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关键词： 氧化沟   膜生物反应器   磷的分布和迁移   聚磷微生物   污泥排放  

摘要： 本课题基于氧化沟(Oxidation Ditch)工艺和膜生物反应器(Membrane Bioreactor)工艺,将平板膜组件放置于小试规模的跑道型氧化沟中,膜组件下方设有曝气装置,四个潜水推流器分别放置在四个不同的区域进行循环推流作用,得到一种新型的氧化沟-膜生物反应器(Oxidation Ditch Membrane Bioreactor,OD-MBR)。与传统的MBR相比,该反应器既有氧化沟同步硝化反硝化的优势,也有膜生物反应器高效截留及高污泥负荷运行的特点,且能有效减少膜污染和能耗。本文主要分析OD-MBR系统的各项运行效能,尤其是研究反应器在运行过程中磷的分布、形态和迁移规律,磷的释放和吸收过程以及微生物群落的结构变化,旨在为优化新型OD-MBR的设计和操作以及获得更稳定的除磷效果提供有用的参考。本研究将OD-MBR中的潜水推流器进行转速以及结构进行改良,使其具有更合适稳定的推流效果。反应器以连续流模式稳定运行了80天,期间对反应器的各项水质指标和污泥混合液的性质进行了检测,结果发现:OD-MBR对COD和TN的去除效率非常优秀,平均去除率分别可达95%和85%左右;磷的去除效率呈现较大的波动,且在第40天出水磷浓度达到最高值,在第40-42天时分三次将干重约110.56g的污泥排出反应器外后,磷的去除效率有了明显提高。对不同时间阶段磷在反应器的形态、分布和迁移规律进行了研究,用P核磁共振技术(P NMR)对污泥中含磷化合物具体种类和相对含量进行鉴定分析,利用间歇实验法对不同时期污泥的厌氧释磷速率(PRR)和好氧吸磷速率(PUR)进行测定,通过Origin等数据处理软件对上述所得数据进行曲线拟合,建立OD-MBR的厌氧释磷和好氧吸磷理论模型,对模型参数和拟合效果进行分析。利用高通量测序技术(HTS)观察OD-MBR系统在运行过程中微生物群落的组成特征和多样性分析,探究与聚磷微生物有关的种群的演替情况。研究结果表明,在OD-MBR系统中,从分布位置来看,细胞内磷的相对含量最高,其次是EPS,水相的磷含量最低;从形态种类上看,无机磷(IP)占总磷的63.5%-69.7%,为污泥中磷的主要组成部分,。P NMR的结果表明正磷酸盐(Ortho-P)和磷酸单酯(Monoester-P)分别是污泥细胞无机磷和有机磷的主要种类,且多聚磷酸盐(Poly-P)的含量在长期不排泥运行后明显下降,说明PAOs的活性有所减弱。高通量测序(HTS)的分析数据显示,不同时期反应器内部微生物群落结构各不相同,且随着运行时间变长微生物群落的稳定性不断提高;在门水平上相对丰度较高的菌种有Proteobacteria(变形菌门)、Chloroflexi(绿弯菌门)、Actinobacteriota(放线菌门)和Bacteroidota(拟杆菌门),且发现样品A40(反应器运行40天的污泥)中大量PAOs所属的变形菌门的相对含量明显下降,推测该类菌种的减少可能是反应器在对应时期出现脱氮除磷效率下降的生物因素。综上,本试验证明了氧化沟膜生物反应器在高负荷的情况下能高效稳定地去除COD和TN;同时OD-MBR必须综合考虑磷的分布、形态和迁移情况后,在适当的时间点排出污泥以提高反应器的除磷效率。

