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培养周丛生物的方法及其装置

阅读：1020发布：2020-07-20

专利汇可以提供培养周丛生物的方法及其装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且培养周丛生物的方法及其装置培养周丛生物的方法：⑴．改性载体的制备：通过改性农业副产物，制备出一种更有利于周丛生物附着的载体；⑵.周丛生物的培养：通过浮阀控制水流，滴灌补给营养，使周丛生物培养槽中的营养满足微生物的生长的同时，带走周丛生物的次级代谢产物，从而使周丛生物能大量繁殖；⑶.关键环境条件的控制：通过控制周丛生物生长影响因素，实现高效培养周丛生物。本发明是自动控制进样，实现周丛生物培养与反应为一体的装置。本发明所选材料均可就地取材、成本低廉、效果显著，适合高效培养周丛生物，为推广周丛生物用于自然水体修复和农业面源污染控制，提供科学依据。，下面是培养周丛生物的方法及其装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种培养周丛生物的方法，其特征在于，步骤如下：
⑴．改性载体的制备：通过改性农业副产物，制备出一种更有利于周丛生物附着的载体；
⑵. 周丛生物的培养：通过浮阀控制水流，滴灌补给营养，使周丛生物培养槽中的营养满足微生物的生长的同时，带走周丛生物的次级代谢产物，从而使周丛生物能大量繁殖；
⑶．关键环境条件的控制：通过控制周丛生物生长影响因素，实现高效培养周丛生物。
2.根据权利要求1所述的培养周丛生物的方法，其特征在于，所述各步骤的具体操作方法是：
⑴．改性载体的制备：
将收集好农业副产物，用蒸馏水洗净表面污渍，放入烘箱85-105℃烘2h，50 -85℃烘
24h；然后各自切剪为相同尺寸，储存备用；
取1-5 kg预处理好的花生壳放入密闭玻璃箱内，加入蒸馏水，保持箱内湿度为
80-90%，在 20 - 40℃腐熟半年到一年；然后将腐熟花生壳放在室外，15 - 25℃自然烘干
1-2周；
⑵.周丛生物的培养：
取自然水体中的水放入培养槽，作为接种水源，用WC作为培养液，取腐熟好的农业固废为载体；用照明装置提供周丛生物生长所需光源；通过对角布点，上浮悬挂曝气，提供周丛生长所需要的氧气；投通过控制出水管的水流速度0.5-4ml/min，利用浮阀槽中的浮阀在水位中的浮力，自动实现滴速加入WC培养液；
⑶．关键环境条件的控制：
载体表面的物化性质，是能否顺利挂膜的关键因素；充足的光照是培养光合周丛生物的特定因素；充足的曝气，对培养异养自养结合的稳定周丛生物生态系统必不可少；低流速自动添加培养液，排出代谢产物，是既经济有合理的培养方式。
3.根据权利要求1所述的培养周丛生物的方法，其特征在于，步骤⑴中所述农业副产物，选自：花生壳、稻谷壳、豆壳，和/或芝麻秆。
4.根据权利要求1所述的培养周丛生物的方法，其特征在于，步骤⑵中所述WC溶液配方如下：
序号组份用量(mL/L) 母液浓度(g/L) 最终浓度(mM)
1 NaNO3 1 85.1 1
2 CaCl2·2H2O 1 36.76 0.25
3 MgSO4·7H2O 1 36.97 0.15
4 NaHCO3 1 12.6 0.15
5 NaSiO3·9H2O 1 28.42 0.1
6 K2HPO4 1 8.71 0.05
7 H3BO3 1 24 0.39
8 WC微量元素溶液 1 ※
9 VB12溶液 1 ※
10 硫胺素溶液 1 ※
11 生物素溶液 1 ※
。
5.根据权利要求4所述的培养周丛生物的方法，其特征在于，步骤⑵中所述微藻培养液中微量元素溶液母液配方为： Na2EDTA·2H2O 4.36g、FeCl3·6H2O 3.15g、CuSO4·5H2O
2.5g、ZnSO4·7H2O 22g、CoCl2·6H2O 10g、MnCl2·4H2O 180g、Na3VO4 18g、Na2MoO4 ·2H2O
6.3g、蒸馏水1 L；VB12溶液母液、硫胺素溶液母液和生物素溶液母液分别为27mg VB12、
67mg硫胺素和2400mg生物素分别溶于200mL HEPES缓冲液中；该HEPES缓冲液的组成是：
2.4g/200mL dH2O, pH7.8。
6.根据权利要求1所述的培养周丛生物的方法，其特征在于，步骤⑵中所述的照明装置是：采用2-8个12-18W LED灯作为光源。
7.根据权利要求1所述的培养周丛生物的方法，其特征在于，步骤⑵中所述的曝气装置，是采用对角线布点，上浮悬挂式曝气装置。
8.根据权利要求1-7之一所述的培养周丛生物的方法，其特征在于，步骤⑵中所述自动实现滴速加入WC培养液速度的控制是：在生长初期，选择低流速0.1-1.0 ml/min；生长期，控制流速为1.0-5.0 ml/min；稳定期，采用供液速度为1.0-8.0 ml/min。
9.权利要求1所述的培养周丛生物的方法所使用的培养周丛生物的装置，设有周丛生物培养槽，其特征在于，该周丛生物培养槽由透明材料制成，在该周丛生物培养槽上方，设有补充培养液用的WC母液池；该周丛生物培养槽下部设有排水管；在该周丛生物培养槽中设有载体，还设有照明机构与曝气机构。
10.权利要求1所述的培养周丛生物的方法所使用的培养周丛生物的装置，设有周丛生物培养槽，其特征在于，所述的WC母液池是通过送液管、阀门及集水池，向周丛生物培养槽补充培养液的；所述的阀门可以采用由浮阀控制的自动阀门；所述的照明机构采用设置在周丛生物培养槽侧面的LED灯；所述的曝气机构设有空气泵，该空气泵通过空气总管、空气支管及空气支管下端的曝气石，向周丛生物培养槽中的培养液进行曝气；在该周丛生物培养槽下部排水管的下方，还设有浮阀控制槽。

