课程文献中心 更多>>

关键词： 分置式厌氧膜生物反应器   悬浮填料   膜污染   负荷冲击   水力反冲洗   微生物种群结构  

摘要： 本试验向厌氧膜生物反应器(An MBR)投加聚乙烯材质填料构建悬浮填料An MBR系统处理啤酒生产废水。在反应温度为35±2℃,HRT为48 h的条件下,研究了悬浮填料An MBR系统的污染物去除效果、微生物种群结构及膜污染特性,得到以下结论:(1)启动阶段,反应器容积负荷(OLR)从0.48 kg COD/(m·d)逐步提升至2.12 kg COD/(m·d),An MBR历时16 d完成启动,启动成功后系统COD去除率达到96.0%以上。启动过程中反应器内p H、碱度(ALK)和挥发性脂肪酸(VFA)等指标均正常。向厌氧反应池内投加悬浮填料进行挂膜,40 d后悬浮填料附着生物膜量趋于稳定,达到约117.59 mg/g。(2)稳定运行阶段,在进水COD浓度为3000～5000 mg/L条件下,与未投加填料An MBR比较,悬浮填料An MBR的COD去除率提高1.1%,达到97.5%;平均日产气量升高1.57 L/d,达到19.57 L/d。稳定运行阶段反应器出水氨氮和磷酸盐浓度均高于进水,说明本试验构建的悬浮填料An MBR系统不具备去除氨氮和磷酸盐的能力,需对反应器出水进行脱氮除磷处理。(3)负荷冲击阶段,将反应器进水COD负荷提升至稳定运行期的1.6倍、2.1倍和4.1倍进行负荷冲击试验。在1.6倍负荷和2.1倍负荷冲击12 h后,系统COD去除率未出现大幅度波动,分别保持在98.6%和97.9%;在4.1倍负荷冲击12 h后,系统COD去除率降至92.8%,冲击结束24 h后出水COD浓度恢复正常水平。悬浮填料An MBR对短时负荷冲击具有较强的耐受能力和恢复能力。(4)微生物种群结构分析结果表明,悬浮填料An MBR系统中微生物群落结构多样性较为丰富,主要为广古菌门、绿弯菌门、变形菌门、厚壁菌门、Cloacimonetes菌门、热袍菌门和拟杆菌门等门类的微生物;产甲烷菌为悬浮填料An MBR系统中的优势菌种,其在混合液污泥、悬浮填料生物膜和滤饼层污泥中的占比分别为17.31%、26.62%和16.63%,其中甲烷杆菌和甲烷丝菌所占比例较高,占比分别在10.07%～21.85%和2.26%～5.91%范围内。(5)膜污染特性研究结果表明:与未投加填料An MBR比较,悬浮填料An MBR总过滤阻力(R),滤饼层阻力(R)及R/R均更低,混合液SMP及EPS含量分别降低20.5%和29.4%,滤饼层EPS含量降低20.5%,膜污染速率减缓;当混合液回流比由50%升至400%时,R及R呈增大趋势,膜污染速率减缓;水力反冲洗可以有效控制初期膜污染,一定范围内提高水力反冲洗频率,可以降低R和R,减缓膜通量下降速率,延长膜组件化学清洗周期。(6)悬浮填料An MBR系统混合液EPS和滤饼层EPS中的荧光类物质主要为芳香类蛋白质和色氨酸类蛋白质。投加悬浮填料有利于降低混合液EPS中芳香类蛋白质含量,滤饼层EPS中色氨酸类蛋白质的积累是影响膜污染的重要原因。FTIR图谱分析表明蛋白质和多糖是混合液污泥中的主要有机组分,也是膜面污染物的重要成分。