关键词： 工程应用   处理规模   运行参数   占地面积   地理分布   政策  

摘要： 膜生物反应器(membrane bioreactor, MBR)在中国工业废水处理和回收利用领域发挥了持续性重要作用。MBR技术在其成熟应用阶段的可持续发展有赖于工程和科研双方的互惠互动。本研究针对2003—2019年投入运营和在建的共计182座处理工业废水的大型MBR工程(单体规模≥5000 m~3·d-1)进行了全面分析。随着MBR在各工业行业中的推广应用,累积处理规模迅速增长,超大型MBR工程在近期也得到快速发展。依据不同工业废水的特点,对处理工艺、污染物去除效率和实际运行参数进行了归纳,并与城镇污水处理进行了比较;在经济特征方面,对项目总投资、总占地面积、运行能耗等进行了分析。随着膜元件供应商和工程商的快速发展、政府项目不断增加,以及新型灵活的商业模式的发展,中国已形成一个充满活力的MBR市场。MBR技术目前多应用于各大经济带和缺水地区。考虑到工业废水处理和回收利用的巨大市场,可以预见未来MBR在中国各地的进一步推广应用。政策—经济和市场—技术两方面的驱动力表明MBR的发展与国家发展需求一致。为保持MBR的竞争力,本文基于调研和分析结果,对其在工程应用和科学研发两方面的发展进行了展望。

关键词： 光自养生物反应器   测控平台   微藻培养   MODBUS  

摘要： 微藻类生物在食品工业、动物饲料、环境治理、生物燃料等方面已经表现出了非常好的应用前景,引起了世界各国的广泛关注,但微藻培养、放大技术一直是工业化生产过程中的难点,研究光自养微生物细胞工厂已成为当今生物工程技术的研究热点。微藻类细胞的培养、放大一般采用光生物反应器进行,但由于微藻的培养与温度、PH值、浊度、光照度等多种因素密切相关,这些因素之间相互有很强的耦合性,很难准确的得到各参数之间的关系。特别在工业化生产中,藻液容量大,不同位置的参数值差别很大,实验室小批量培养过程所得到的优化的参数无法直接应用,亟需设计中试阶段的光自养生物反应器测控平台,为微藻类细胞的工业化培养采集数据,为优化培养打下基础。本项目为国家重点研发计划“先进技术”定向项目的子课题,实现光生物反应器测控平台的设计。在项目的统一安排下,本文设计了可容纳250L藻液的光反应器平台。平台采用管道和反应柱相结合的方式,均采用了高透光度的硼玻璃,提高透光率,管道的应用主要是增加容量,提高藻液的受光面积,在工业化培养目标的指引下,所用传感器、离心泵、电机、控制器件等均采用工业化设备。根据藻液培养的基本要求将平台设备分为培养模块、检测模块、控制模块三部分,分别讨论了各模块对设备的需求,重点分析并计算了反应器对功率的要求,为项目的能源效率分析提供科学依据,在此基础上进行了多种检测传感器、PLC控制器件的选型,成功搭建了光自养生物反应器。根据控制的要求,将光自养生物反应器平台分为气、液循环模块、光控模块、温控模块和主控模块五个部分,各模块之间均采用MODBUS总线进行连接。同时与生物工程技术人员进行了深入的交流,熟悉他们的操作流程和使用习惯,设计了相关控制软件和人机对话界面,方便科研人员应用该平台采集所需数据,重点讨论了追光平台的设计。最后对所设计的平台进行了测试,设计了测试方案、测试过程,得到了相应的测试结果,各项功能指标均能达到设计的要求,实现了光自养生物反应器测控平台的设计,同时对今后的工作进行了展望,下一步工作将进一步与相关生物工程专家讨论,设计优化的控制算法。

