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关键词： 四环素   上转换磷光粉   二氧化钛   周丛生物   光生物反应器  

摘要： 四环素(TC)由于具有造价低、广谱抗菌等诸多特点,在医药、农业和畜牧业中被大量使用,其环境残留所引发的污染问题也受到大量关注。由于四环素的分子结构特点,单一的微生物或光催化处理措施在实际水处理过程中效果不佳。充分利用微生物和光催化处理技术的优势,构建新型的四环素降解耦合技术并阐明其降解机制,是提高污水四环素降解效率的关键。本论文针对目前相关技术在废水四环素处理过程中的降解效率低、条件要求高等限制因素,制备了由上转换磷光粉驱动的复合材料(UCPs-TiO2),研究了周丛生物与复合材料对四环素耦合降解机制,并成功构建了基于复合材料与周丛生物的光生物反应器,实现了对污水中四环素的稳定、高效去除。主要研究结果如下:(1)制备了由上转换材料驱动的光催化复合材料(UCPs-TiO2),明确了周丛生物联合UCPs-TiO2对TC的去除机制。通过制备基底为Y2SiO5掺有Pr3+,Li+的上转换荧光粉(UCPs)来改性光催化剂TiO2,成功制备出光催化复合材料UCPs-TiO2,进一步的性能测试表明该材料在可见光下显示出良好的光催化性能。进一步将UCPs-TiO2与广泛用于废水处理的周丛生物结合,构建了 UCPs-TiO2与周丛生物对TC的耦合去除体系。在可见光条件下,周丛生物与UCPs-TiO2耦合体系对TC的去除率达到82.1%,比仅在周丛生物处理的去除率高35.2%,表明与UCPs-TiO2耦合能够大幅提高微生物处理措施对TC的降解效果。周丛生物的细胞外聚合物质(EPS)在耦合系统中TC的光催化降解中起着重要作用,低浓度EPS(10mg/L)可以通过充当电子传递介质来促进UCPs-TiO2产生羟基自由基,从而加速TC的光催化过程,显著提高了 TC的去除率(p<0.05)。然而,高浓度的EPS(80 mg/L)会通过消耗自由基来降低TC的去除率。(2)从生物学角度揭示了周丛生物在耦合体系去除四环素过程中对胁迫的响应机制。周丛生物能够通过分泌EPS抵御TC胁迫,但在耦合体系中周丛生物EPS含量显著降低,主要是由于UCPs-TiO2在可见光下产生的自由基会消耗EPS中蛋白质。周丛生物在TC-UCPs-TiO2复合作用下能够保持较好的生理活性,通过增强自身光合活性和超氧化物歧化酶(SOD)活性水平响应TC和UCPs-TiO2的暴露。在TC-UCPs-TiO2中,周丛生物为了适应环境,其群落结构也发生调整,形成的新的群落其对TC-UCPs-TiO2胁迫的适应能力更强。不仅如此,TC-UCPs-TiO2中周丛生物的抗性基因表达水平较低,表明其能在有效在降低水体中四环素含量的同时抑制抗性基因的表达,减少抗性基因转移的风险。因此,在与UCPs-TiO2耦合去除TC过程中,周丛生物通过其生理生态水平的响应,能够较好的适应胁迫,维持耦合体系的稳定、持续运行。(3)构建Biofilm-UCPs-TiO2光生物反应器,研究该反应器对含TC污水的净化效果。光生物反应器能显著降低水体中的TC含量,水力停留时间(HRT)和TC初始浓度对反应器的去除效率具有显著影响,随着HRT的增加其去除效率也在升高,当HRT增加为12小时时其去除效率达到85.86±2.12%(TC初始浓度5ppm)并维持稳定,而随着TC浓度的升高反应器的去除效率降低,其适合处理TC浓度较低(<10ppm)的污水。优化后Biofilm-UCPs-TiO2的光生物反应器在去除TC的同时能够同步去除氮、磷和COD等多种污染,尤其对废水中的磷有很好的去除效果。周丛生物在反应器中的四环素抗性基因表达程度不高,有利于控制抗生素抗性基因(ARG)水平转移引起的环境风险。群落分析表明光生物反应器中周丛生物群落组成发生显著变化,并证明了反应器中的周丛生物群落结构由UCPs-TiO2和TC共同影响。这项研究不仅提供了一种利用周丛生物与上转换光催化材料耦合高效去除废水中四环素的新方法,也进一步阐明了微生物聚集体与光催化过程的耦合机制,为实现废水中四环素高效、绿色、低成本的降解提供了新的思路,同时也为微生物-光催化技术在环境领域的发展和应用提供了理论支撑。