关键词： 分子马达   心肌自发振动   力学化学循环   驱动蛋白Eg5   肿瘤生长模型   米氏方程  

摘要： 分子马达是细胞内将ATP水解的化学能转化为机械能的纳米机器。研究分子马达的结构和工作原理,是当今生命科学、生物技术乃至新材料、新能源等领域重要的前沿课题之一。分子马达的力学特性与溶液中各类化学成分的浓度密切相关,体现出丰富化学动力学特性。本文针对心肌纤维的自发振动现象、化疗药物作用下肿瘤的生长过程,以及分子马达持续运动的速度等问题,研究了相关的化学动力学机制。心肌纤维自发振动是心肌收缩和松弛之外的第三种状态。研究自发振动的本质原因,有助于理解心脏工作的分子生物学机制。以往的理论模型虽然能够解释肌肉收缩及其自发振动的诸多现象,但是存在以下不足:(1)难以解释ADP-SPOC比Ca-SPOC型自发振动的周期长约十几倍的原因(2)未能建立心肌搏动的前向调节(Ca调制下的兴奋-收缩耦合)和后向调节(心脏形变产生力的反馈作用)两种机制与ATP水解循环中化学反应速率的定量关系。近年来的实验研究指出,处于僵直态且不产生力的肌球蛋白在力学化学循环中扮演着重要的角色,但相关的理论研究对其所起的作用通常仅作定性的讨论,几乎没有相关的理论计算,更没有将之用以定量地分析心肌纤维的自发振动。本文将不产生力的肌球蛋白作为一种独立的状态引入到传统的力学化学循环中,充分考虑ADP和ATP在结合肌球蛋白中的竞争机制,建立了ADP-SPOC型自发振动的化学动力学模型;考虑心肌纤维自发振动过程中,不产生力的肌球蛋白与肌丝在外力作用下被动脱离,以及Ca作用下肌球蛋白再次与肌动蛋白丝结合的过程,建立了Ca-SPOC型自发振动的力学化学循环模型。数值仿真显示,肌球蛋白各类状态的比例随时间振动变化,这是心肌纤维自发振动产生的化学动力学因素。研究结果表明:肌球蛋白结合肌动蛋白丝的速率与Ca的浓度pCa的值成正比,这为相关的定量计算提供了参考;ADP与不产生力的肌球蛋白的结合大大迟滞了ATP结合肌球蛋白的速率,这是ADP-SPOC比Ca-SPOC型自发振动的周期长得多的主要原因。基于驱动蛋白抑制剂对Eg5酶活性的影响,本文提出了化疗药物作用下肿瘤细胞的生长模型。肿瘤生长的数量与癌细胞的自然生长率、杀死率和耐药率密切相关。以往的肿瘤增长模型侧重描述肿瘤生长机制,或者旨在比较不同治疗策略下肿瘤的耐药程度,对于化疗药物的浓度与肿瘤生长数量关系的研究不够全面、深入。本文以化疗药物浓度与Eg5酶活性的线性负相关特性为基础,给出药物浓度与癌细胞自然生长率、杀死率和耐药率的定量关系,建立了肿瘤生长的模型和动力学方程组。数值计算的结果显示,在药物浓度较低的情况下,理论计算值与实验数据比较相符,而浓度较高时有一定的偏差。为了进一步验证和推广本文提出的肿瘤生长模型,我们将细胞毒素类药物化疗作用下肿瘤生长的实验数据与理论计算的结果进行了比较,发现若假设肿瘤杀死率与药物浓度满足米氏方程,则实验数据与理论曲线符合得很好。上述研究结果证实,本文提出的肿瘤生长模型简单有效。理论研究早已证明,溶液中不存在ADP的条件下,分子马达的运动速度与ATP浓度满足米氏方程,但是对于ATP、ADP和Pi共存的情况下,分子马达的运动速度与各种化学成分的浓度之间的关系,大多数的理论研究仅仅根据实验数据给出拟合方程,缺乏严密的推理证明。本文基于肌球蛋白水解ATP的四态循环模型,全面考虑了核苷酸以及无机磷酸盐对水解循环反应速率的影响,通过简化循环模式,求解出分子马达运动速度与ATP、ADP、Pi浓度关系的数学表达式,并证明溶液中存在ADP和Pi的条件下,运动速度与ATP的浓度仍然呈米氏关系。此外,本文还证明,分子马达结合ATP的速率与ATP浓度的关系也满足米氏方程,而不是通常认为的线性关系,这一结论有待实验证实。