关键词： C2H6   MBfR   硝酸盐   六价铬   生物还原  

摘要： 随着城市化和工业化进程的不断加快,我国地下水污染日趋严重。硝酸盐(NO)和六价铬(Cr(Ⅵ))是地下水中较为常见的伴随污染物。物理化学法存在处理成本高、易产生浓缩液和二次污染等问题。与物理化学法相比,生物还原法是较为高效的环境友好型技术。其中,膜生物反应器(MBf R)是一种微生物利用电子供体降解氧化态污染物的新型水处理技术。大量研究表明在MBf R中,电子供体的投加可以实现氧化态污染物的高效去除。目前,常用的电子供体包括H、CH。随着甲烷在去除氧化态污染物领域的不断应用,天然气中其他烷烃的氧化性受到关注。乙烷是天然气中除甲烷以外最主要的成分。2019年《Nature》报道了乙烷厌氧氧化与硫酸盐还原的耦合过程,这为乙烷作为电子供体降解污染物提供了依据。相比于甲烷,乙烷具有更强的氧化性,理论上,能够作为电子供体驱动硝酸盐和六价铬的还原。但目前,尚无直接证据。因此,如果可以实现乙烷作为电子供体驱动地下水中硝酸盐和六价铬的去除,对于开发新型硝酸盐和六价铬污染地下水的修复技术具有重要的理论价值和实际意义。本文利用乙烷基质膜生物反应器(Ethane-based membrane bioreactor,CH-MBf R),研究了乙烷作为电子供体驱动NO、Cr(Ⅵ)以及二者共存时的还原过程;分析了微生物群落结构和功能菌群。主要结论如下:(1)当水力停留时间(hydraulic retention time,HRT)为3 d、进水NO-N浓度为10 mg/L时,NO-N去除率稳定在97%左右。Mycobacterium和Proteobacteria是重要的功能菌群。硝酸盐还原的微生物机制是乙烷氧化菌和硝酸盐还原菌之间的协同作用。乙烷氧化菌利用氧气活化乙烷过程中产生的中间产物,被硝酸盐还原菌利用,并作为电子供体还原硝酸盐。(2)当HRT=3d、进水Cr(Ⅵ)浓度为0.8 mg/L时,Cr(Ⅵ)去除率稳定在95%左右。Deinococci和Mycobacterium是重要的功能菌群。六价铬还原的微生物机制是乙烷氧化菌和铬酸盐还原菌之间的协同作用。乙烷氧化菌利用氧气活化乙烷过程中产生的中间产物,被铬酸盐还原菌利用,并作为电子供体还原六价铬。(3)当进水中含有0.8 mg/L Cr(Ⅵ)和4 mg/L NO-N时,Cr(Ⅵ)和NO-N的还原效率分别为29%和54%。Proteobacteria、Deinococci和Mycobacterium是重要的功能菌群。在乙烷作为电子供体驱动NO和Cr(Ⅵ)还原过程中,乙烷氧化菌利用氧气活化乙烷过程中产生的中间产物,被硝酸盐还原菌和铬酸盐还原菌利用,并作为电子供体还原硝酸盐和六价铬。NO和Cr(Ⅵ)去除率的降低主要是由于菌群之间的相互抑制,特别是乙烷氧化菌相对丰度的降低。本研究为乙烷作为电子供体驱动硝酸盐和六价铬还原过程提供了理论依据,这将有助于开发利用乙烷治理硝酸盐和六价铬污染地下水的新型修复技术。

