌氧氨氧化是一个氨的氧化反应，类似于硝化作用；但从电子受体的角度看，厌氧氨氧化则是一个亚硝酸盐的还原反应，类似于反硝化作用。也就是说厌氧氨氧化既可以算是硝化作用，也可以算是反硝化作用，在氮素循环中同时介入了硝化作用和反硝化作用中，改变了传统的硝化-反硝化氮循环模式。厌氧氨氧化作用的发现给微生物氮循环增加了新的内容。厌氧氨氧化最早是在人工废水处理系统中发现的，但厌氧氨氧化反应也普遍存在于自然生态系统中，如在海洋生态系统，湖泊沉积物、河口沉积物、土壤地下水处理系统等生态系统中都检测到了厌氧氨氧化活性，并被证实具有重要作用。厌氧氨氧化在全球氮素循环中所起的贡献不容忽视。

土壤氮循环是全球氮循环的一个重要组成部分。其氮素转化过程对全球氮循环具有巨大的影响。在土壤生态系统中具有缺氧和厌氧层、有氧和缺氧的交界面，从发生厌氧氨氧化的条件看，是发生厌氧氨氧化的适合环境，但对于土壤氮素循环中厌氧氨氧化的报道却很少。在海洋生态系统中，厌氧氨氧化对氮循环的贡献可达30-50％，但在土壤生态系统中，由于厌氧氨氧化反应的介入而引起的传统土壤硝化-反硝化作用氮循环模式的改变以及各个环节在土壤氮循环中所起的贡献都未见报道。因此探明土壤厌氧氨氧化过程，对于完善土壤氮素循环模式及至全球氮素循环模式都具有重要的意义。

本发明通过模拟自然土壤生态系统，建立土壤厌氧氨氧化菌富集系统，富集土壤厌氧氨氧化菌，扩大厌氧氨氧化菌的种群范围，为深入研究厌氧氨氧化菌及其在土壤氮素循环中的贡献和进一步开发厌氧氨氧化工艺奠定良好的基础。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化菌富集系统。

模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化菌富集系统包括进水箱、蠕动泵、时控器、反应器主体、喷头、土柱、带孔圆盘、支架、排水管、沉淀区、排泥管、填料层、取泥口、圆盘圆孔、喷头圆孔，反应器主体下部设有支架，反应器主体内从上到下依次设有喷头、土柱、带孔圆盘、填料层、沉淀区，反应器主体底部设有排水管、排泥管，在反应器主体放土柱的侧壁上设多个取泥口，喷头上端与蠕动泵、进水箱依次连接，蠕动泵与时控器连接。

所述的填料层为不同大小形状的鹅卵石，粒径为10～40mm。所述的土柱与填料层的体积比为5.5～6∶1。所述的沉淀区为锥形，沉淀区与反应器主体的体积比5～6％。所述的圆盘的直径与反应器内径相同，圆盘内均匀分布孔径为3～ 5mm的小孔。所述的多个取泥口的间距为8～9cm。所述的时控器通过编程控制蠕动泵的定时通断电，使蠕动泵每隔3～3.2h进一次水，每次进水时间2～3min。所述的喷头的直径与反应器内径相同，喷头布满喷嘴，喷嘴直径为1～2mm。所述的反应器主体的高径比为：4～5∶1。所述的土柱为水稻田的土壤。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：1)反应器主体呈柱状，取相应深度土层于反应器中，建立模拟自然环境的土柱，维持土壤原生态系统，保证了土壤菌群结构的原始存在状态，有利于土壤中厌氧氨氧化菌的富集；2)反应器填料层的设置，可有效防止反应内水流的堵塞和土壤的大量流失，具有较好的生物持留能力，并可起到支撑作用；3)土柱层和填料层间带孔的带孔隔板可有效阻隔土壤，减少土壤的流失，并使土柱层的水顺利下流；4)时控设备实现了反应器的间歇性进水，其瞬时产生较大的水压可使其连接的喷淋设备产生大量小水滴，实现了反应器内均匀布水；5)此富集系统完全模拟原生态，可富集土壤生态系统中的厌氧氨氧化菌，扩大厌氧氨氧化菌的种群范围，可为深入研究土壤厌氧氨氧化作用及其在土壤氮素循环中的贡献奠定良好的基础。

附图说明

图1是模拟天然环境的土壤厌氧氨氧化富集系统结构示意图；

图2是本发明的带孔圆盘结构示意图；

图3是本发明的喷头结构示意图；

图中：进水箱1、蠕动泵2、时控器3、反应器主体4、喷头5、土柱6、带孔圆盘7、支架8、排水管9、沉淀区10、排泥管11、填料层12、取泥口13、圆盘圆孔14、喷头圆孔15。

具体实施方式

如附图所示模拟自然环境的土壤厌氧氨氧化菌富集系统包括进水箱1、蠕动泵2、时控器3、反应器主体4、喷头5、土柱6、带孔圆盘7、支架8、排水管 9、沉淀区10、排泥管11、填料层12、取泥口13、圆盘圆孔14、喷头圆孔15，反应器主体4下部设有支架8，反应器主体4内从上到下依次设有喷头5、土柱 6、带孔圆盘7、填料层12、沉淀区10，反应器主体4底部设有排水管9、排泥管11，在反应器主体4放土柱6的侧壁上设多个取泥口13，喷头5上端与蠕动泵2、进水箱1依次连接，蠕动泵2与时控器3连接。

所述的填料层12为不同大小形状的鹅卵石，粒径为10～40mm。所述的土柱6与填料层12的体积比为5.5～6∶1。所述的沉淀区10为锥形，沉淀区10 与反应器主体4的体积比5～6％。所述的圆盘7的直径与反应器内径相同，圆盘内均匀分布孔径为3～5mm的小孔14。所述的多个取泥口13的间距为8～ 9cm。所述的时控器3通过编程控制蠕动泵2的定时通断电，使蠕动泵每隔3～ 3.2h进一次水，每次进水时间2～3min。所述的喷头5的直径与反应器内径相同，喷头布满喷嘴15，喷嘴直径为1～2mm。所述的反应器主体4的高径比为：所述的土柱6为水稻田的土壤。

本发明反应器主体由有机玻璃制成，外形呈圆筒状。反应器主体内从上到下依次设有喷头、土柱、带孔圆盘、填料层、沉淀区。在土柱上部预留一定空间，用于暂时积存进水。土柱层填充了不同深度的土层，维持土壤原生态系统，保证土壤菌群结构的原始存在状态，有利于土壤中厌氧氨氧化菌的富集；填料层填充不同大小形状的鹅卵石，可有效防止反应内水流的堵塞和土壤的大量流失，起到过滤和支撑作用，保证了反应器具有较好的生物持留能力。反应器主体底部设有沉淀区，可以沉淀运行初期上部带出的部分土壤，防止了出水管的堵塞，沉淀区沉积的过多土壤，可从反应器底部的排泥管排出。并以天然湖水作为进水，人为向其添加适量氨氮、亚硝氮和硝氮，目的是加快土壤厌氧氨氧化菌的富集。通过时控器设置的命令控制蠕动泵实现反应器内间歇进水。进水经喷淋装置后形成大量小水滴，均匀洒布于反应器土层表面。水体在土柱中慢慢下渗，经带圆孔的圆盘后进入填料层，部分被带出的土壤可被填料所拦截，水体则继续下流，经出水管流出。整个富集系统实现了间歇运行。