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关键词： 厌氧动态膜生物反应器   工艺优化   污水处理   膜污染   生物能源回收  

摘要： 厌氧动态膜生物反应器(AnDMBR)是一种基于厌氧膜生物反应器(AnMBR)的新型高效厌氧处理工艺,其将低廉的大孔径(10-200μm)膜材料(如无纺布、尼龙网、钢丝网等)作为膜基材制备动态膜组件,截留悬浮颗粒形成过滤层达到固液分离的目的。AnDMBR具有成本低、出水水质良好、膜清洗简便及可回收生物能源等优点,逐渐得到了广泛的关注。不同运行条件对动态膜形成过程及截留效果均有影响,形成有效稳定且过滤性能良好的动态膜对于AnDMBR的运行至关重要,并且目前尚缺乏对AnDMBR工艺稳定运行的系统研究。因此本文着重考察了膜基材孔径、动态膜形成方式以及污泥循环模式对AnDMBR工艺性能的影响,并开展工艺实验对比AnDMBR和AnMBR运行效能,验证了AnDMBR处理生活污水的应用潜力。本文的主要研究工作和取得的结果如下:(1)基于膜基材孔径会影响动态膜的形成过程和截留效果,考察了200目、300目和500目尼龙网(膜孔径分别为74、48和30μm)对AnDMBR的动态膜结构及工艺性能的影响。结果表明:不同的尼龙网孔径对污水处理性能影响不大,但跨膜压差(TMP)随着膜基材孔径的减小而逐渐增大(三组反应器的TMP增长速率分别为0.14、0.60和1.92 k Pa/d),泥饼层的分析也表明500目的膜组件污染最为严重,比较分析认为200目尼龙网是合适的动态膜基材。(2)考察了两种动态膜形成方式(自生动态膜(SFDM)和预涂动态膜(PCDM))对AnDMBR工艺性能的影响。研究发现采取瞬时高通量抽吸污泥混合液的方式形成PCDM时,AnDMBR的TMP增长速率(0.14 k Pa/d)明显高于SFDM(0.05 k Pa/d),但其对污染物去除和产甲烷率没有明显强化作用。因此认为SFDM比PCDM具有优势。(3)研究了污泥循环增加动态膜表面错流速率(CFV)的方式促进动态膜的形成并控制膜污染。实验结果表明污泥循环(1.1 L/h)对污泥性能有不利影响,一方面经过泵的蠕动使得污泥絮体里的胶体颗粒和有机物分离出来更容易进入到出水中(反应器内上清液和出水中SS浓度增长了3倍左右),另一方面经过出水泵的抽吸作用导致细小颗粒和胶体物质等在膜表面富集、形成致密的泥饼层,加快了动态膜污染,因此认为在处理污水时升流式AnDMBR无需设置污泥循环。(4)在工艺条件优化的基础上,建立了小试升流式AnDMBR和AnMBR装置,比较研究了膜过滤性能、有机物去除与产气效果以及泥饼层的性质。根据水力停留时间(HRT)(24.0、31.6和42.8 h)将运行过程划分为三个周期,实验结果表明:1)尽管微滤膜截留能力较强(平均出水浊度为3 NTU左右),但是其TMP增长速率过快(分别为0.91、1.30和1.70 k Pa/d),而AnDMBR在能保证较低的出水浊度的同时(平均出水浊度为10 NTU左右)依旧具有较低的TMP增长速率(分别为0.01、0.01和0.06 k Pa/d);2)对于污染物去除效果,以污泥混合液的生物降解为主,膜的截留作用为辅,有效的动态膜形成后和微滤膜的截留作用相差不大;3)AnDMBR和AnMBR的产甲烷率及甲烷组分相似;4)泥饼层的性质分析表明,微滤膜因孔径小而堵塞严重,膜表面上沉积了较多的有机物、胶体物质等导致其膜污染较为严重,而动态膜则表现出相对较轻的膜污染。