关键词： 膜分离   厌氧生物处理   AnMBR   预充氧   脱氮  

摘要： 随着社会经济的发展、城镇化进程的推进和人民生活水平的提高,导致城镇的污水中氨氮含量过高,常规的水处理工艺对高氨氮浓度的城镇污水达不到满意的处理效果。厌氧膜生物反应器（An MBR）将膜技术与厌氧生物处理工艺耦合,抗有机负荷能力强,对污泥的截留能力也高,不仅能保证出水水质,还能够有效提高反应器内部污泥浓度,从而提高系统的污泥负荷率。但是目前An MBR研究的主要热点仍停留在如何进一步提高有机负荷率（Oganic Load Rate,OLR）和处理效率,而对氮的同步降解研究关注不够。本实验创新地向An MBR内通入少量空气以实现在An MBR中去除COD同步脱氮的目的,为处理高氨氮城镇污水开辟新思路。本实验考察了An MBR的启动特性、不同进气方式对An MBR的影响以及同步运行的厌氧膜生物反应器和预充氧-厌氧膜生物反应器对高氨氮模拟废水的处理效果,并对接种污泥和各个阶段运行稳定后的An MBR内部微生物群落结构进行了检测,以此来了解预充氧-厌氧膜生物反应器去除COD同步脱氮的微生物机理。（1）在进气方式实验的研究中,通过空压机直接向厌氧膜生物反应器中进气,厌氧膜生物反应器很快崩溃。不进气运行的厌氧膜生物反应器COD去除率达到90.0%,氨氮去除率达到79.0%。采用进水预充氧曝气间接向厌氧膜生物反应器加入空气时,厌氧膜生物反应器COD去除率达到95.2%,氨氮去除率达到89.7%。采用进水预充氧曝气间接向厌氧膜生物反应器中进气,厌氧膜生物反应器的处理效果有显著的提升。（2）在进行氨氮浓度对厌氧膜生物反应器处理效果影响的实验研究中,不进气运行的厌氧膜生物反应器,在进水氨氮浓度提升到130 mg/L左右时,其COD和氨氮去除率都快速的下降。预充氧-厌氧膜生物反应器随着进水氨氮浓度的提升,COD和氨氮去除率都一直稳定在95.0%左右,当进水氨氮浓度提升到170mg/L左右时,COD和氨氮去除率都少量的降低。采用进水预充氧曝气间接向An MBR反应器中进空气的方法可以有效的提高An MBR反应器对氨氮的去除效果,预充氧-厌氧膜生物反应器可以实现去除COD并同步脱氮的目的。（3）通过对污泥微生物测序结果的分析,发现在提高进水氨氮浓度后预充氧-厌氧膜生物反应器中同时存在硝化菌和反硝化菌。表明预充氧-厌氧膜生物反应器中存在完整的生物脱氮流程。