关键词： 生物反应器   流场特性   剪切敏感   细胞培养   数值模拟  

摘要： 生物反应器(Bioreactor,BR)是生物制药工业中大规模生产的核心装置之一。不论是利用丝状微生物如丝状真菌和丝状放线菌,还是高等动、植物细胞作为宿主生产抗生素、重组蛋白、治疗性抗体和重组疫苗等药物,都有着扩大生产规模的市场需求。生物反应器在这些细胞培养放大过程中面临的一个共同主要矛盾是如何应对剪切敏感型细胞。即在工业规模的生物反应器放大过程中,如何在高混合与低剪切的性能需求之间寻得最佳平衡。为此,本论文以剪切敏感型的哺乳动物细胞和微藻细胞的培养为对象,对生物反应器的设计、应用与评估方法进行了研究。内容包括基于生物反应器流场特性的实验分析与流场数值模拟方法相结合的反应器搅拌系统设计与优化、剪切敏感型生物反应器及空气分布器的系统设计,以及气升式微藻反应器的设计研究等方面。具体研究结果如下:1)采用粒子图像测速系统(Particle image velocimetry,PIV),测定了动物细胞反应器常用5种搅拌桨组合下的流场数据,计算得到了反应器内时间平均的流场分布、能量耗散率分布以及剪切率分布规律等。从角度(Angle-resolved)解析的流场分布可以发现双层相同形式的搅拌桨组合包括两组三叶大倾角桨式搅拌器(2LPBI3)、四宽叶螺旋桨式搅拌器(2FBMI4)、三斜叶涡轮式搅拌器(2PBT3)形成较稳定的轴向循环,但反应器内均存在因流速过大或速度分布极度不匀而造成局部混合不均匀现象。混合型双层搅拌组合(PBT3-LPBI3和PBT3-FBMI4)在轴向大循环的基础上均形成了 2-3个小的轴向循环,对于底物的混合和细胞的悬浮具有很好的效果。实验结果表明:通过三叶大倾角桨式型和三斜叶涡轮式搅拌器(LPBI3-PBT3)的组合,可以在显著改善反应器内流体运动速度不均匀的同时,降低反应器内局部流体运动速度,从而达到提高整个反应器内混合效果和降低反应器内剪切率的效果。2)采用计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)模拟方法对适合于动物细胞培养生物反应器进行优化,分别研究了标准的k-ε模型、RNG k-ε模型、SST湍流模型和k-o模型等4种湍流模型对数值模拟结果的影响,并将CFD模拟得到的速度场、能量耗散率和剪切率分布与PIV实验结果进行对比分析。分析结果表明由标准的k-ε模型得到的结果与PIV实验结果最接近。基于以上优选的CFD模型对5组轴流型搅拌桨组合的流场进行了模拟分析,获取了反应器内的流场、气含率和剪切力分布等特征。结果表明:三窄叶变截面螺旋桨式搅拌组合(2HBMI3)形成的平均剪切力是0.4 Pa为5组组合中最小,相比较而言三宽叶螺旋桨式与三叶大倾角桨式组合(LPBI3-FBMI3)所形成的平均剪切力约为0.53 Pa为比较中最大值。而通过最大剪切力的比较发现,二叶大倾角桨式(2LPBI2)搅拌桨组合形成的最大剪切力为26.95 Pa,是其它搅拌桨组合的3至8倍,而三宽叶螺旋桨式搅拌桨组合(2FBMI3)形成的最大剪切力是3.85 Pa为比较中的最小值。通过构建的重组CHO细胞在不同搅拌组合形式条件下的流加批次培养发现,细胞密度和抗体表达水平与反应器内的最大剪切率直接相关,在三宽叶螺旋桨式搅拌型式(2FBMI3)下的细胞密度和抗体表达水平均为最高。实验结果表明CHO细胞在悬浮培养时对剪切环境比较敏感,且最大剪切力是工业规模放大的关键因素。3)研制了孔径为2.0 μm的金属烧结微孔空气分布器,研究了微孔空气分布器的传递效果和对细胞培养的影响,并与孔径为2.0 mm的常规空气分布器进行了细胞培养性能比较。结果表明:微孔空气分布器和环形空气分布器均能保持细胞培养中pH和溶氧控制的稳定,但微孔空气分布器形成的气泡直径较小,从而由气泡破碎产生的剪切力较小,且由于氧气的传递能力更好,导致耗用气量较低。在CHO细胞培养条件下,配备微孔空气分布器的反应器内细胞成活率一直维持在95%以上,相对配备常规环形空气分布器的细胞成活率只有60%左右,说明由微孔空气分布器形成的气泡由于直径较小,故破碎时产生的会对CHO细胞可能造成伤害的剪切力也较小,且氧传质性能更强,有利于动物细胞的生长。4)研究了不同规模的一次性锥底宽体生物反应器内的流场特性,实现了反应器的理性放大。首先采用CFD模拟方法,对7 L,50 L,200 L和1000 L一次性锥底宽体生物反应器的流场进行模拟。结果表明:随着生物反应器规模的增加,反应器内的液面形态、流场分布、能量耗散率、传质系数(kL)均无显著差异。而剪切率、比传质面积(a)以及氧体积传质系数(kLa)随着反应器规模的增大而逐渐减小。若培养体系主要受剪切率的影响,则1000 L的细胞培养结果应会比小试规模更好。然后通过在7 L,50 L,200 L和1000 L生物反应器上进行