关键词： 膜生物反应器(MBR)   膜生物污染   NaClO清洗   消毒副产物(DBPs)   临界加氯量  

摘要： 水资源短缺及其污染已经成为全世界各国亟需解决的重要问题,膜生物反应器（MBR）作为一种科学有效的水处理工艺广泛应用于污水、废水处理和水资源再生领域,然而伴随MBR产生的膜污染现象会大幅降低膜的通量并提高运行成本,限制了 MBR工艺进一步普及和发展。次氯酸钠（NaClO）定期化学清洗是恢复MBR膜通量的主要手段。然而,膜污染物的氯化会产生大量具有三致毒性的消毒副产物（DBPs）,导致MBR出水水质恶化,并且诱发或增加MBR池内细菌的耐药性。本文研究了 MBR膜组件NaClO化学清洗过程中14种DBPs的生成特性和毒性,探究了清洗时间、NaClO浓度、清洗剂初始pH值和清洗温度对DBP生成和毒性的影响,基于胞外聚合物（EPS）在生物膜结构和组成中的支撑性作用,分析了 EPS对NaClO膜化学清洗DBPs生成的影响和作用机制;最后,基于上述研究结果,从优化膜清洗工艺条件和调控膜表面生物膜细菌生理特性两个角度入手,研究了 MBR膜NaClO化学清洗过程中DBPs的控制方法。研究结果表明,在经过含氯量为1000 mg/L的NaClO溶液中清洗24 h后生成的DBPs中,卤乙酸（HAAs）都是生成量最多的消毒副产物,浓度可达到3000μg/L,占总DBPs的80%以上,其中三氯乙酸（TCAA）占了主导地位,以三氯甲烷（TCM）为主的THMs的浓度往往也能达到数百微克升,而相对不稳定的卤乙腈（HANs）、卤代丙酮（HKs）和三氯硝基甲烷（TCNM）在中性条件下的浓度都小于70μg/L,甚至在碱性条件下均小于检测限。随着NaClO清洗时间的延长,DBPs中的HAAs和TCM积累量逐渐提高。增加NaClO的用量、提高温度和pH值,TCM和二氯乙酸（DCAA）的产率增加了 1-14倍,而卤代乙腈（HANs）和卤代酮（HKs）的产率降低20%以上,甚至在碱性条件下降至检出限以下。降低氯投加量和清洗温度,或将清洗剂的pH值调整为酸性或碱性均可有效降低12%-43%的DBPs毒性风险。将NaClO与酸、碱联合使用模拟实际清洗工艺,1000 mg/L NaClO与0.1%柠檬酸混合作为清洗剂产生的DBPs最多,而NaClO与1%NaOH混合作为清洗剂产生的DBPs最少。将MBR膜表面污染物进行EPS提取预处理后,由于生物膜结构的破坏,在膜清洗的前6 h内DBPs的生成速度提高了 18%左右。在污染的MBR膜组件NaClO清洗过程中,膜表面生物膜EPS贡献了 15%-18%的DBPs总产量。共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像显示,膜表面生物膜EPS是限制膜清洗效率的关键因素,一方面,胞外蛋白质具有很高的氯反应活性,会快速消耗氯;另一方面,胞外多糖对氯有很强的抵抗力,可以阻碍氯渗透生物膜,对氯化作用下的MBR膜表面生物膜和细菌有保护作用;此外,生物膜EPS分布不均匀,一些结构特殊的区域对氯化有特别强的抵抗,经过长时间的化学清洗也能残留在膜表面。分别对从污泥细菌中提取的内源有机物（IOM）和胞外聚合物（EPS）进行24h氯消毒实验发现,总有机碳（TOC）为1mg的IOM的TCM生成潜力是181μg/L,是EPS的五倍,甚至在EPS完全无法生成HANs类副产物的时候,IOM都可以与NaClO反应生产大量的三氯乙腈（TCAN）和二氯乙腈（DCAN）。毒性风险分析结果表明,IOM氯化成的DBPs的总毒性风险值比EPS高近百倍。次氯酸钠对污泥细菌的杀灭存在临界浓度,在临界浓度之下的次氯酸钠短时间接触无法让细菌破裂释放出IOM。以自由氯浓度/MLSS=1为条件对污泥进行反应后,污泥中的细菌结构和活性均未发生变化,没有IOM的释放。并且DBPs生成和组成分析也发现,在1 mg/L Cl2/mg MLSS有效氯投加条件下,基本没有HANs等不稳定DBPs生成,且TCM的生成量也比10 mg/L Cl2/mg MLSS加氯量条件下降低了 91%,生成的DBPs总毒性仅为50 mg/L Cl2/mg MLSS加氯量条件下的8.8%。D-氨基酸预处理实验表明,采用30 μM的D-酪氨酸预处理即可使铜绿假单胞菌的纯菌膜出现明显裂解,有助于提高后续氯清洗效率。由此可见,采用高频率、低氯量化学清洗并结合D-氨基酸预清洗的方式,来控制DBPs的生成,降低MBR膜化学清洗造成的健康威胁和环境风险。