关键词： 正渗透膜生物反应器   光催化氧化   印染废水   膜污染   生物多样性  

摘要： 印染废水具有有机浓度高、色度深、生物降解性差等特点，是较难处理的一类废水。正渗透膜生物反应器（Forwardosmosismembranebioreactor，简称FOMBR）和光催化氧化技术作为两种新兴污水处理工艺近年来受到学界的广泛关注。本研究将光催化氧化技术和FOMBR两种工艺相结合，处理高浓度有机印染废水，研究光催化-正渗透膜生物反应器对废水中各类污染物的去除效果;通过SEM、EDX以及共聚焦电子显微镜（CLSM）观察分析膜污染特征;通过SEM方法观察活性污泥混合液中微生物形态，并采用宏基因组高通量测序方法检测微生物多样性，研究微生物多样性变化情况，探究光催化协同正渗透膜生物反应器处理印染废水运行特性。研究内容和结果如下：　　（1）光催化氧化-FOMBR对模拟印染废水COD、TP、TN和NH3-N等基础水质指标的去除效果较好且反应器运行稳定，出水各污染物平均浓度指标分别为1.09mg/L、0.031mg/L、1.34mg/L和1.27mg/L，平均去除率分别为99.94%、99.57%、97.06%和97.59%。光催化生物反应器对COD的去除率随时间延长而不断提高，到第6天（累计光照时间达36h）已达90%以上，光催化氧化对高浓度有机印染废水中COD的去除效果有一定的促进作用。而TN和NH3-N的去除率呈现先升高后降低的趋势，在系统运行的第15天（累计运行时间为90h）去除率均达到最高值，此时反应器上清液中TN和NH3-N浓度分别为11.56mg/L、15.17mg/L，去除率分别为68.78%、67.57%。TP的去除率随时间延长呈现出缓慢下降趋势，至反应器运行结束时（累计运行时间为360h）去除率下降了28%。光催化氧化对长期运行的生物反应器中的TN、NH3-N以及TP的去除率有一定的影响。因为随反应器运行，光照时间增加，反应器内活性污泥微生物的多样性发生变化，参与氮循环以及生物除磷作用的微生物多样性减小，脱氮除磷效率降低。　　（2）FO膜对废水中的甲基橙染料和甲基橙降解中间产物苯胺类化合物具有很好的截留作用，平均除色率为96.70%，苯胺类化合物的平均截留率达85%以上。且出水中的总苯胺浓度保持较低水平，平均浓度为0.59mg/L。光催化生物反应器的除色率下降趋势明显，上清液的除色率由89.49%下降至68.42%，下降率达23%。　　（3）随着反应器持续运行，水通量呈现缓慢下降趋势。第1天（累计运行时间为6h）到第5天（累计运行时间为30h）水通量下降趋势最为明显，水通量由5.82L?m-2?h-1下降至5.33L?m-2?h-1，平均每天下降了0.098L?m-2?h-1。而后水通量下降趋势稍微平缓，反应器运行至第60天（累计运行时间为360h）时，水通量为4.39L?m-2?h-1。整个实验周期内（60d），水通量下降了24%。　　（4）光催化氧化-FOMBR处理印染废水实验结束（累计膜分离时间360h）时，膜面可观察到明显的污染物附着，表面凹凸不平，结构疏松，主要组成元素C、O、N、Na和Cl的原子数占比分别为43.49%、31.83%、19.44%、2.35%和0.51%。膜污染中生物污染主要来自于微生物及微生物代谢产物，且主要集中在膜污染层形成的后半段。其中，蛋白质、α-D吡喃多糖、β-D吡喃多糖和总细胞的平均荧光强度分别为36.74a.u.，44.92a.u.，23.35a.u.和29.91a.u.。生物污染主要集中在污染层的26μm-40μm厚度内，平均荧光强度总生物污染的90%以上。　　（5）在膜生物反应器运行结束后，活性污泥中的细菌的多样性增加，OTU数由81增长至169，紫外长期辐照作用对细菌的群落组成分布有较大影响。系统运行前污泥样品的优势种群主要是变形菌门、拟杆菌门、厚壁菌门，分别为76.11%、8.36%、11.78%。其中，变形菌门和厚壁菌门在长期运行后丰度下降至45.61%和0.22%，而拟杆菌门丰度增长至34.65%，糖化菌门丰度由0.03%增长至11.35%。　　（6）不同菌纲对累积紫外辐照的敏感度不同，随着运行时间的延长，易感菌的丰度会减少，从而优化不敏感菌的生存条件，不敏感菌丰度增加。反应器运行前后，变形菌门中的γ-变形菌纲丰度由74.62%下降到8.78%，而α-变形菌纲和β-变形菌纲丰度分别由0.14%、1.34%增加到13.43%、21.61%;拟杆菌门中的拟杆菌纲丰度从6.22%下降至0.40%，而黄杆菌纲丰度由2.13%增长到27.63%;厚壁菌门中的梭菌纲丰度变化最大，从11.65%降至0.04%。　　（7）紫外光照对活性污泥中特殊功能菌群表现出不同作用，从而影响印染废水中氮磷等污染物的去除率。其中，不动杆菌属、假单胞菌属、麦芽杆菌属和罗氏菌属丰度分别由66.

