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关键词： 菌藻颗粒污泥   光谱条件   胞外聚合物   膜污染  

摘要： 菌藻颗粒污泥(MBGS)是一种微藻与微生物聚集体,将MBGS系统与膜生物反应器(MBR)结合起来作为一种高效率、低成本、适应性强的污水处理配置方案,在提升处理效果并降低操作成本方面具备明显优势,然而膜污染是制约其规模化使用的主要因素之一。不同光谱条件会改变微藻生长及微生物群落变化,因此本实验在不同光谱条件下构建MBGS-MBR系统,设置了五组反应器:R1白色光照、R2红色光照、R3复合光照红:蓝2:1、R4复合光照红:蓝1:2、R5蓝色光照。研究了不同光谱条件下MBGS污泥性质、污染物去除效率、单位MBGS的叶绿素含量对膜污染的影响及不同光谱条件下分体式和浸没式膜生物反应器膜污染的机制。主要结论如下: 1.不同光谱条件培养下,红蓝双色复合光源更有利于MBGS的形成和污染物去除。在整个MBGS的生长过程中,颗粒污泥在蓝光比例较大的红蓝复合光照条件(R4)下其叶绿素和藻胆素含量最多,微藻的生长有利于提高颗粒污泥粒径及沉降性,使MBGS结构更加致密稳定。随着培养时间的增加,MBGS的胞外聚合物(EPS)中蛋白质(PN)和多糖(PS)含量逐步增加至稳定。各系统对化学需氧量(COD)及总氮(TN)的去除效率均表现出红蓝复合光条件优于单色光条件,R4对污染物的去除效果最佳。 2.随着单位MBGS中叶绿素含量的增加,分体式MBGS-MBR的膜污染呈现先增加后减少的变化趋势。叶绿素含量为0 mg/g MLSS、0.08 mg/g MLSS、0.53 mg/gMLSS、2.17 mg/g MLSS、2.26 mg/g MLSS 时,总膜污染阻力分别为 3.92×1012m-1、4.00×1012m-1、4.12×1012m-1、3.94×1012m-1、3.89×1012m-1。三维荧光光谱(EEM)结果表明,导致膜污染的主要污染物为蛋白质类和腐殖质类物质。原子力显微镜(AFM)与扫描电子显微镜(SEM)结果显示,随着单位MBGS的叶绿素含量增长,膜表面污染层粗糙度先增加,后减少。叶绿素含量在0.53 mg/g MLSS时,膜表面粗糙度达到最高,滤饼层污染物最多,膜污染加重。 3.分体式膜生物反应器膜污染主要与可溶性微生物产物(SMP)有关。其中红蓝双色复合光照条件(R4)下比膜通量衰减速度最慢,膜污染最轻。Zeta电位分析结果表明,R4电负性绝对值最大,说明混合液带负电电荷最多,排斥作用最大,沉积在膜表面污染物减少。AFM与SEM结果显示,R4的污染层最薄且粗糙度最低,表明污染物形成的滤饼层更薄,污染物最少。QCM-D对各反应器SMP的分析表明,R1的吸附性膜污染最重且以不可逆污染膜为主。 4.浸没式膜生物反应器膜污染主要与松散结合的胞外聚合物(LB-EPS)有关。五组反应器总膜污染依次为:R4>R3>R5>R2>R1,均以可逆污染为主,浸没式膜污染大于分体式膜污染。SEM和AFM结果表明膜污染最重的R4膜污染层污染物最多,粗糙度最高。EEM显示LB-EPS中主要荧光类有机物为蛋白质和腐殖质,其中R4的PN含量最多且其检测到的吸附性膜污染最重。

关键词： 铁碳微电解填料   膜生物反应器   碳氮磷同步去除   吸附机理   磷回收  

摘要： 船舶生活污水中含有大量的碳氮磷等污染物,若直接排入海洋,会导致严重的海洋污染,国际海事组织要求船舶生活污水处理后满足MEPC.227（64）排放;同时污水中的磷除了是污染物质外,还是日益减少的不可再生资源,从污水中回收磷是获得磷资源并提升水质的有效办法。因此,本研究将铁碳填料与船用膜生物反应器耦合,利用其实现船舶生活污水中碳氮磷同步去除,并探究其机理,同时进行磷回收实验探究。 利用实验室自制的5种铁碳比铁碳微电解填料开展静态实验,结果表明,铁碳微电解填料对污水中污染物去除有明显促进作用,好氧条件下,铁碳比3:1填料碳氮磷同步去除表现最佳,氨氮、COD、总磷去除率分别为:73.45%、76.87%、89.03%。 采用好氧-厌氧膜生物反应器（O-A MBR）进行连续流小试实验,该设备可避免船舶摇摆造成的影响,适用于船舶污水处理。O-A MBR在启动运行4天后,出水COD和TN的浓度均低于MEPC227（64）排放标准,O-A MBR具备快速启动能力;耦合系统的动态实验研究表明,当HRT1=8 h时,系统运行达到最优状态,此时平均出水COD、TN、TP浓度分别是39.14 mg/L、7.98 mg/L、0.49 mg/L;C/N比发生变化时,铁碳微电解填料对于低C/N比污水脱氮效果有增强作用,COD、TN、TP出水均能满足MEPC227（64）标准;进水磷浓度发生变化时,对系统内COD和TN的处理效果无明显影响,高进水磷浓度时,出水磷浓度依然可以满足MEPC227（64）排放标准。 分析铁碳填料的除磷机理,Langmuir等温线模型与吸附数据拟合最佳,伪一阶动力学方程能较好的描述填料除磷过程,填料的吸磷机制主要是化学吸附,填料对磷的吸附过程主要由颗粒内扩散控制;扫描电子显微镜（SEM）显示填料表面孔隙明显减少,X射线衍射（XRD）结果表面填料表面附着了Fe P沉淀物。同时,使用2%H2SO4对填料进行解吸,解吸率达37.90%,对获得的解吸液进行磷回收,表征表明,SEM观察到的表面形貌与鸟粪石的典型结构相似,XRD得到的图谱吸收峰位置与鸟粪石图谱吸收峰位置基本一致,傅里叶红外（FTIR）结果显示磷回收产品中含有PO43-、NH4+两种基团,基本可以确定磷回收产品为鸟粪石,回收率为57.28%。 本研究开发了一种新的耦合系统,即铁碳填料耦合船用O-A MBR系统,处理后船舶生活污水满足MEPC227（64）标准,为船舶生活污水处理系统设计拓展了思路。