关键词： 微藻生物膜   生物膜光生物反应器   生长特性   固碳性能   斜生栅藻  

摘要： 化石燃料的使用导致能源衰竭及大量温室气体的产生,在温室气体产生的总温室效应中,CO2的贡献率约为一半。因此,实现能源和环境的和谐发展成为许多研究学者关注的焦点。本文利用微藻生物膜培养的方法实现生物固定CO2和生物质能源的生产。在生物膜培养的基础上,对光生物反应器内微藻生物膜生长特性、固碳特性以及反应器固碳性能的强化进行了研究。具体工作如下:（1）采用具有改性表面的泡沫镍作为固定微藻细胞的载体,构建泡沫金属填充床光生物反应器,并对反应器内微藻细胞的附着、生物膜生长特性和固碳特性进行了分析。其中,微藻生物膜的生长可分为初始粘附阶段、增殖生长阶段和成熟稳定阶段,而泡沫金属填充床减少了活细胞的流失且有助于降低气液传质时液膜的阻力,促进了微藻生物膜的累积。适当增加气体流量,有利于提高CO2从气泡到微藻细胞的传质速率。微藻生物膜成熟之后,实验获得最大CO2生物固定率、CO2去除效率和蛋白质浓度分别为4549.9μmol m-3 h-1、47.39%和0.892 g L-1。（2）考虑气液传质阻力和微藻生物膜的初始吸附特性,采用附加不锈钢网凹槽的气液分离膜作为气体传输和微藻细胞附着载体,构建气液分离膜光生物反应器,展开对反应器内微藻细胞的附着、生物膜生长特性和固碳特性的研究。与鼓泡供气方式相比,在气液分离膜光生物反应器中的CO2更易被微藻利用,同时附加的不锈钢网槽为微藻细胞提供额外的附着点,使微藻生物膜在相对稳定的环境下生长。结果获得最大生物量、CO2去除效率和蛋白含量分别为31.44 g m-2、25.53%和10.46 g m-2。微藻生物膜成熟后,获得最大CO2去除效率为65.05%。（3）在气液分离膜光生物反应器基础上,采用光纤为光传递载体,研究了侧光纤对气液分离膜光生物反应器固碳特性的影响。在适当的高光强下,由于光纤缩短了光的传输距离,促进了微藻生物膜的生长代谢,实现对气液分离膜光生物反应器固碳性能的强化,获得最大生物产量、CO2去除效率和氮去除效率分别为37.32 g m-2、42.24%和49.58%。另外,在气液分离膜光生物反应器基础上,研究了以中空纤维膜作为气体传输载体的反应器内生物膜生长过程和微藻固碳性能。气体以无泡形式进入液体,减小了气液传质阻力,与直接供气方式相比微藻生物量和蛋白含量分别提高了116%和22%。气体流量的增大,使气体更易扩散溶解至培养基中,实现了对气液分离膜光生物反应器内生物膜的生长和固碳性能的强化,获得最大生物量和氮去除效率分别为33.33 g m-2和54.67%。本文对光生物反应器内微藻生物膜生长特性及固碳性能的研究,对进一步实现提升封闭式光生物反应器的固碳性能和微藻细胞固定化具有指导意义。