关键词： 汲取液   正渗透膜生物反应器   生物电化学系统   反渗透通量   盐累积  

摘要： 正渗透膜生物反应器(Osmotic membrane bioreactor,OMBR)可同时实现废水处理和高质量清洁水回收。与传统膜生物反应器相比,其具有高截留率、低膜污染、低能耗等优点,但原料液侧的盐累积问题成为限制其发展的一大主要问题。生物电化学技术(Bioelectrichemical system,BES)的引入,可以很好地解决OMBR盐累积的问题。通过电驱动作用,将汲取液反向渗透的盐迁移至阴极液,缓解了原料液侧的盐累积。与传统OMBR相比,这种电化学辅助正渗透膜生物反应器(Bioelectrochemically-assisted osmotic membrane bioreactor,BEA-OMBR)不仅能有效地控制OMBR的盐累积问题,还可以产生电能,提高水回收量。汲取液作为BEA-OMBR的关键要素,影响着系统的水渗透性能、产电性能、污染物去除效果和盐累积的缓解效果等。因此,为了进一步考察BEA-OMBR对缓解盐累积作用的机理,本文深入研究了不同类型汲取液对BEA-OMBR系统运行性能的影响及其机理。分别选取了三种具有不同p H缓冲能力的无机汲取液(NHCl、PBS、Na HCO)和两种有机汲取液(乙酸钠、葡萄糖),并与传统汲取液(Na Cl)进行性能的比较研究。主要结论如下:(1)反渗透通量在BEA-OMBR中可能产生有益的影响。在以p H呈碱性的缓冲溶液PBS、Na HCO为汲取液的BEA-OMBR系统中,汲取液所产生的反向渗透溶质(HPO、HPO、HCO)能够使阳极/原料液的p H维持相对稳定,使产生的总库仑提高到278.16～289.80 C,水回收量高达261.64～277.80 m L,COD去除率高达90.91～91.61%。在以p H呈酸性的缓冲溶液NHCl为汲取液的BEA-OMBR系统中,汲取液所产生的反向渗透溶质(NH、Cl)虽然对阳极/原料液的微生物造成了一定的毒害作用,但由于电驱动和浓度梯度的作用,部分阳极/原料液累积的NH会迁移到阴极液,缓解了阳极/原料液盐度的累积。在以乙酸钠、葡萄糖等有机溶液为汲取液的BEA-OMBR系统中,汲取液所产生的反向渗透溶质(乙酸根、葡萄糖)可被微生物利用,表现出较低的阳极/原料液电导率,缓解了盐累积,但过量有机物并不会促进产电菌对其的利用,而是导致产电菌与其他微生物竞争有机物。(2)在一定浓度范围内,提高无机汲取液浓度对BEA-OMBR系统的运行性能产生积极作用,但浓度过高的汲取液会造成盐累积问题,导致BEA-OMBR系统的运行性能受到限制。在以Na HCO为汲取液的BEA-OMBR系统中,盐度累积主要来自于反渗的Na(当浓度≤0.25 M时)和HCO(当浓度≥0.50 M),通过电驱动作用可缓解21.3%-62.1%的反溶质Na的累积,HCO形成的p H缓冲体系可减小其累积。在以NHCl为汲取液的BEA-OMBR系统中,微生物脱氮作用和铵根离子的迁移(电驱动、浓度梯度扩散)对缓解反渗溶质(NH)的累积都发挥了重要的作用,反渗到阳极/原料液中的NH有61.9～82.4%可以被去除。然而随着汲取液浓度的提高,会加剧Cl在阳极/原料液的累积,一定程度上阻碍了系统在较高汲取液浓度下的性能。(3)有机汲取液的浓度影响产电菌和其它厌氧菌对有机物的竞争关系。在以乙酸钠为汲取液的BEA-OMBR系统中,虽然提高汲取液浓度会产生更高的电流密度,但是存在着其他厌氧菌与产电菌竞争有机物。随着乙酸钠汲取液浓度的增加,阳极/原料液中的剩余COD质量从46.9±8.8 mg增加到744.1±85.9 mg,反渗的有机溶质形成累积,无法被厌氧菌充分利用。电驱动和浓度扩散作用同时促进了Na向阴极液的迁移,从而减轻了Na在阳极/原料液中的累积。由于包括产电菌在内的厌氧菌对有机物的利用能力有限,所以应采用较低的乙酸钠浓度(≤0.25 M),以实现高产电和较高的COD去除效率。