关键词： 海洋微藻   正渗透膜光生物反应器   微藻收获   膜污染  

摘要： 随着城市化和工业化的进程加快,市政、工业、农业废水排放量日益增加。废水中所含有的氮磷营养元素如果得不到妥善的处理直接排入水体,会引起水体富营养化,进而破坏水生态系统平衡。微藻能够通过自身的同化与吸附作用回收污水中的氮磷营养元素,但由于其体积小、密度与水相近,因而难于沉降分离。本研究构建了正渗透膜光生物反应器(Forward Osmosis Membrane Photobioreactor,OMPBR)来解决这一问题。OMPBR利用正渗透膜替代传统膜光生物反应器中的超滤和微滤膜,因为正渗透(Forward Osmosis,FO)仅依靠渗透压驱动使水分子自发地通过半透膜从水化学势高的原料液渗透到水化学势低的汲取液,故无需借助外部压力,汲水能耗较低。而且正渗透膜在截留微藻、降低微藻生物冲洗风险的同时,对氮磷营养元素也能够进行截留浓缩,这有助于微藻的生长和出水水质的提高。但是正渗透汲取液反向扩散到原料液,会使原料液的盐度增加。因此本研究中选用海洋微藻进行实验,在对模拟污水进行脱氮除磷的同时抵御反向盐扩散的影响。另外利用絮凝结合正渗透的方式对OMPBR中的微藻进行收获,通过在正渗透过滤之前对微藻的絮凝减轻了正渗透膜的膜污染。本文主要进行以下两个方面的实验研究。(1)考察基于海洋微藻的OMPBR的脱氮除磷性能,对反应器内的微藻生物量、生物质成分和膜污染情况行进行分析监测。实验结果表明,在塔胞藻、杜氏盐藻和眼点拟微绿球藻三种海洋微藻中,只有眼点拟微绿球藻能够较好的适应模拟污水环境。基于海洋微藻的OMPBR在处理模拟污水时能够获得优异的处理效果,最高可以承受9.2 mg NH-N/(L·d)和2.2 mg PO-P/(L·d)的营养负荷。由于正渗透膜出色截留性能与微藻对营养物质的同化作用,反应器在运行过程中能够获得超过90%的NH-N和PO-P去除率。反应器运行结束时原料液电导率达到14 ms/cm,海洋微藻由于其耐盐性可以在该盐度下较好的生存,在结束时微藻生物量达到6 g/L。(2)考察不同浓度的壳聚糖对于絮凝效率、微藻悬浮液中的有机物含量和正渗透过滤的膜污染影响。随着壳聚糖浓度的升高,絮凝效率呈现先升高后下降的趋势。含有10mg/L壳聚糖的微藻悬浮液在絮凝后获得了最高的絮凝效率,超过80%。同时含有10 mg/L壳聚糖的微藻悬浮液可以在最短的静置时间内达到最大的絮凝效率。通过DOC测定发现,含有10 mg/L壳聚糖的微藻悬浮液在絮凝后,有机物含量减少最多,下降了约46%。在正渗透过滤前,通过添加合适剂量的壳聚糖进行絮凝可以减缓水通量的下降,减轻正渗透膜的污染。

