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关键词： 养殖废水   脱氮处理   生物基质材料   降解速率  

摘要： 近年来，由于养殖业快速发展引起的水环境污染问题，引起广泛关注，大量未经处理的畜禽养殖废水随意排放造成了河流和湖泊水体的严重富营养化。人工湿地技术已被广泛应用于农业源污水的生态治理，但由于养殖场直排废水负荷高，易造成湿地植物无法生长、处理效率低等问题。基于此，本研究通过为期一年的野外控制试验，探讨利用常见的农作物秸秆降低污染负荷的可行性，目的在于使养殖废水通过前端预处理，以使得废水浓度达到湿地植物能够耐受的范围。试验设置麦秸、稻草、玉米秆和空白对照(CK)4组处理，3次重复，设定为连续式进水，水力停留时间为7d，主要比较分析三种基质材料对猪场废水中化学需氧量(COD)、总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)的去除效率，测定生物基质池中与氮循环相关的功能基因丰度，并分析三种基质材料木质素、纤维素和半纤维素的降解过程，以期初步阐明基质材料脱氮的微生物机理，为养殖废水的生态治理提供理论依据，为关键工程参数的确定提供数据支撑。　　试验结果表明:　　1)三种作物秸秆对养殖废水COD、TN及NH4+-N等主要污染物的去除率均以前6个月为最佳，之后去除效果则明显下降，污染物年均去除率均在25.8％～35.3％，但三种作物秸秆的表现则不尽一致，其中麦秸及玉米秆对COD的去除效果相对较好，而稻草及麦秸对TN与NH4+-N的去除效果则较好。　　2)三种作物秸秆降解速率具显著差异，其中稻草的干物质年降解率最高(77.5％)，其次为麦秸(70.8％)，玉米秆降解最慢(67.4％)，但均以前6个月为主要降解阶段(＞50％)。表明生物基质池中基质材料的补充时间以5～6个月为最佳。秸秆主要构成成份中以纤维素的降解速率为最快，年降解率为92.2％～96.0％，其次为半纤维素，为93.2％～95.6％，而木质素降解最为缓慢，仅为85.8％～89.6％。　　3)三种秸秆添加对基质池N转化影响的微生物机理略有差异，其中稻草和麦秸处理hzsb基因与nirS基因丰度相对较高，表明添加稻草和麦秸会强化基质池厌氧氨氧化和反硝化微生物的氮转化作用，而添加麦秸处理的AOA与AOB基因丰度相对较高，表明麦秸主要是促进了生物基质池的硝化作用。

关键词： Anaerobic baffled reactor   membrane bioreactor   nitrogen removal   membrane fouling   municipal wastewater  

摘要： A modified anaerobic baffled reactor (ABR) combined with a submerged membrane bioreactor (MBR) was applied to treat municipal wastewater. The performance of this process was examined in terms of the removal of organic matter, suspended solids, turbidity and nitrogen. The raw wastewater was fed to the 105 L ABR and then the treated effluent was driven to a 58 L MBR equipped with a submerged hollow fibre ultrafiltration membrane module. The integrated modified ABR-MBR process resulted in the complete removal of total suspended solids (TSS) and in very high chemical oxygen demand (COD) removal (93.3 +/- 3.8%). Furthermore, the recycling of mixed liquor from the MBR to the modified ABR resulted in some denitrification occurring in the first compartment of the ABR, resulting in 53 +/- 6% removal of nitrogen by the integrated process. The membrane flux was stable and above 20L/m(2)h. Membrane examination at the nanoscale indicated the deposition of small particles on the surface of the membranes.