关键词： 好氧生物反应器   KD512  

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,架体上设计有若干层交错布置的、平板式增溶板。针对特定的低浓度生活污水进行生化处理时,采用本发明所提供的好氧生物反应器进行处理时,

关键词： 厌氧氨氧化   脱氮   膜污染   群落结构  

摘要： 膜生物反应器因具有利用膜组件可以将几乎所有的生物质保留在反应器内的优势,可以大幅缩短厌氧氨氧化的启动时间,但膜污染制约了膜生物反应器的工业化应用及发展。基于此,本文以外置式厌氧氨氧化膜生物反应器(Amx SMBR)为研究对象,研究了外置式厌氧氨氧化膜生物反应器的启动,考察了启动过程中Amx SMBR的脱氮效能、污泥性状变化、临界通量、污泥及滤饼层分析、氮平衡以及微生物群落结构的变化。其次对Amx SMBR进行运行工况的优化,考察了单位膜面积有效气体需求量和上流污泥速度对膜污染速率的影响。最后研究了温度胁迫下Amx SMBR的脱氮效能、膜污染速率、反应器中污泥及滤饼层胞外聚合物、反应器活性及微生物群落结构的影响。主要得出了以下结论:(1)Amx SMBR启动后,不断提高进水氨氮与亚硝氮浓度,从50 mg/L分三个阶段提高到450 mg/L,历时58天,总氮去除率稳定在86%左右,氨氮、亚硝氮去除率分别稳定在90%、97%以上;氨氮去除量:亚硝氮去除量:硝氮生成量基本为1:1:0.18。启动过程中Amx SMBR的临界通量为8.63 LMH,膜污染较严重。膜污染的来源主要是紧密型胞外聚合物,其中蛋白质含量为2.42 g/m,多糖含量为0.84 g/m。(2)启动过程中,厌氧氨氧化菌形态从红棕色颗粒污泥变成了浮游态污泥,是Amx SMBR最显著的特征之一。高通量分析结果显示,浮游态污泥中的优势菌群主要为拟杆菌门(Bacteroidetes,47.83%)、浮霉菌门(Planctomycetes,21.2%)、变形菌门(Proteobacteria,18.85%),其中优势厌氧氨氧化菌属为Candidatus Kuenenia属,相对丰度为17.08%。(3)在Amx SMBR的运行工况优化中,最佳的单位膜面积有效气体需求量为0.36m/(m·h),最佳的上流污泥速度为2.3 mm/s。当采用单位膜面积有效气体需求量为0.36m/(m·h),上流污泥速度为2.3 mm/s时,临界通量为12 LMH,并且可以有效地延缓膜污染速率。(4)在温度胁迫下的Amx SMBR中,当温度为35°C时,在进水氨氮与亚硝氮浓度均为250 mg/L时,Amx SMBR脱氮效果稳定,总氮去除率平均为86%,氨氮、亚硝氮去除率均稳定在95%左右;在温度为25°C时,随着Amx SMBR的运行,Amx SMBR的脱氮效果越来越差,进水氨氮与亚硝氮浓度逐渐降低,氨氮、亚硝氮与总氮去除率也不断降低,反应器濒临崩溃;在温度回升至35°C后,反应器脱氮效能快速恢复至温度为35°C时的状态。表明Amx SMBR更易受到温度的干扰,推测与厌氧氨氧化菌主要以浮游态形式存在有关。(5)在温度胁迫下的Amx SMBR中,温度降低为25°C时会导致膜污染速率加快,但温度恢复为35°C后,膜污染速率又会变得跟最初时一致。此外,温度降低会导致厌氧氨氧化菌所属的浮霉菌门相对丰度的降低,当温度回升后,浮霉菌门的丰度随之升高,并且厌氧氨氧化菌属的总相对丰度也随温度降低而降低,随温度回升而升高,在温度为35°C时,厌氧氨氧化菌属总体上变化不大,当温度降低为25°C时,Candidatus Brocadia相对丰度大幅降低,而Candidatus Kuenenia、Candidatus Jettenia的相对丰度受温度影响不大,在温度回升为35°C后,Candidatus Jettenia相对丰度迅速上升,成为厌氧氨氧化菌属中的优势菌属,Candidatus Kuenenia、Candidatus Brocadia相对丰度变化不大,说明Candidatus Jettenia更耐温度冲击。