关键词： 电化学膜生物反应器   猪场污水   产电   膜污染  

摘要： 我国是世界生猪养殖“第一大国”,在猪肉生产的同时也产生大量粪污,随着近年来楼房养猪模式的探索和推广,猪场粪污高度集中对周围环境具有极大污染风险,其中猪场污水的潜在污染风险尤为突出,猪场污水处理技术创新是现代生猪养殖业可持续发展的关键。膜生物反应器（Membrane bioreactor,MBR）是目前出水等级最高的污水处理技术,但膜污染是MBR应用的重要限制因素,研究表明附加电场可有效减缓MBR膜污染;微生物燃料电池（Microbial fuel cell,MFC）借助产电微生物在厌氧条件下降解污水中污染物产电,因此,将MBR与MFC融合形成电化学膜生物反应器（Electrochemical membrane bioreactor,EMBR）,有望提高污水中污染物去除效率且利用系统产电缓解膜污染,为猪场污水高效处理提供技术参考。主要结论如下: （1）自主设计有效容积为10 L的闭路和开路EMBR两套:闭路EMBR的外电阻设为无限大,阳极室中阴阳两电极与膜池内碳板和碳棒通过导线连接形成闭合环路;开路EMBR的外电阻设为1000Ω,膜池内碳板和碳棒保持断开状态。当猪场污水化学需氧量（Chemical oxygen demand,COD）、氨氮（Ammonia nitrogen,NH4+-N）、总氮（Total nitrogen,TN）和总磷（Total phosphorus,TP）浓度分别为（3394±238）mg·L-1、（298±17）mg·L-1、（420±33）mg·L-1和（71.7±11.2）mg·L-1,水力停留时间（HRT）为3 d、膜区溶解氧（DO）为2～4 mg·L-1和污泥停留时间（SRT）为30d时,闭路和开路EMBR均可连续稳定运行:闭路EMBR最大输出电压为(Umax)623.7 m V、最大功率密度为(PAmax)62.7 m W·m-2、内阻（r）为229.1Ω、输出电压为492.0±19.0 m V和库仑效率（CE）为15.5%,闭路EMBR产电性能优于开路EMBR,但差异不显著（P>0.05）;闭路EMBR对污水中COD、NH4+-N、TN和TP的去除率分别为90.4%±0.5%、76.6%±1.8%、62.6%±1.6%和70.5%±3.4%,仅TN去除率显著高于开路系统（P<0.05）;闭路和开路MEBR的膜污染清洗周期分别为26 d和20 d,闭路系统可缓解膜污染。据此优化出闭路EMBR结构,用于后续试验。 （2）试制闭路EMBR 3台,选择三个水平的HRT（2、3和4 d）、DO(<2.0、2.0～4.0和>4.0 mg·L-1)和外电阻（100、500和∞Ω）,采用正交试验,设计形成9个处理组,进行运行效果试验。结果显示:EMBR的Umax、PAmax和r分别为619.4～627.7 m V、58.9～62.4 m W·m-2和235.1～249.7Ω,对污水COD、NH4+-N、TN、TP、TSS和浊度的去除率分别为86.7%±7.3%、70.7%±16.5%、60.0%±13.7%、67.1%±14.5%、99.0%±0.1%和99.8%±0.1%,EMBR运行过程中膜污染速率为（10.6±1.3）k Pa·m-1、膜污染清洗周期为24±8 d。通过极差分析,优化出EMBR运行参数为:HRT为4 d、DO为2～4 mg·L-1和外电阻为∞Ω,在此运行条件下,处理猪场污水的Umax、PAmax和r分别为626.8±8.8 m V、62.3±2.9 m W·m-2和239.5±14.6Ω,对猪场出水COD、NH4+-N、TN和TP的去除率分别为93.5%±0.6%、88.5%±1.9%、74.2%±1.5%和90.4%±2.4%;膜污染速率为（8.7±0.4）k Pa·m-1,膜污染清洗周期为36 d。 （3）基于最佳运行参数,探讨EMBR处理猪场污水的膜污染减缓机制。结果显示:膜池活性污泥中胞外聚合物（Extracellular polymeric substances,EPS）和溶解性细胞产物（Soluble microbial products,SMP）的含量分别为（192.14±14.82）mg·gMLSS-1和（84.82±10.25）mg·gMLSS-1,活性污泥的Zeta电位的绝对值为18.5±1.6 m V。污泥粒径大于50μm的絮体占比83.6%。膜池活性污泥混合液在属水平上的优势菌属为Saccharimonadales（糖酵母菌属）、Thauera（陶厄氏菌属）和Micropruina（微白霜菌属）,相对丰度分别为53.5%、7.2%和5.2%,其中Saccharimonadales和Thauera具有较强的COD去除和反硝化脱氮能力,Micropruina具