关键词： 矿化垃圾   油基岩屑   生物反应器   16SrRNA  

摘要： 随着社会经济的高速发展,人们在生活生产中对石油天然气的需求量与日俱增,钻井工业飞速发展。油基钻井液,也称之为“油基泥浆”,在钻井作业中的使用日益广泛。在使用油基钻井液钻井之后,会产生大量的油基岩屑,其成分复杂,尤其含有大量的石油烃类物质,常常难以处理。目前油基岩屑的处理常采用热解技术,化学处理方法,生物处理方法等,传统的生物处理方法常常致力于培养和筛选高效石油烃降解菌种,其难度大,且易受环境的影响。矿化垃圾是经过长期生物降解后的形成的类似于土壤的物质,其中含有丰富的微生物种群且性质稳定,对有机物的代谢能力强,因此本文提出使用矿化垃圾生物反应器处理油基岩屑,利用矿化垃圾中丰富的微生物降解油基岩屑中的石油烃类等污染物。通过室内模拟实验,构建生物反应器,研究了矿化垃圾生物反应器处理油基岩屑的最佳反应类型和混合比例,确定了矿化垃圾对油基岩屑中石油烃类物质和有机物的降解规律。并通过高通量测序手段对反应体系中的优势菌群进行识别,分析了不同类型反应器中样本的微生物组成和多样性。研究了不同类型生物反应器对油基岩屑中石油烃类污染物的去除效果。室内实验表明,好氧、准好氧、厌氧生物反应器在运行117 d时的石油烃类去除率分别达到68.38%、67.38%和50.70%。好氧和准好氧反应器中油基岩屑的降解效果相当,且优于厌氧反应器的降解效果。考虑到经济效应,将准好氧生物反应器作为矿化垃圾降解油基岩屑的最佳反应类型。探究了矿化垃圾与油基岩屑不同混合比例条件下,对石油烃类的降解效果。当矿化垃圾与油基岩屑的质量比以6:4混合时,石油烃类去除效果最好,达到68.61%,其次是7:3比例下,石油烃类去除率达到64.41%。效果最差的为混合比4:6,石油烃类去除率为43.13%,将6:4的混合比作为在准好氧条件下的最佳比例。通过高通量测序手段对样本进行16SrRNA测序,经α多样性分析发现,在处理前的样本中的微生物多样性大,表明矿化垃圾中有大量的微生物存在,这是选用其来处理油基岩屑的根本原因。通过对菌门和菌属水平下的样本微生物的组成分析表明,矿化垃圾生物反应器降解油基岩屑体系的优势菌门为变形菌门、放线菌门、厚壁菌门;优势菌属为不动杆菌属、诺卡氏菌属、假单胞菌属。通过对微生物的组成成分的对比分析,提供了好氧和准好氧反应器更有利于矿化垃圾处理油基岩屑的理论依据。

关键词： 正渗透   膜生物反应器   膜污染  

摘要： 正渗透膜生物反应器（OMBR）是一种将正渗透分离技术应用到膜生物反应器中的新型污水处理装置,本论文将其应用于处理典型抗生素诺氟沙星废水。基于国内外相关研究,本论文以抗生素及COD的去除率和膜通量为性能指标,通过单因素实验对正渗透膜活性面朝向、汲取液种类和浓度、污水和活性污泥浓度等进行优化。实验结果表明:活性层朝向为汲取液一侧（PRO模式）下,渗透压较大的MgCl2溶液更适合作为此系统的汲取液,其最佳浓度为1.60 mol/L,污泥浓度为3000mg/L,污水COD浓度为2000 mg/L,诺氟沙星浓度为2 mg/L,在此条件下,COD去除率为84.21%,诺氟沙星去除率为93.70%。膜污染是影响膜分离技术广泛应用的主要因素之一。实验选取典型的无机污染物、有机污染物、胶体和固体污染物及微生物污染物对正渗透过程中的膜污染行为进行研究,初步探讨了正渗透过程中单一和复合污染物的膜污染机理。实验结果表明:对单一污染,典型无机污染物膜污染程度按照大到小顺序为二氧化硅、硫酸钙、硫酸镁。以海藻酸钠、牛白蛋白和腐植酸模拟多糖、蛋白质和腐殖质等典型有机污染物,研究正渗透过程的有机污染。膜污染程度按照大到小顺序为海藻酸钠、腐植酸、牛白蛋白;对复合污染,膜污染程度按照大到小顺序为海藻酸钠/腐植酸、海藻酸钠/牛白蛋白、腐植酸/牛白蛋白,复合污染物两者间存在协同作用。