说明书全文

培养周丛生物的方法及其装置

技术领域

[0001] 本发明属于生态与环境保护领域，涉及农业废弃物处理处置与资源化领域，尤其涉及一种利用改性农业固废为载体高效培养周丛生物的方法，本发明还涉及周丛生物培养的系统装置。

背景技术

[0002] 目前中国农业副产物以5%~10%的速率增长，预计到2020年，将达到500万吨。我国农业固废利用途径，大致可分为以下几个方面：1、作为工业原料；2、作为畜牧业饲料；3、作为有机肥料；4、做农村生活能源；其余农业固废被闲置浪费或就地焚烧。对于无法被合理处置、利用的农业副产物，造成了严重环境危害。如何进一步合理的、充分的资源化利用这类农业固废，将其制作成生物质能源、化工原料、环境材料等，是可持续发展的需求。

[0003] 周丛生物是生长在淹水基质表面且在自然环境条件下形成的微生物聚集体及其交织的非生物物质的集合体。周丛生物在水生生态系统中广泛存在。周丛生物是养分被吸收利用固液相迁移的必经之地，对氮磷的迁移通量和形态转化具有决定性作用。而周丛生物是氮磷等物质交换、分配、转化与迁移等做出的重要载体。周丛生物还具有充当养分“临时库”的功能，可提高水生植物对养分的利用率。

[0004] 目前周丛生物（或类似的自然生物膜）培养的专利申请量日益增加如：一种利用刮食性鱼类和周丛生物联合控制湖泊富营养化的方法（专利公开号： CN103663672A ）本发明利用周从生物对水体氮磷的高吸收率的特点，通过设置人工基质，加大水体中周丛生物的生物量，利用其可以刮食各种基质上周丛生物的食性特点，提高水体的渔产力，同时也可降低水体中氮磷营养物质的浓度。该发明的不足之处在于：人工基质选择的局限性和没有全面考虑周丛生物生长的各种生长因子，从而未能最大化的提高周丛生物的生物量。

[0005] 虾塘养殖生物膜带水质净化装置（专利公开号：CN201678525U ）本实用新型公开了一种虾塘养殖生物膜带水质净化装置，由生物膜带和增氧设备组成。在虾塘池体内设置适量的生物膜带，使生物膜带浸入水体中。生物膜带可大大增加微生物的生物量，通过微生物的分解吸收作用去除水中污染物。增氧设备为虾类提供氧气，同时也可以为微生物提供氧气，促进微生物的新陈代谢，提高微生物对污染物的分解效率。该发明的不足之处在于：生物膜的生物带是不可降解的材料，后续处理不环保，可能产生二次污染物。