关键词： 生物脱氮   膜曝气生物反应器   AME-D   气体碳源   载体强化  

摘要： 膜曝气生物反应器(MBfR)是一种膜曝气法水处理技术,具有无泡曝气、气体利用率高、异向传质等特点。目前,MBfR已被应用于好氧甲烷氧化耦合反硝化(AME-D)过程,以甲烷作为气体碳源,通过好氧甲烷氧化生成中间产物为反硝化过程提供碳源。然而,甲烷基质MBfR存在脱氮效能低、生物量不稳定等问题,制约了其实际应用。本文以甲烷基质MBfR为研究对象,通过在中空纤维膜上负载柱状聚氨酯海绵作为载体,研究膜表面载体强化手段对生物膜性能与系统脱氮效能的强化作用;对载体强化型MBfR在连续流运行下的效能进行研究,分析生物膜形成过程、微生物群落变化与水力冲击对反应器运行效能的影响,确定最优的载体强化方案;研究了载体强化型MBfR中间产物代谢行为,以及功能微生物群落结构变化特征,分析了载体强化型MBfR脱氮效能提升的内在机制。研究了膜表面载体强化手段对MBfR脱氮效能的影响。对比不同载体强化型MBfR内生物膜性状与反应器运行效能,分析了不同载体强化手段对生物膜以及脱氮效能的强化作用。结果表明:载体强化型MBfR生物量及脱氮效明显提高,在孔隙密度为50 ppi、60 ppi载体条件下,生物量最大分别提升350%、600%;硝态氮去除速率分别提升101.5%、13.8%;ΔC/ΔN分别降低62.9%、59.6%。研究了强化型MBfR连续流运行下的处理效能行为与影响因素。通过对生物膜形成过程的分析、运行效能的研究,确定了载体强化手段与脱氮效能提升的相关性。50 ppi密度载体提高生物富集速度,促进疏松多孔的生物膜形成,ΔC/ΔN是对照组的0.27倍,γ-变形菌纲与β-变形菌纲丰度最大提升38.3%、22.6%,优化功能菌群丰度,能够有效抵抗水力冲击负荷。分析了强化型MBfR脱氮效能提升的内在机制。通过解析中间产物代谢规律,研究了载体强化手段对功能微生物的种类与丰度的影响;对酶活性、功能基因丰度进行分析,探究强化型反应器效能提升的微生物机制。载体的存在通过调节功能微生物丰度,促使优质中间产物释放,提升功能基因绝对丰度与酶活性,提升好氧甲烷氧化耦合反硝化效能。载体强化手段能够实现甲烷基质MBfR污染物的高效降解与气体碳源的高效利用,对甲烷基质MBfR技术的工程应用与推广具有重要意义。

关键词： 光生物反应器   LED   PSO算法   光照强度均匀性   LED热特性  

摘要： 随着不可再生资源的不断消耗,人们对绿色能源的研究越来越多,微藻作为一种很有潜力的绿色能源被越来越多的人关注,在众多的培养微藻培养方式中,光生物反应器有着独特的优势。光生物反应器能够很好的控制微藻的培养环境,如温度、PH值等。随着LED技术的发展,LED被广泛应用于照明、投影、园艺等等。因LED的诸多优势使得LED在光生物反应器中的使用成为趋势。但是在实际使用中因为LED之间的间距不同、照射平面的大小不同等原因使得LED在照射平面内的光照强度并不均匀,致使微藻培养的质量不能得到保障,并且在培养如雨生红球藻的过程中需要对藻液进行持续的高光照胁迫积累虾青素,这也使得对LED有效散热的研究成为必要。本文主要是使用改进后的PSO算法对LED阵列的间距进行优化,改善LED阵列的光照强度均匀性。经过实验得到并通过仿真和实际实验进行验证。并且实验研究了LED的结温同铝基板尺寸、LED间距的关系,为LED的热管理设计提供了方向。本文主要研究内容为以下几个方面:首先介绍了用于微藻培养的光生物反应器,LED的发展历史,LED光照均匀性不同领域内的研究现状,确定了适合应用在光生物反应器中的研究方法。其次介绍了LED相关的知识,包括LED的结构、发光原理、相关的照明术语包括光通量等。以及LED相关的热特性知识,包括LED产生结温的原因、结温对LED的影响、降低结温的办法。介绍了LED热阻的概念、简单的LED热阻模型。对本次课题研究使用的LED进行热特性实验,研究了LED电压和光通量、结温、发光效率之间的关系,实验得到LED的最佳工作条件,为LED阵列优化设计提供了依据。接着从单颗LED的光照模型推导出n颗LED在照射平面的光照强度的平均值表达式,以及光照强度标准差;并以光照强度标准差作为评价函数使用改进的PSO算法对LED间距进行优化。并将优化后的阵列使用光学软件Trace Pro进行光照强度均匀性的仿真同对比阵列的均匀性进行比较。最后对优化后的LED阵列进行实验验证,并实验探究不同铝基板尺寸、LED之间的间距不同对LED工作结温的影响。经过算法优化设计的LED阵列光照强度均匀性优于对比阵列的光照强度均匀性,且相关的LED热特性实验也为LED设备的散热处理提供了方向。