关键词： 基质类型   温度   CO2浓度   牧食  

摘要： 气候变化对生态系统的影响主要表现在温度的升高和CO2浓度的增加以及间接对其它环境因子（基质营养等）的影响。牧食关系也受到多种环境因子的影响,这种影响可能是协同或拮抗的。而目前关于螺草牧食关系的研究主要集中于探讨螺类牧食对水生植物的影响,缺乏对牧食者的关注。因此本文在全球气候变化的大背景下选取了3个因子,即基质类型、温度和CO2浓度,以苦草（Vallisneria spiralis）和耳萝卜螺（Radix auricularia）为研究对象,探究了这些因子对苦草,耳萝卜螺及其牧食关系的影响,主要研究结果如下:（1）螺类牧食和基质类型对苦草的生长、总氮含量具有显著的影响,牧食使泥沙基质和沙基质苦草的相对生长速率显著降低,使泥沙、沙和泥基质苦草地上生物量分别减少了67.74%、58.58%和17.84%。在不同基质类型下,牧食对苦草叶片的总碳含量无显著影响,但螺类牧食使泥基质和泥沙基质苦草叶片的总氮含量均显著降低,碳氮比均显著升高。沙基质下,螺类牧食使苦草叶片的总酚含量显著降低。基质类型对螺类的形态特征（除壳宽外）、生长、总碳及总氮含量均无显著影响。（2）牧食导致苦草的总生物量在高CO2条件下减少了25.3%,在低CO2条件下减少了28.6%。与对照组相比,螺+高CO2组苦草的总生物量减少了43.3%。升高CO2和牧食都能影响苦草的生长,改变其资源分配模式。牧食能使苦草叶片的总氮含量下降,升高CO2和牧食的交互作用使苦草叶片的总酚含量升高。并且,耳萝卜螺的总碳含量在高CO2条件下升高。（3）牧食对各处理组苦草的生长及生物量的积累均有不同程度的负影响,高温（27℃）处理对苦草的生长有显著的抑制作用。苦草在不同的环境条件下可能会采取不同的策略来抵御牧食的侵害。牧食导致各处理组苦草叶片的总碳含量和总氮含量均下降,而总酚含量升高。高CO2高温下螺的壳高和壳宽都有所减小,且高CO2导致的水体酸化对螺壳的生长可能存在抑制作用。