[0006] 河道水质治理生物膜带净化装置（专利公开号： CN201809226U）该实用新型公开了一种河道水质治理生物膜带净化装置，在河道内安装生物膜带，发展出生物量巨大、物种丰富的微生物群落，通过微生物对污染物的吸收和分解作用，迅速恢复水体生态平衡和持续净化水质，发展水体中的生物多样性。该发明的不足之处主要在于：生物膜的生物带是不可降解的材料，长期使用会释放有毒有害物质。

[0007] 一种新型生物膜接触填料（专利公开号：CN104192991A）本发明公开一种新型生物膜接触填料，至少包括两层生物膜，每层生物膜上具有多条倾斜设置的流道，各流道连续相连使生物膜形成波浪状，以及各流道的两侧均设有凹凸槽；相邻两层生物膜上下堆叠，并且相邻两层生物膜之间的流道交叉设置；该发明的不足之处在于：该发明培养的生物膜以异氧微生物为主，生物量小，微生物群落结构单一；此外，所选用的载体不环保，易产生二次污染。

[0008] 一种周丛生物培养装置（专利公开号：CN204251619U ）本实用新型提供的周丛生物培养装置，从基质、光照、水质、流速等方面模拟周丛生物的生长条件，实现周丛生物的室内培养。该实用新型装置选用的载体为高分子载体。该发明的不足之处在于：载体本身不能给周丛生物生长提供营养物质，所以培育出的周丛生物，其有生物量小、群落结构不稳定。

[0009] 周丛生物生长的影响因子主要分为三大类：1、环境因子：碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水等；2、载体表面物化性质：孔隙率、比表面积、表面电荷等；3、培养方式：间歇培养、连续培养、布水方式、曝气方式等。

[0010] 目前国外选用周丛生物培养载体主要分为：1、自然界天然载体，底泥、岩石、枯木等；2、人工无机载体；陶粒、煤渣、石英砂、载玻片等；3、高分子载体：弹性填料、PVC管、过滤棉等。

[0011] 综上所述，目前周丛生物的培养方法主要存在以下几点不足，一是使用的材料不环保，长期使用会产生有毒有害物质，或者使用的天然材料容易被降解，造成使用寿命比较短；二是一些比表面积比较小的材料，培养的周丛生物群落结构单一，且性质不稳定，易造成脱落的现象，造成周丛生物生物量不高，活性不强，不能满足工程需求；三是，设计的培养装置不能同时促进自养和异氧微生物的同步共生，也不能形成稳定和多功能的微生物群落，更无法形成稳态的微型生态系统。因此，如何高效快速培养生物量大，群落结构稳定的周丛生物，是该本发明立足点。

发明内容

[0012] 本发明的目的在于解决现有技术的不足：提供一种利用周丛生物培养方法及其装置。该发明可以培养自我生存和自我循环利用的生物量大、生物群落结构复杂的周丛生物的方法。该方法一方面以廉价、易实现、环境友好的方式回收了农业固废，实现了环境和经济利益的增加；另一方面，该方法通过控制周丛生物生长影响因子，高效培养出了生物量大、群落结构稳定的周丛生物，为农业固废回田和控制面源污染染提供经济技术支持。以高效培养生物量大、群落结构复杂周丛生物为目标，本发明采用改性农业固废作为周丛生物生长的载体为工作思路，依据周丛生物生长受载体物化性质、环境因子和培养方式的影响进行设计。总体而言，本发明的优势在于：是一种低成本、灵活、易操作，环保的高效培养周丛生物的方法，培养的周丛生物具有生物量大、活性高、组成结构复杂、生态功能强的特点。

[0013] 完成上述发明任务的技术方案是，一种培养周丛生物的方法，其特征在于，步骤如下：⑴．改性载体的制备：通过改性农业副产物（固体废料），制备出一种更有利于周丛生物附着的载体；
⑵. 周丛生物的培养：通过浮阀控制水流，滴灌补给营养，使周丛生物培养槽中的营养满足微生物的生长的同时，带走周丛生物的次级代谢产物，从而使周丛生物能大量繁殖；
⑶．关键环境条件的控制：通过控制周丛生物生长影响因素，实现高效培养周丛生物。