关键词： Microbiology   Environmental engineering  

摘要： The coupling of natural nitrogen removal pathways into engineered systems helps minimize the detrimental effects of excessive nitrogen releases. The dominant anthropogenic nitrogen form is ammonium, which accumulates in soils and water, and undergoes nitrification and denitrification forming NO, N2O and N2 which are released to the atmosphere. The demand for clean resources requires the removal of N pollution, thus, we need to improve the existing technologies and development new ones with lower energy demand. Therefore, a core step is to understand the nitrogen cycle, the organisms involved, and their needs and interactions in different environments. The motivation of this work is to contribute to: 1) the understanding of anaerobic ammonium oxidation by the Feammox bacterium Acidimicrobiaceae sp. A6 (A6), and its ability to use electrodes as terminal electron acceptor in lieu of iron oxides, its natural electron acceptor; and 2) the understanding of the denitrifying microbial community response to different nitrate and nitric-oxide loadings in a hollow fiber membrane (HFM) bioreactor. Electrodes deployed in a forested riparian wetland soil where A6 thrives showed that A6 is capable of colonizing electrodes. Electrodes in soil columns in the laboratory showed that A6 preferably colonizes the anode over the cathode. Microbial electrolysis cells (MECs) showed that A6 is an electrode-reducing bacterium since current was produced, with the anode as the sole electron acceptor and ammonium as the sole electron donor. Taken together, this study expands our knowledge on electrogenic bacteria and opens the possibility to develop Feammox-based technologies coupled to bioelectric systems for the treatment of ammonium and other contaminants in anoxic systems. By tracking the relevant genes responsible for each denitrification step during different nitrate and nitric-oxide loading regimes in a HFM bioreactor, results showed that the denitrifying microbial community can adjust ra

关键词： 猪圆环病毒病   灭活疫苗   生物反应器   病毒增殖  

摘要： 猪圆环病毒病的主要病原是猪圆环病毒2型。此病是—种重要的免疫抑制疾病，极易引起继发感染与综合感染，且5至13周龄猪最容易感染，感染后表现有消瘦，呼吸急促，黄疸，体质下降，血亏和泻肚等症状，对养猪业造成了巨大的经济损失。近年来，我国PCV2感染率亦呈逐年上升趋势，该病已成为危害我国养猪业的重要免疫抑制性疾病之一，然而，本病尚无特效药物及疫苗广泛推广使用，—方面是因为PCV2基因组小只有1.7kb，同时编码蛋白数量较少，所以限制了针对病毒的药物研发;另—方面，该病毒生长较为缓慢，在体外培养时病毒滴度较低，难以大规模生产疫苗。但疫苗免疫仍是该病的主要防治手段，我国已取得文号生产的PCV2疫苗目前有DBN-SH07毒株，LG毒株和SH毒株制成的灭活疫苗，但是这些疫苗效价普遍偏低。因此，急需建立—种高效价病毒的大规模培养方法，而激流式生物反应器就是—个理想的选择，其具有生产规模大、病毒产量高且稳定和生产成本相对较低等优势。本研究通过初步探究PK-15细胞的最佳培养条件;PCV2-ZJ/C株在PK-15细胞上的最佳增殖条件以及PCV2在激流灌注生物反应器中的最佳增值条件，以期为PCV2疫苗的生产提供—定的理论依据。获得研究结果如下:　　1.为了最终能够获得状态良好且适合病毒大规模增殖的PK-15细胞。本研究通过比较不同的培养基类型、消化液浓度、细胞接种密度和细胞复苏方法与PK-15细胞生长状态的关系，研究细胞培养过程中不同的培养条件或环境因素对PK-15细胞生长曲线变化的影响。实验结果显示，最佳的PK-15细胞培养方法包括:用换液法复苏PK-15细胞，以0.05％胰蛋白酶:0.02％EDTA混合液消化细胞，接种密度为2×105cells/mL～2.5×105cells/mL，将DMEM-LG做为培养基培养细胞。　　2.为了在PK-15细胞上获得更高滴度的PCV2-ZJ/C株，本实验优化了细胞接种密度、接毒剂量、接毒方法、冻融次数和收获时间等条件。结果表明，接种密度在2.5×105个/mL，同步接毒并加D-氨基葡萄糖进行处理，接毒剂量为2％，接毒后90h收获，-20℃冻融2次，可以获得高滴度PCV2-ZJ/C株。　　3.为确定应用AP10激流式生物反应器大规模增殖PCV2-ZJ/C的最佳条件，本研究对反应器培养方法的接种时间、接毒量和收毒时间进行了探索。结果表明，PCV2-ZJ/C最佳接种时间为PK-15细胞规模培养120h，最佳接毒量MOI为0.8，最佳收毒时间为28h。用以上方法最终获得的病毒效价超过107.5TCID50/mL。　　本研究采用激流生物反应器以及纸片载体进行PK-15细胞大规模培养，而后成功地用来增殖PCV2-ZJ/C株，获得了107.5TCID50/mL高滴度病毒，本研究为PCV2疫苗的开发及大规模生产打下了坚实的基础。