关键词： 光生物反应器   煮茧废水   环境因子   小球藻   采收  

摘要： 微藻是一种固碳效率高、生长速率快、生长周期短的光合微生物。由于其能合成各种具有独特功能的生物活性物质,已被广泛的应用于医药、化妆品、饵料、生物燃料、环境监测等领域。为降低微藻的培养成本,研究者已经证明,藻类培养与废水处理相耦合是可持续生产藻类生物燃料和生物化学品的理想方案,因为可以节省藻类生长所需的大量淡水和营养物质,并可显著减少相关的生命周期负担。前期研究表明,缫丝厂的煮茧废水是一种适合培养小球藻的废水,最终小球藻的生物量可达到0.49g/L。本文在前期研究成果的基础上,为进一步提高微藻生物量积累和营养物质去除率,首先,开发和建造了一套300 m L鼓泡式光生物反应器,并在反应器内耦合煮茧废水培养微藻,并对影响微藻生长的环境因子(初始细胞密度、通气速率、光照强度、光照周期)进行优化,确定微藻最优工艺条件;然后,为降低反应器成本及验证培养微藻最优条件的适用性,开发及改造3 L简易式光生物反应器扩大悬浮培养小球藻,为利用反应器耦合煮茧废水规模化培养微藻提供数据支持;最后,为提高工业化用藻的采收率,选用价格低廉来源广泛的明矾、三氯化铁作为絮凝剂,进行单因素实验及响应面优化实验,以确定最优的采收条件。主要研究成果如下:(1)在微藻初始细胞密度为0.8 g/L、通气速率为3.34 L air/L culture/min(vvm)、光照强度为150μmol ms、光照周期16L:8D的生物反应器中,小球藻的最大生物量、生长速率和生物量生产率分别为3.96 g/L、0.663 d和516.11 g/L/d。微藻对煮茧废水中的氨氮、总氮、总磷和COD的去除率分别达到93.12、80.79、93.08和69.08%,显著高于前期研究结果。(2)随着微藻培养条件(即初始细胞密度、通气速率、光照强度和光照周期)的改变,藻细胞的化学成分也会发生变化。在优化的微藻最适生长条件下培养小球藻7天,小球藻的细胞组分其中蛋白质含量、油脂含量、碳水化合物含量和色素含量分别为57.91%、24.56%、15.83%和1.12%。(3)本试验设计和构建的3 L简易式生物反应器耦合煮茧废水培养小球藻(***)具有一定的可行性及可操作性。优化的4个环境影响因子(初始细胞密度、通气速率、光照强度、光照周期)也适用于简易式生物反应器中利用煮茧废水培养小球藻,并最终获得3.43 g/L藻类生物量。简易式生物反应器中耦合煮茧废水培养小球藻,也利于小球藻吸收和利用废水中营养物质,提高利用率,培养结束后,小球藻对CCW中NH-N、TN、TP和COD的去除率分别为92.61%、78.50%、97.31%和66.88%。(4)简易式生物反应器中耦合煮茧废水培养小球藻,培养结束后,收获的藻细胞生化组分蛋白质、碳水化合物、脂类和色素含量分别为53.25%、14.25%、27.95%和2.66%,与利用300 m L生物反应器培养微藻7天的小球藻生化组分含量基本相同。(5)以明矾为絮凝剂,当明矾浓度、絮凝时间和小球藻初始OD值分别为0.8～1.2 g/L、10～30 min和0.4～1.2时,利用明矾絮凝采收小球藻的效率较高。明矾浓度、絮凝时间和小球藻初始OD值等因素对小球藻絮凝效率均有显著影响,这3个因素的影响效果依次为:明矾浓度>初始OD值>絮凝时间。此外,通过响应面法分析确定了利用明矾絮凝采收小球藻的最佳工艺条件:明矾浓度为1.2 g/L、初始OD值为0.8、絮凝时间为30 min,在此工艺条件下,小球藻的絮凝效率最高,可达到98.49%。(6)以Fe Cl为絮凝剂,当Fe Cl浓度、絮凝时间和小球藻初始OD值分别为0.4～0.8 g/L、30～60 min和0.8～1.6时,利用Fe Cl絮凝采收小球藻的效率较高。影响Fe Cl絮凝采收小球藻的各因素顺序为小球藻初始OD值>Fe Cl浓度>絮凝时间。利用Fe Cl絮凝采收小球藻的最优工艺条件为:小球藻初始OD值为1.60,Fe Cl浓度为0.6 g/L,絮凝时间为38 min,在此工艺条件下,小球藻絮凝效率可达到98.57%。