关键词： 厌氧膜生物反应器   正渗透   电化学氧化   氨氮  

摘要： 废水含有丰富有机物,回收其中的生物质能对于解决水体污染与能源危机具有重大意义。厌氧正渗透膜生物反应器（AnOMBR）可以有效截留微生物和出水中溶解性甲烷,生物质能回收效果好,但是氨氮去除效果不佳,引发关注。氨氮的电化学氧化可通过电极的直接氧化和间接氧化将氨氮转化为氮气,去除效率高、副产物少,但是需要高氯离子浓度环境条件。本论文耦合电化学氧化和AnOMBR,形成电化学氧化-厌氧正渗透膜生物反应器（EO-AnOMBR）,利用氯化钠作为正渗透汲取液,在汲取液侧利用涂覆钌铱锡三元氧化物涂层的钛金属网（Ti/RuO2-IrO2-SnO2电极）为阳极,SS306不锈钢网为阴极,原位提高氨氮去除效能,研究氨氮去除机制,探讨电化学氧化和厌氧正渗透膜生物反应器间耦合作用。本研究主要涉及以下两个方面:（1）考察不同参数条件对电化学氧化去除氨氮过程的影响,并讨论副产物余氯产生情况。实验结果表明,电流密度越大,氨氮去除越快、电流效率越高,余氯越多。极板间距越大,能耗越高,极板间距为5 mm时,平均能耗最低,为0.025 Wh/g（NH4+-N）。初始氯离子浓度越高,氨氮去除越快,电流效率越高,0.5 M NaCl时平均电流效率为61.12%。化合余氯最低点为“电化学折点”,该点处氨氮完全去除,副产物余氯最少。（2）考察并比较EO-AnOMBR和AnOMBR在膜通量、渗透情况、污染物去除、产气情况等方面性能。分析汲取液侧耦合电化学氧化对生物反应器原料液侧的影响。实验结果表明,EO-AnOMBR相比AnOMBR具有更好的出水水质,出水氨氮去除率平均可达97.9%（AnOMBR仅为70.4%）。在整个实验周期,EO-AnOMBR正渗透膜初始水通量提高约7.4%。反应器中电导率和pH均呈现增加趋势,挥发性脂肪酸含量变化趋势先增加后降低,且未在反应器内积累,说明被有效生物利用。EO-AnOMBR系统具有较高的污染物去除率,COD去除率平均达到94.8%,磷酸根去除率平均为99.6%,引入电场并未影响生物单元活性。EO-AnOMBR最高甲烷产量为0.25 L/gCOD。