关键词： 生物制药   振荡式生物反应器   流场特性   剪切特性   混合性能   溶氧性能  

摘要： 生物制药通过细胞的体外培养快速获取医药蛋白，是21世纪具有广阔应用前景的产业，而为细胞体外生长提供生存环境的生物反应器，则是生物制药过程中关键的设备。动物细胞没有细胞壁，对于外界的环境变化非常敏感，所以对生物反应器流场环境的要求相当高，振荡式生物反应器作为新兴的动物细胞培养设备，有着高溶氧、低剪切等优势，相比其他生物反应器更加具有发展潜力。　　目前人们对圆形振荡式生物反应器研究比较多，但这种反应器与传统的搅拌式反应器相比，其混合和传质略差。为了在保持低剪切特性的同时，提升混合和溶氧性能，本文提出了非圆形振荡式生物反应器结构，并通过模拟仿真分析其流场特性，确定了能够满足培养要求的较优结构，然后继续分析了转速、工作体积对非圆形振荡式生物反应器内流场特性的影响，通过与圆形结构对比得出各自的优缺点。论文的主要研究工作和成果如下：　　（1）建立了振荡式生物反应器的气液两相流模型，采用VOF（Volume of Fluid）追踪反应器内流体的气液界面，液体的贴壁圆周运动采用RNG k-ε湍流模型模拟。通过数值模拟分析了圆形振荡式生物反应器的流动形态，并进行了圆形振荡式生物反应器流动特性实验，比较了圆形振荡式生物反应器流动形态的数值模拟和实验结果，发现在一个流动周期内不同时间节点上，数值模拟得到的液面高度和形状和实验中记录的结果基本吻合，验证了本文建立的反应器数值模型的可靠性。　　（2）通过数值模拟比较了圆形和非圆形（方形和椭圆形）振荡式生物反应器的流动特性，发现非圆形振荡式生物反应器内流体振荡更加激烈，其在湍流、溶氧、剪切特性上流场参数均明显大于圆形反应器，即非圆形反应器的混合和传氧能力显著优于圆形反应器。同时，非圆形振荡式生物反应器平均剪切率的增加将加大细胞的损伤程度，但只要反应器转速不超过50rpm，方形和椭圆形振荡生物反应器的最大平均剪切率小于16.795s-1，仍能满足细胞培养环境的要求。　　（3）研究了方形振荡式生物反应器转角半径对流动特性的影响。随着转角半径的增大，方形振荡式生物反应器的湍动能耗散率和单位体积氧传质系数kLa减小，混合和溶氧性能逐渐减弱，平均剪切率也逐渐降低。综合考虑混合、溶氧性能和平均剪切率，额定容积6.5L的方形振荡式生物反应器转角半径宜取72.5mm。　　（4）研究了椭圆形振荡式生物反应器长短轴比对流动特性的影响。随着长短轴比的增大，椭圆形振荡式生物反应器的湍动能耗散率和单位体积氧传质系数kLa增大，混合和溶氧性能逐渐加强，平均剪切率也逐渐提高。当长短轴比为1.4时，椭圆形振荡式生物反应器的平均剪切率为16.63s-1，处于细胞培养的最佳平均剪切率范围，因此额定容积6.5L的椭圆形振荡式生物反应器长短轴比应小于等于1.4。　　（5）研究了工艺参数对振荡式生物反应器流场特性的影响。发现相比圆形结构，两种非圆形结构在混合、溶氧方面都具有较大的优势，也能在较大的工作体积下保证培养效率。随着转速提高，振荡式生物反应器的湍动能耗散率、单位体积氧传质系数kLa和平均剪切率增大。随着工作体积增大，方形和椭圆形振荡生物反应器的平均剪切率和单位体积氧传质系数kLa不断减小，而湍动能耗散率呈现先增大后减小的变化规律。