[0014] 进一步改进，本发明所述周丛生物的高效培养方法中，上述各步骤的具体操作方法是：⑴. 改性载体的制备：
将收集好农副产物，如花生壳、稻谷壳、豆壳，芝麻秆，用蒸馏水洗净表面污渍，放入烘箱85-105℃烘2h，50 -85℃烘24h。然后各自切剪为相同尺寸，储存备用；
取1-5 kg预处理好的花生壳放入密闭玻璃箱内，加入蒸馏水，保持箱内湿度为
80-90%，在 20 - 40℃腐熟半年到一年。然后将腐熟花生壳放在室外（15 - 25℃左右）自然烘干1-2周；
⑴.周丛生物的培养：
取自然水体中的水放入培养槽，作为接种水源。用WC作为培养液。取腐熟好的农业固废为载体。用照明装置提供周丛生物生长所需光源。通过曝气装置提供周丛生长所需要的氧气。投通过控制出水管的水流速度0.5-4ml/min，利用浮阀槽中的浮阀在水位中的浮力，自动实现滴速加入WC培养液；
⑶.关键环境条件的控制：
载体表面的物化性质，是能否顺利挂膜的关键因素；充足的光照是培养光合周丛生物的特定因素；充足的曝气，对培养异养自养结合的稳定周丛生物生态系统必不可少；低流速自动添加培养液，排出代谢产物，是既经济有合理的培养方式。

[0015] 步骤⑴中，实验表明农副产物-花生壳、稻谷壳、豆壳，芝麻杆含有大量的纤维素，这些大分子营养物质不易被微生物利用。通过初步腐熟，将大分子营养物质转变为小分子营养物质，同时这些腐熟后农业固废表面的物化性质也更有利于微生物的附着。

[0016] 步骤⑵中WC溶液配方如下：序号组份用量(mL/L) 母液浓度(g/L) 最终浓度(mM)
1 NaNO3 1 85.1 1
2 CaCl2·2H2O 1 36.76 0.25
3 MgSO4·7H2O 1 36.97 0.15
4 NaHCO3 1 12.6 0.15
5 NaSiO3·9H2O 1 28.42 0.1
6 K2HPO4 1 8.71 0.05
7 H3BO3 1 24 0.39
8 WC微量元素溶液1 ※
9 VB12溶液 1 ※
10 硫胺素溶液 1 ※
11 生物素溶液 1 ※
※其中WC（微藻培养液）微量元素溶液母液配方为： Na2EDTA·2H2O 4.36g、FeCl3·6H2O
3.15g、CuSO4·5H2O 2.5g、ZnSO4·7H2O 22g、CoCl2·6H2O 10g、MnCl2·4H2O 180g、Na3VO4 18g、Na2MoO4 ·2H2O 6.3g、蒸馏水1 L；VB12溶液母液、硫胺素溶液母液和生物素溶液母液分别为
27mg VB12、67mg硫胺素和2400mg生物素分别溶于200mL HEPES缓冲液（2.4g/200mL dH2O, pH7.8）中。

[0017] 步骤⑵中充足的光源是自养微生物生长繁殖必不可少的影响因子，实现采用的 LED灯个数根据设计尺寸选择。适当的氧气是培养异氧微生物生长繁殖必不可少的影响因子，可采用曝气装置类型和曝气头铺设形式补充氧气，根据设计经验，对角线曝气是提高氧气利用率最好的方式。本设计，前期曝气维持水体中的溶解氧在7-8 mg/L之间，后期由于自养微生物的大量繁殖，会产生氧气，所以可以适当的减少曝气速率，维持培养槽中的溶解氧在7mg/L左右。此生长条件下，有利于形成自养异氧微生物相结合的多级食物链周丛生物，从而形成稳态的微型生态系统。

[0018] 步骤⑵中，根据设计经验浮阀自动控制进样速度的控制，在生长初期（0-7d）周丛生物处于适应期，其需要的营养较少，选择低流速0.1-1.0 ml/min左右，生长期（7-21d）周丛生物进入对数生长期，需要大量的营养物质，控制流速为1.0-5.0 ml/min左右，稳定期（21d-）周丛生物处于生长速率与衰亡速率相平衡，此时生长的最大限制因子为营养物质的供给，所以采用供液速度为1.0-8.0 ml/min左右。

[0019] 完成本申请第2个发明任务的技术方案是，上述方法所使用的培养周丛生物的装置，设有周丛生物培养槽，其特征在于，该周丛生物培养槽由透明材料制成，在该周丛生物培养槽上方，设有补充培养液用的WC母液池；该周丛生物培养槽下部设有排水管；在该周丛生物培养槽中设有载体，还设有照明机构与曝气机构。