关键词： 生物反应器   生物力学   动力学微分方程   细胞演化   模糊PID  

摘要： 临床上由外伤、先天性疾病、衰老等引起的组织缺损十分常见,但传统治疗方法效果不佳,缺损组织的修复是当今临床医疗的一大难题。组织工程技术是最具发展前景的治疗措施之一,工程化组织体外培养需要能够精确模拟生化环境和力学环境的生物反应器,但目前的生物反应器难以满足需求,仍处于实验室应用和临床研究阶段。只有充分考虑力学环境和生化环境的协同作用,才能达到更好的培养效果,因此亟需开发能够精准模拟特定组织力学及生化微环境的生物反应器。本文首先阐明力学生物反应器研究的历史背景与重要意义,分析组织工程技术中的生物力学研究,论述生物反应器检测技术、模拟细胞行为的演化算法、力学生物反应器控制技术的研究现状,指明论文研究内容。为实现组织工程生物反应器的环境参数检测无菌化、智能化,搭建适用于各类组织细胞培养的生物反应器检测系统通用传感器单元,本文选取重要环境参数p H、DO、CO,详细分析其对应的传感器检测原理,并结合生物反应器检测系统中传感器可消毒、在线测量的需求确定传感器的选型,给出传感器校准方式,严格校准保证传感器的精度。针对组织工程类生物反应器生化环境参数的准确与智能化检测需求,开发基于ADC+STM32硬件架构的数据采集单元,本文首先完成IV信号调理电路、信号采集转换电路、数据处理电路及数据传输电路的设计,然后给出系统的软件设计,详细介绍本文完成的主程序模块、数据处理模块、数据传输模块的软件程序设计,及论述系统智能检测云端平台设计。最后,基于开发的数据采集平台开展实测实验,实测结果表明,本文开发的数据采集单元可准确有效实现生物反应器生化环境的多参数采集与检测。在组织的体外培养过程中,施加相应的力学刺激能够获得更好的培养效果,但最佳力学刺激方案需要通过大量的培养实验得到,实验周期长、成本高。针对这一问题,本文提出基于细胞自动机(Cellular Automata,简称CA)的力学刺激条件下细胞演化算法,首先深入研究了细胞生长与环境限制因子、自限制因子关系的动力学微分方程,推导细胞浓度与基质浓度之间的函数关系,构建二维细胞生长空间,基于细胞生长机制、细胞邻居、营养成分建立进化规则,提出基于改进动力学微分方程的细胞自动机模拟演化算法。仿真实验结果表明本文提出算法能够准确模拟力学刺激条件下细胞的体外培养过程,可以缩短实验周期,为组织培养所需要的最佳力学刺激方案提供参考依据。在确定最佳力学刺激方案后,精准的力学刺激控制对于体外组织培养效果非常重要,而生物反应器力学刺激控制的精确性受到多方面因素的影响。本文详细研究生物反应器伺服系统的构成,建立伺服系统各环节的控制模型,分析生物反应器伺服控制系统的误差来源,构建考虑摩擦干扰的二质量伺服系统模型,给出了基于模糊自适应PID算法的控制器设计。仿真验证结果表明,本文提出方法可有效提高系统控制的抗干扰性与力学刺激控制的准确性。