关键词： 合成生物学   褪黑素   水稻   生物反应器   种质  

摘要： 合成生物学作为二十一世纪蓬勃发展的学科正显现出诱人的实力。目前植物合成生物学主要朝着两个方向展开探索,一是重建生理代谢通路以实现作物改良,二是利用植物作为底盘进行某些生物大分子或次生代谢物的生物合成。已有植物合成血清蛋白、疫苗抗原、花青素等物质的成功案例。作为高等自养生物,植物生物反应器对于成本、技术、储存条件的要求比微生物发酵更低,同时安全性更高。褪黑素具有生物代谢产物和保健品的双重身份,不仅能在动物体内起促进睡眠、抗氧化、提高免疫、保护肠道和神经等积极作用,也可以正向提升植物体抵抗各种生物和非生物胁迫的能力。经过多年的研究,褪黑素的生物合成通路已基本确定,同时食物中的褪黑素可被人体直接摄入。在此基础上,本研究以水稻为生物反应器,基于合成生物学的方法,尝试开展了在胚乳中合成褪黑素的相关工作,取得研究结果如下:1、设计并构建了4个重组元件,分别以PGluC启动Os T5H反义链、以PGlu B启动Cr SNAT、以PGlu A启动Os TDC3和以PSSA启动Os COMT。2、利用多基因堆叠系统TGSII将褪黑素生物合成通路中的3或4个关键酶基因T5H、SNAT、TDC、COMT构建成多基因载体。3、转基因植株MLT4G T0代含有1个、2个、3个、4个转入基因的株数分别为1株、7株、0株、11株;转基因植株MLT3G T0代含有1个、2个、3个转入基因的株数分别为1株、2株、16株。转基因植株生长状态无明显异常。4、MLT4G和MTL3G发育中种子的转入基因表达量较野生型显著升高。5、使用常规HPLC未检测到野生型、MLT4G和MLT3G糙米粉褪黑素的存在,说明其含量低于检测下限10 ng/g。本研究将褪黑素合成通路导入水稻胚乳,获得了以中花11背景的转基因材料,通过常规HPLC法初步判断野生型和转基因植株成熟种子褪黑素含量较低,暂无法判断转基因植株胚乳褪黑素含量是否升高。本研究为功能米的创制和稻米营养附加值的提高提供了新的生产思路并积累了经验。

关键词： 高通量微型生物反应器   Ambr系统   工艺开发   工艺表征  

摘要： 随着生物制药行业的快速发展,近年来高通量微型生物反应器系统得到较为广泛的应用。高通量微型生物反应器系统具有体积小、高通量、可放大性等优点,同时具有在线分析检测和过程反馈控制功能。目前,高通量微型生物反应器主要用于细胞株筛选、工艺优化及工艺表征等方面。其高通量结合实验设计开展实验研究,可大大缩短产品研发周期,提高工艺稳健性及产品质量可控性,加快研发项目进入临床及商业化的步伐。本文主要介绍了目前常见的几种高通量微型生物反应器系统,并以Ambr系统为例,介绍了高通量微型生物反应器系统在生物制药行业中的应用。