关键词： 耦合系统   沼液处理   微藻   膜式光生物反应器   工艺评价  

摘要： 目前沼气厌氧发酵过程会产生大量含有有机物、氮、磷等污染物的沼液,未经处理的沼液如果随意排放,不但污染环境,同时也会导致资源浪费。利用沼液培养微藻既能用较低的生产成本获得有较高价值的微藻产品,又能实现对沼液的无害化和资源化。为此,本文设计了一种沼气厌氧发酵耦合膜式光生物反应器(Membrane photobioreactor,MPBR)培养微藻的系统。该系统将沼气厌氧发酵过程与微藻培养耦合起来,对沼液进行处理和循环利用的同时获得微藻产品,此外该系统还能提高沼气中甲烷浓度。本研究首先通过强化膜式光生物反应器耦合沼气厌氧发酵系统(以下简称耦合系统)中微藻的培养策略,提高微藻处理沼液效率及耦合系统中膜式光生物反应器与厌氧发酵罐的匹配性。其次考察沼液回流时耦合系统运行情况以及耦合系统对沼气甲烷纯度提升的效果。最后对耦合系统进行质量衡算和“能耗-环境-经济性”评价。主要研究成果如下:(1)构建了沼气厌氧发酵-膜式光生物反应器耦合系统,建立了膜式光生物反应器微藻培养的分阶段光照策略:0～24 h采用400μmol/m2·s光强,24～72 h采用500 μmol/m2·s光强,72～96 h采用600 μmol/m2.s光强。此光照策略下,小球藻***具有最佳生物量(0.73 g/L)和沼液氨氮去除率(90.1%)。此外,确定了厌氧发酵的水力停留时间(Hydraulic retention time,HRT)为40 d时,厌氧发酵产沼液速率与MPBR处理沼液效率能够较好匹配,MPBR中***具有最佳生物量(1.05 g/L)和沼液氨氮去除速率(21.3 mg/L·d)。(2)耦合系统中采用沼液经过微藻处理后回流的策略,即将处理后的沼液全部回流到厌氧发酵罐,降低沼液的排放量。研究结果显示,耦合系统中厌氧发酵的氨氮浓度、挥发性脂肪酸和粘度与对照组相比无明显变化,均维持在大约1200 mg/L、1600mg/L和40 mPa·s,日产沼气量仍维持1100 mL/L·d。经微藻处理后,沼液氨氮和磷酸盐去除率分别达到99.80%、99.50%,处理后沼液氨氮和磷酸盐浓度分别低于5 mg/L和0.5 mg/L。***获得了最佳生产速率(160.2 mg/L·d)和蛋白质含量(55.0%)。(3)进一步对厌氧发酵体系进行微生物种群分析,结果表明,Firmicutes中嗜氮细菌属(Peptostreptococcus、Peptoniphilus、Clostridium、Sporanaerobacter 和Tepidimicrobium)的相对丰度随着氨氮浓度增加而增大,从而会导致乙酸过量富集,抑制厌氧发酵产沼气。此外,产甲烷古菌受积累的高氨氮浓度的影响,未处理沼液回流组中氨氮耐受性较差的Methanosarcina的相对丰度(0.41%)与处理后沼液回流组(0.64%)相比有所减少,而氨氮耐受性较强的Methanobrevibacter的相对丰度(0.07%)与处理后沼液回流组(0.02%)相比有所增加。未处理沼液回流组中产甲烷古菌总体相对丰度呈下降趋势,导致厌氧发酵的甲烷产量下降。(4)对耦合系统中MPBR的超滤膜的运行情况进行了探究。系统运行到80 d时,MPBR跨膜压差的平均增长速率(0.26 kPa/d)低于普通的膜生物反应器(Membranebioreactor,MBR)(0.41 kPa/d)。MPBR 的总阻力(6.8×1012 m-1)小于MBR(9.4×1012 m-1),而且MBR的过滤通量只有MPBR的66.1%,说明MPBR相较于MBR可以有效缓解膜污染。(5)探究了耦合系统对于去除沼气中CO2从而提高CH4纯度的效果。结果表明,沼气/沼液(7.5 L/2 L)体积比有充足的沼液培养液和气体碳源(CO2),获得了最佳CH4提纯浓度(84.3%)。此外,含有40%(v/v)CH4的粗沼气能为微藻提供充足CO2,获得了最佳微藻生物量(1.27 g/L)和沼气CH4含量增长(29.9%)。通过不同工艺的利用微藻提纯沼气的效果对比,耦合系统具有优异的提纯沼气效率(7.49%/d)、氨氮(63.4 mg/L.d)和磷酸盐(5.52 mg/L·d)清除速率、微藻生产速率(292.5mg/L·d)。(6)通过对耦合系统进行质量衡算和经济性分析可知,MPBR中微藻能高效处理沼液氨氮(99.6%)和磷酸盐(99.8%),其处理1 m3/d沼液时的收益为241.07元。综合评价不同沼液处理工艺对系统“能量-环境-经济”指标的影响,微藻法除能耗稍高(139.31 MJ/ton),其经济性(38.99元/ton)和绿色度(0.440 gd/ton)都较出众,综合考虑时是较为优异的沼液处理方式。