[0020] 上述培养周丛生物的装置的进一步改进，有以下优化方案：所述的WC母液池是通过送液管、阀门及集水池，向周丛生物培养槽补充培养液的；
所述的阀门可以采用由浮阀控制的自动阀门；
所述的照明机构采用设置在周丛生物培养槽侧面的LED灯；
所述的曝气机构设有空气泵，该空气泵通过空气总管、空气支管及空气支管下端的曝气石，向周丛生物培养槽中的培养液进行曝气；
在该周丛生物培养槽下部排水管的下方，还设有浮阀控制槽。

[0021] 本发明方法的灵活性在于：1、可以依据规模的大小，设计培养装置；
2、可根据周丛生物生长周期自动填加培养液，包括添加的量和频次；
3、改性农业固废为载体，改性后不易降解，可延长载体的使用寿命，且保证了使用过程中的环保要求
本发明实现了一种新型用农业固废培养周丛生物的方法。通过改性农业固废，使其表面的物化性质更有利于微生物富集，从而实现高效大量培养周丛生物的方面的同时，为循环在利用农业固废提供新的途径。本发明设计的装置是自动控制进样，实现周丛生物培养与反应为一体的装置。本发明所选材料均可就地取材、成本低廉、效果显著，适合高效培养周丛生物，为推广周丛生物用于自然水体修复和农业面源污染控制，提供科学依据。
附图说明

[0022] 图1为周丛生物培养装置设计图；图2为不同载体上生长的周丛生物生物量比较图。

具体实施方式

[0023] 下面结合图1，详述本发明的技术方案。其中，WC母液池1，集水池2，培养槽3，浮阀控制槽4，空气泵5，流量计6，LED灯7，空气支管8，曝气石9，载体10，浮阀11，阀门12，送液管13，排空管14，排水管15，空气总管16。

[0024] 一种低成本、灵活、易操作高效培养周丛生物方法，其特征在于包括如下步骤：⑴. 周丛生物培养载体的改性：选用经过预处理的花生壳花生壳进行腐熟。

[0025] 周丛生物培养装置。主体装置由石英玻璃制成：WC母液池、浮阀槽、培养槽、出水槽；配件结构：空气泵和流量计、LED灯（18W，H=280mm）、空气总管（φ=5mm）、空气支管（φ=2mm）、排水管（φ=5mm）、排空管（φ=5mm）、曝气石（D=21，H=47m）（图1）。

[0026] ⑵. 周丛生物的富集：关闭排水阀件，往培养槽中加入载体和接种水；通过控制排水管流速，实现浮阀槽中浮法自动实现滴速加入WC培养液进入培养槽。

[0027] ⑶.周丛生物培养条件的控制：用LED灯提供周丛生物生长所需光源；采用空气泵曝气提供氧气，维持温度为20-30℃条件下高效培养群落结构复杂的周丛生物。

[0028] ⑷.实施例1，参照图2。

[0029] 取南京市玄武湖的水15L放入培养槽，作为接种水源。在WC母液槽（D=300mm，H=500mm）中配置4L 培养液。加入制备好的载体腐熟花生壳（1.5cm × 0.4cm × 0.15cm），以江苏无锡购买的陶粒为对照。用6个18 W LED灯提供周丛生物生长所需光源。通过对角布点，上浮悬挂曝气，提供周丛生长所需要的氧气，培养过程中维持水体中溶解氧为7mg/L左右。通过控制出水管的流速，利用浮阀槽（200mm × 150mm × 400mm）中水位下降，浮阀打开，进行加液；浮阀槽中水位上升，浮阀关闭，停止加液这一特征自动控制营养液投加。培养第一周，投加速度为 0.5 ml/min，第二、三周保持2 ml/min的加液速度，第四周以后始终维持4 ml/min 的加液速度。通过控制出水管的水流速度(3ml/min)，利用浮阀槽中的浮阀在水位中的浮力，自动实现滴速加入WC培养液。

[0030] 检测结果显示3天后，放入腐熟花生壳为载体的培养槽中（1000mm × 500mm ×400mm）水体变绿；5天后，放入花生壳载体的培养槽中水体变绿；7天后，放入人工载体陶粒
2
的培养槽中水体逐渐变绿；相比人工载体生物量11±0.26 mg/cm，农业固废花生壳、腐熟
2 2
发生壳载体的生物量大幅度提高，分别为102±11.1 mg/cm，136±28.2 mg/cm。

[0031] 上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围。

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