关键词： 沼液   微藻   生物膜   光生物反应器   氮磷脱除  

摘要： 随着我国畜禽养殖业的快速发展,实现畜禽粪污资源化运用的沼气工程也越来越加普及,但畜禽粪污经厌氧发酵制沼气后仍会残留大量的沼液,沼液属于高浓度有机废水,具有高氨氮、高浊度等特点。传统的废水处理工艺不能有效的净化沼液使其达到排放标准,但微藻可以消耗沼液中的氮磷等元素满足自身生长,同时生成油脂等生物质能源和其他高附加值的产物。因此,将微藻培养和沼液净化相结合,能够实现对沼液资源化利用并获得高价值生物质产物,具有非常光明的应用前景。本文以微藻净化沼液为主要研究目标。从微藻净化沼液瓶颈问题入手,通过改变沼液稀释比例逐步提高其氨氮浓度梯度,进而驯化微藻使其获得高氨氮耐受性。然后基于新获得的微藻藻种,提出了阶梯式微藻生物膜反应器来克服沼液高浊度的限制和解决藻水分离高能耗的难题,研究了不同基底材料对微藻成膜特性的影响,明晰了光照强度和流量对沼液氮磷等污染物脱除效率的影响。最后构建了微藻连续处理沼液的串联系统,实现了阶梯式生物膜反应器处理沼液的连续性和稳定性,并探究了长期运行过程中沼液污染物脱除机理和达标排放调控方法。主要结果如下:(1)小球藻经沼液梯度驯化后,微藻细胞平均直径较驯化前提高了40.7%。随着氨氮浓度的逐步提高,氨氮的去除速率从27.98 mg/L/d提高至82.66 mg/L/d,这表明微藻对沼液的氨氮耐受性是逐步提高。微藻生长过程中存在对磷的“奢侈吸收”现象,经过驯化后的微藻对总磷的脱除率在60%沼液和80%沼液实验中达到了100%。在开放式跑道池中,驯化后的微藻在含有678 mg/L的氨氮的沼液能够实现正常生长,且沼液中氨氮和总磷的脱除率均达到了100%,证实了驯化后的微藻能够忍耐高氨氮且具有优异的氮磷脱除性能。(2)确定适合微藻成膜的基底时,以棉布为基底的反应器运行7天后生物膜产率达7.66±0.184 g/m/d,是其它四种材料(珊瑚绒、工业滤布、过滤棉和麻布)的1.90～2.85倍,吸水率达3.2±0.17 g/g,膜HRT为0.85±0.050 h/m,氨氮和总磷脱除率达100%需要5天和3天,因此综合比较来看,选择棉布作为成膜基底最为合适。在研究光强和流量对微藻生物膜反应器沼液净化效果影响的实验中,发现光强为15000Lux时微藻生物膜产率最大,达7.02±0.044 g/m/d,且沼液中的氮磷脱除率均达到了100%。在流动挂膜的初始阶段,低流量(10 mL/min)工况下底部悬浮液中的微藻全部附着在生物膜基底上需要1天,而在中流量(15ml/min)工况和高流量(20 ml/min)工况下需要2天,表明基底挂膜的生物量与流量无关,但挂膜的时间会随流量的增加而增加。反应器内微藻成膜达到稳定状态后,低流量(10 ml/min)工况下微藻生物膜密度沿着水流方向从初始位置的70.03 g/m下降到终点位置的23.73 g/m,而高流量(20 ml/min)工况中则从63.41g/m下降到12.33 g/m,说明流动剪切力的作用会使得微藻生物膜密度沿水流方向呈下降趋势,且流量越大的情况下生物量下降越明显。值得注意的是不同流量工况下,氨氮和总磷的去除率都达到了100%,高流量工况中氨氮脱除周期更短,而低流量工况中总磷脱除周期更短。(3)采用序批式操作方法长期运行微藻生物膜反应器的实验中,经过三个培养周期(21天),微藻生物膜密度达到了52 g/m,并在其后14天的连续运行中保持了稳定。在五次沼液批次净化过程中,沼液中总磷的脱除率均达100%,氨氮脱除率最低达89.3%,氮磷出口浓度均满足国家颁布的《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB18596-2001)。生物膜密度达到稳定后反应器出水口处于悬浮态的微藻浓度为0 mg/L,证明了反应器内生物膜结构的稳定,微藻和沼液通过成膜的方式实现了有效的分离。在串联系统中,1号和2号反应器中微藻Fv/Fm值稳定在0.56,3号反应器中微藻Fv/Fm值稳定在0.66,证明了连续处理沼液过程中微藻光合潜力并未受到影响。最终串联系统出口处的氨氮和总磷脱除率均达到了100%,实现了沼液单次循环流过反应器即可将氮磷脱除完全的目标。

摘要： 最近,麻省理工学院和印度理工学院马德拉斯分校的研究人员利用一种微型3D打印的培养系统,培育出自组织脑组织(即类器官),并可实时研究其生长发育。研究人员通过3D打印制造出一个可重复使用且易于调整的平台,制造成本仅5美元左右。该平台是一种生物反应器芯片,包括为生长中的类器官和微流体通道提供营养液的孔,同时可为促进组织生长提供预热。