关键词： 膜生物反应器   芳香类化合物   膜污染   微生物群落结构   活性炭  

摘要： 石油炼制过程中会产生大量含高浓度有毒难降解污染物的废水。随着劣质重油炼制比例升高、炼油工艺复杂化,废水处理难度进一步加大。另一方面,炼化废水排放标准的提升也促使废水处理工艺升级。膜生物反应器（MBR）结合了生物降解和膜分离过程,具有出水水质高、容积负荷高等优点。然而,难降解污染物在MBR中的去除效率及其对膜污染的影响尚不明确。本文通过研究芳香类化合物在MBR中的去除途径,深入分析膜污染机理,并提出相应的膜污染减缓手段,为MBR的推广应用和膜污染控制提供指导。对污泥停留时间（SRT）与甲苯和蒽的去除关系及其对膜污染影响的研究表明,MBR中甲苯和蒽的去除率和生物降解率随着SRT的延长而升高。SRT的延长有利于降低松散结合型胞外聚合物（LB-EPS）的含量,并减少与膜污染高度相关的异常球菌属（Deinococcus）和暖绳菌科（Caldilineaceae）的相对丰度,减缓膜污染;过长的SRT则导致污泥过滤性能变差,加重膜污染。对含氮化合物苯胺对MBR运行性能及其膜污染影响的研究表明,初始苯胺负荷冲击显著降低了 MBR中TOC和NH4+-N的去除率。随着进水苯胺浓度的升高,污泥中溶解性微生物产物（SMP）和胞外聚合物（EPS）含量的升高,尤其是SMP中的多糖含量,导致膜污染速率增大。当进水苯胺浓度为50mg/L时,膜污染速率增加了 1.7倍。苯胺浓度的升高显著降低了污泥生物群落的丰度和多样性;长期驯化后,MBR有效富集了可降解芳香类化合物的丛毛单胞菌属（Comamonas）,其相对丰度由0.3%增加到16.4%。研究了 PTFE、PVDF、Ceramic不同膜材料与膜污染的关系。结果表明,三种膜的膜污染速率可排序为:PTFE＞PVDF＞Ceramic。膜的亲疏水性对膜污染具有较大的影响,表面粗糙度低的膜不易发生膜污染。SMP和LB-EPS中色氨酸和络氨酸类蛋白质是造成膜污染的关键物质。通过投加不同粒径活性炭可以显著减缓膜污染。结果表明,粉末活性炭和颗粒活性炭分别将膜清洗周期延长至2.6倍和1.7倍。活性炭的投加增大了污泥絮体粒径,提升了污泥过滤性能。粉末活性炭能有效吸附污泥混合液中的SMP和LB-EPS,减缓膜初始污染速率的同时提高了污泥层的可过滤性。颗粒活性炭则主要减少了 LB-EPS中多糖、蛋白质含量,并在曝气作用下冲刷膜面,降低了膜面SMP和EPS的沉积量,抑制污泥层的形成,延长了膜的运行周期。

关键词： 印染废水   聚氨酯泡沫   固定化   黄曲霉A5p1   生物脱色   生物反应器  

摘要： 我国是纺织工业大国,每年有大量相关企业进行废水的排放。因染料多属于难降解物质,未经处理直接排放到环境中,会导致接收水体质量退化和总生态平衡破坏。生物法作为一种环境友好的处理手段受到青睐,但是传统的生物法存在稳定性较差等问题,生物固定化技术是解决此类问题的策略之一。本文以实际废水为研究对象,从以下三方面开展研究工作:(1)使用固定化技术,以缩短实际印染废水的脱色周期;(2)使用价格低廉且易获得的材料作为培养基,以降低处理成本;(3)构建反应器,以便可以连续处理废水。黄曲霉A5P1对实际印染废水的脱色率曲线与细胞生长量的曲线几乎一致,脱色率不断上升并于第5天达到最高脱色率61%,生物量也随之在第5天达到最大值2.8 g·L。使用聚氨酯泡沫D-0固定化黄曲霉脱色印染废水时,第1天的脱色率是未固定化的1.7倍,第2天即达到66%的脱色率,而游离细胞第需要5天才能达到的最大脱色率61%,可见固定化后缩短了印染废水处理的周期。分别选用黄豆粉、玉米粉、麸皮粉、硫酸铵作为氮源,以蔗糖作为碳源,进行培养基成分以及投加量的优化,确定最终优化培养基:0.4%蔗糖、0.3%麸皮粉、pH=5.0、印染废水为基质。与原培养基相比,总成本下降95%。优化的培养基应用于固定化细胞时,pH的变化趋势和脱色率很相似,都是先上升然后变平缓。脱色率在初始阶段快速增长,并于第2天即达到了最高脱色率71%。摇瓶培养考察,优化培养基下的固定化黄曲霉A5P1脱色印染废水的影响因素,发现温度在25℃0℃范围内影响并不显著;最适起始pH值为5.0;配制不同浓度废水,脱色进程趋势相似,原废水的最高脱色率比稀释后的废水高。在摇瓶中考察固定化细胞重复利用的情况,4次重复利用后,脱色率从63%逐渐下降至第55%。之后搭建并运行曝气式反应器,观察其对实际印染废水的脱色情况,发现在反应器运行的25天里,前22天脱色率整体维持在67%左右,最高脱色率为70%。可见系统稳定性较好。