摘要： 本发明属于污水处理设备技术领域,具体涉及一种板塔式好氧生物反应器。该反应器包括用于处理污水的罐体和罐体内部所设增溶装置。所述罐体,顶部敞口,罐体顶部设计有污水进水口,底部设有污水排水口;所述增溶装置,为一固定或可拆卸的置于罐体中部的架体,架体上设计有

关键词： 厌氧膜生物反应器   餐厨垃圾   剩余污泥   比产甲烷活性   微生物群落  

摘要： 随着人民生活质量及城市化水平的提高,我国每年产生的餐厨垃圾和剩余污泥也在逐渐增加。共发酵技术被认为是处理餐厨垃圾和剩余污泥的最佳方式,可有效缓解单一基质发酵存在的问题。常规厌氧发酵系统的处理效率和稳定性有所不足,会影响共发酵过程,而厌氧膜生物反应器(AnMBR)膜组件的高效截留作用实现了SRT与HRT的有效分离,达到提高污泥浓度、系统稳定性以及厌氧发酵效率的效果。因此,本研究通过共发酵连续实验、活性批次实验、膜阻力实验以及高通量测序,分析了不同负荷条件对厌氧膜生物发酵系统共消化处理餐厨垃圾(自配)和剩余污泥的效率、稳定性及动力学特性的影响,探究了不同阶段的微生物群落变化及其相关性,得到以下主要结论:(1)厌氧膜生物反应器稳定运行的有机负荷由3.2gCOD/L/d逐渐提升至12.9gCOD/L/d,相应的HRT由30天逐渐缩短至7.5天,运行过程产生的生物气体中甲烷含量一直保持在60%以上,系统内pH值为7.5～7.8,处于一个适宜的范围,运行过程一共更换4次膜组件,随着有机负荷的增加,dTMP/dt的值从最初的0.70kPa/d增长到之后的2.36kPa/d,膜污染速度加快,且以饼层污染为主。当有机负荷为9.7gCOD/L/d时,系统出现一定量挥发性脂肪酸(VFAs)的积累,浓度为0.454gCOD/L,以乙酸为主;有机负荷为12.9gCOD/L/d时,系统内部VFAs的浓度提升至2.09gCOD/L,以丙酸为主。有机负荷提升至19.4gCOD/L/d(对应的HRT为5天)时,系统内pH值在短短几天内下降至3.22,VFAs浓度高达6.1gCOD/L,反应系统崩溃。(2)厌氧膜生物反应器稳定运行过程中,有机物降解能力一直处于良好状态,COD、多糖以及蛋白质的去除率一直维持在90%以上,甲烷产率维持在0.21～0.27LCH/gCOD,甲烷产率在有机负荷为6.5gCOD/L/d时取得最大值,此时系统的产甲烷效能最好,COD利用率最高。(3)随着有机负荷从3.2gCOD/L/d提升至12.9gCOD/L/d,厌氧膜生物反应器对应的以乙酸为底物的比产甲烷活性由0.14gCH4-COD/VSS/d提高至0.924gCH4-COD/VSS/d,并且实验结果表明以乙酸为底物的比产甲烷活性均在8gCOD/L的浓度下取得最大值。以丙酸为底物的比产甲烷活性在有机负荷为9.7gCOD/L/d时取得最大值,比产甲烷活性为0.588gCH4-COD/VSS/d,有机负荷为12.9gCOD/L/d时以丙酸为底物的比产甲烷活性呈现下降趋势,此时系统出现大量以丙酸为主的VFAs积累。(4)从细菌层面来说,厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、变形菌门(Proteobacteria)占整个细菌群落的主要部分,是厌氧膜生物反应器各阶段细菌群落中的优势细菌。从古菌层面来说,反应器中各阶段主要以混合营养型的Methanosarcina为优势菌属,根据冗余分析,Methanosarcina与以丙酸为底物的比产甲烷活性呈正相关关系(r=0.74),与碱度呈显著正相关关系(r=0.85,p<0.05),说明本系统处理丙酸的能力与Methanosarcina的富集生长有关,提高系统中Methanosarcina的相对丰度或许一定程度上能够提升系统对丙酸的降解能力,此外,本系统运行过程的高碱度值可能是Methanosarcina成为优势菌属的原因之一。另一个在运行过程中变化趋势明显的氢营养型的Methanobacterium通过冗余分析发现其与HRT(r=0.960,p<0.01)、pH(r=0.959,p<0.01)呈显著正相关关系,说明它适合在较高pH的环境下生长,且较短的HRT会对其富集生长造成不利影响。