关键词： 绿豆环氧水解酶   对映归一性水解   位置选择性   分子改造   固定化   生物反应器   (R)-硝苯洛尔  

摘要： 以苯乙烯类氧化物衍生得到的手性邻位二醇是合成β-受体阻断剂药物的关键中间体,这类药物在治疗心血管疾病中发挥着很好的疗效,因此研究手性邻位二醇的合成具有非常广阔的医药研究价值。以环氧水解酶为工具,从外消旋的环氧化物出发合成手性邻位二醇,反应过程中无需金属离子和辅酶参与,且来源广泛,因此一直吸引着学者们的关注。但是大多数环氧水解酶在水解环氧化物时,都会面临最大理论得率50%的限制。本实验室前期获得的绿豆环氧水解酶2(VrEH2),能够对映归一性水解外消旋的对硝基苯乙烯氧化物(p-Nitrostyrene Oxide,pNSO),突破了动力学拆分水解的得率限制(≤50%yield),且生成以单一构型为主的(R)-对硝基苯基乙二醇(p-Nitrophenyl Glycol,pNPG)。但由于天然酶对(S)-底物的位置选择率rS(αS/βS)仅为7.3,造成产物(R)-pNPG的光学纯度并不完美(～84%ee),且对其他苯乙烯类氧化物的归一性程度更差。本课题通过解析酶的晶体结构,在结构信息指导下对酶的活性中心进行局部精准改造,以提高酶催化环氧水解反应的位置选择性,从而实现更加完美的对映归一性水解;并在此基础上拓展其底物谱适用范围,提升该酶在合成洛尔类药物前体中的应用潜力。本论文首先利用X-射线衍射技术解析了 VrEH2酶的晶体结构。通过对基因表达载体起始编码位置的优化,去除了蛋白N端的冗余序列,降低了蛋白末端的灵活性,促进了晶体的有序堆积,显著提高了晶体的衍射分辨率(3.20 (?)→1.39 (?)),并解析了 VrEH2的晶体结构(PDB:5XM6)。结构上VrEH2属于典型的α/β-水解酶家族,具有灵活的帽子结构域和狭长的底物通道,其活性位点由催化三联体(Asp101-Asp262-His297)和氧洞残基(Tyr150-Tyr232)组成。我们利用分子对接手段模拟了酶与S构型底物的结合构象,并通过分析催化残基与底物环氧基团间的相互作用,初步探究了其位置选择性的结构基础。通过酶与(S)-pNSO结合构象的分析,我们首先锁定了底物结合周围的4个非催化氨基酸残基(Phe33、Ile176、Phe196和Met263)。为了考察所选位点对VrEH2位置选择性的影响,我们设计简并密码子表(Val-Asn-Phe-Trp)对候选氨基酸残基进行了定点突变,构建了小巧型突变体库。其中突变体M263N可专一性地进攻(S)-pNSO环氧基团上的Cα,其位置选择率rS值(=αS/βS=99.0)相比于母本(rS=7.3)提高了 14倍,同时催化效率(kcat/Km)提升了近22倍;而突变体M263W的位置偏好性发生了翻转,rS值仅为0.1,催化效率(kcat/Km)也下降了近19倍,表明Met263位点的突变对(S)-pNSO的位置选择性和催化活性都具有强调控作用。为了探究位置选择性提高的原因,我们解析了突变体M263N(PDB:5Y6Y,分辨率1.50 (?))及其与(S)-pNSO复合物的晶体结构(PDB:5YB5,分辨率1.90(?)),发现Asn263酰胺基团的氮原子可与(S)-pNSO硝基上的两个氧原子形成氢键相互作用,微调了底物的结合构象,使得催化残基Asp101与环氧基团上Cα(3.2 (?))和Cβ(4.4 (?))间的距离差异(dCα2/dCβ2=0.53)更加明显,酶分子更易于进攻(S)-环氧底物Cα位,提高了位置选择性。由于酶突变体M263N在提高对(S)-pNSO位置选择性的同时,保留了对(R)-pNSO的优异位置选择性(rR=βR/αR=99.0),使得酶催化水解rac-pNSO的对映归一性程度近乎完美(99%conv.,98%ee)。随后,通过反应条件的优化,我们利用突变体M263N进行了制备反应,最终产物(R)-pNPG的分离得率为92%,ee值高达98%。在263位关键位点的普适性研究中,我们发现该热点残基对于其他环氧水解酶(PvEH1,GmEH)催化的位置选择性同样具有正调控作用,为此类环氧水解酶的对映归一性改造提供了有益的启示和参考。在此基础上,我们针对热点残基Met263进行了半饱和突变,从侧链基团的极性和大小角度考虑,构建了VrEH2的小巧型突变体库(Ala-Val-Cys-Ser-Asn-Gln)。通过测定突变体对苯乙烯类氧化物(1a-17a)的对映归一性水解性能,发现突变体M263V催化芳环对位取代的苯乙烯类氧化物(1a-6a)的对映归一性程度均有提高;而突变体M263Q催化间位取代的苯乙烯类氧化物(8a-17a)的对映归一性提升程度较为明显,产物的ee值由原来的不足20%提高至90%以上。我们分别测定了突变体对不同构型底物(1a,3a,11a)的位置选择率,说明Met263的突变对于其他苯乙烯类氧化物的位

关键词： 甲烷   气液两相流   生物反应器   FLUENT模拟  

摘要： 利用甲烷生物合成可降解材料聚β羟基丁酸酯(PHB)对于缓解由于温室气体(甲烷)引起的全球变暖和白色污染具有重要意义。PHB是高速发展的新型生物可降解高分子材料,通过甲烷氧化菌的高密培养,PHB在细胞中积累。目前阻碍甲烷合成PHB工业化生产的主要瓶颈是甲烷在水中的溶解度低,细胞生长密度低。因此,为最大限度的实现甲烷氧化菌的高密培养,本文利用FLUENT数值模拟方法,观察研究甲烷和水气液两相流在水平管式生物反应器中的流动状况和混合机理,优化设计该生物反应器的各阶段的结构尺寸,为实现工业化生产作理论铺垫。水平管式循环反应器的分段包括混合段、水平段、垂直段和弯管。考虑细胞生存的环境和细胞的脆弱度,采用文丘里混合器和静态混合器相结合的混合结构。本文设计了一种专为甲烷和水混合的文丘里混合器,通过FLUENT数值模拟考察了甲烷速度、水速度、入口角度、细管直径和出口角度五种因素对混合效果的影响。首先考察单因素对文丘里混合器混合效果的影响,总结单因素对混合效果的影响规律。为获得最优混合器结构,再安排正交试验,发现各因素对文丘里混合器混合效果的影响程度顺序依次为:水速度>出口角度>细管直径>甲烷速度>入口角度。采用极差分析法,得出五种因素的最佳组合。采用响应面法和遗传算法,进一步确定最优结构参数和工艺参数。利用FLUENT数值模拟,比较SK型和SX型静态混合器的内部流动,以出口处甲烷体积分数和混合器内湍动性能为参考,选择合适的静态混合器类型和结构参数。水平管段和垂直管段的设计直接影响生物反应器内甲烷氧化菌高密培养的产量,因为水平段的长度和垂直段的高度直接决定生物反应器的体积大小,需要考虑管段长度和高度变化对体积传质系数和湍动性能的影响,所以水平段长度和垂直管段的高度分别以长径比和高径比为参数,模拟水平管段和垂直管段流动,确定管道长度和高度。弯管处管道形状在直角弯管和U形管中选择,对比两种管道水平放置和垂直放置时管道内的流动状况,以含气率和湍动性能为参考,选取合适的管道形状。为该生物反应器的结构尺寸优化设计奠定理论基础。