关键词： 特种化学品   电解器   试验设施   生物反应器   人工光合作用   二氧化碳   德国联邦   欧元  

摘要： 赢创工业集团和西门子共同宣布其联合研究项目Rheticus进入第二阶段,将建设一座高效试验工厂,利用由可再生能源生产的电力和细菌将二氧化碳和水转化为特种化学品。此前,两家公司耗时两年验证了利用生物反应器和电解器进行人工光合作用的技术可行性,顺利完成了第一阶段的相关工作。目前,赢创和西门子正在赢创德国马尔基地内,建设一座由生物反应器和电解器共同组成的试验设施。第二阶段的工作将持续至2021年,并将获得德国联邦教育及研究部(BMBF)约350万欧元的资金支持。

关键词： 生物反应器   生物合成  

摘要： 最近,中国农科院烟草所烟草功能成分与综合利用创新团队系统梳理了虾青素从头合成的生物资源及基因基础,并分析了虾青素合成基因利用和生物反应器开发现状。该团队从基因水平解析了代表性生物资源中虾青素合成酶的分子进化特征,揭示了原核生物与真核生物间虾青素合成方式差异的分子依据。

关键词： 生产制造过程   生物制药   微生物培养   工业生产   生物反应器   仪表产品   成套设备   植物细胞  

摘要： 生物制药涉及到从实验室(科研、数学)到大规模工业生产中的动物细胞——植物细胞、微生物培养所需的生物反应器,配制系统,浓缩纯化系统,物料转移系统以及相关的生物制药成套设备。为了保证生产制造过程中的顺利和准确,要求每个仪表产品都必须安全可靠、功能稳定。

关键词： MFC   生物反应器   气体质量流量控制器   发酵罐   二氧化碳   精确调节   研发实验室  

摘要： Biirkert公司的新一代874x系列气体质量流量控制器(MFC)可用于研发实验室生物反应器,可以校准多达四种不同的气体。通过借助本装置,用户可以根据各种菌类或微生物的需求精确调节空气、氧气、氮气或二氧化碳等常见发酵罐气体。

关键词： 环境工程学   生活污水   膜生物反应器   运行特性  

摘要： 以某研究院生活污水为处理对象,采用倒置A2O(缺氧-厌氧-好氧)工艺的一体式膜生物反应器(Membrane Bioreactor,MBR)考察了水力停留时间、回流比等重要参数对污染物去除效率的影响,并确定最佳工艺参数。在最佳工艺条件下,试验考察了工艺出水水质、氮元素存在形式及膜污染情况。结果表明,出水水质指标COD、BOD5、浊度、氨氮的平均去除率分别为87. 2%、96. 9%、97. 7%、99. 3%,最高出水质量浓度分别为47 mg/L、2. 2 mg/L、0. 37 NTU、2. 42 mg/L。MBR对总磷去除效率相对较低,出水TP质量浓度为1. 6~3. 9 mg/L(平均为2. 2 mg/L),平均去除率为58%,总磷的去除主要依靠投加PAC混凝剂实现。进、出水中氮主要以氨氮和硝态氮形态存在,出水中亚硝态氮质量浓度为0. 09mg/L;膜通量为7. 44 L/(m2·h)条件下,MBR的跨膜压差可通过在线化学清洗维持在9~18 k Pa,而通过离线化学清洗跨膜压差可恢复至6. 04 k Pa,明显低于稳定运行期的水平。一体式膜生物反应器具有抗冲击负荷、能耗低、处理量大等优点,其在小规模污水处理中具有较好的应用前景。