关键词： 厌氧膜生物反应器   垃圾渗滤液   综述  

摘要： 卫生填埋是当今消除城镇固体废物常见方法之一。由此产生的垃圾渗滤液是一种高浓度有机物废水。即便少量此类渗滤液也会对地表水和地下水造成严重威胁。因此,垃圾渗滤液必须进行无害化处理,达标排放。在过去的几年中,厌氧膜生物反应器(AnMBR)技术由于相对与其他处理方式有着显著的优势而被认为是垃圾渗滤液处理优先考虑的方法并已经进行了广泛而深入的研究,特别是在各种类型的厌氧反应器与膜结合使用等方面。本文综述了厌氧膜生物反应器技术在城市垃圾渗滤液处理中的潜力。对实验室小试规模中各种因素对AnMBR生物和过滤性能的影响进行评述。

关键词： Natural resource management   Chemical engineering   Water resources management   Nanotechnology   Environmental engineering  

摘要： In this study, two novel membranes were fabricated for membrane-based water and wastewater treatment processes. A PVA modified hydrophilic cellulose membrane was developed for membrane bioreactor, and the fabrication process is based on hand sheet making and dip-coating process. The membrane performance was evaluated based on flux-step experiments and long-term filtration tests. The results suggested that the modified membranes can operate up to 185 hours, and can provide a MLSS rejection that up to 99.9%. A TiO2/FAS modified superhydrophobic PVDF ENM was fabricated for membrane distillation process, and the manufacture process includes electrospinning, heat-pressing, and dip-coating. The membrane surface properties were investigated via SEM, XPS, and the membrane hydrophobicity was determined based on the apparent contact angle measurement. The superhydrophobic membrane was tested on a bench-scale VMD system, and the results suggested that the membrane was able to effectively treat different feed solutions, and can provide a stable performance.

关键词： 蛋白核小球藻   猪场污水   光生物反应器   高盐高铵型废水   吸收速率   光发酵  

摘要： 单细胞绿藻-小球藻含有丰富的蛋白质和多种天然色素,营养繁殖方式多样,在适宜条件下,生长速率快,能够适应高温、高光、高盐、高铵等胁迫环境,在各类废水处理中应用广泛。催化剂工业废水及猪场污水排放量大、氨氮含量高、传统处理技术在成本和效果上有明显不足。将小球藻应用于此类高氨氮废水处理,不仅能回收利用废水中的营养元素,还能联产高品质小球藻生物质,实现水循环和资源化利用。本文首先建立蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）的快速扩种技术并在户外条件下将其应用于猪场污水的放大处理,考察其处理效率及相应的生物质产率;随后基于催化剂工业废水成分分析,评价蛋白核小球藻对高盐-高铵型废水的耐受能力,系统比较了不同培养条件下蛋白核小球藻对NH4+的吸收速率,进而在光发酵罐中进一步优化操作工艺,强化了蛋白核小球藻的生长及废水净化效果。主要研究结果如下:1.通过研究蛋白核小球藻的生长特性,发现蛋白核小球藻能够在较宽的温度范围内进行混养生长,温度越低,适应期越长。在温度为30℃、葡萄糖浓度为10 g/L、硝酸钠浓度为3.75 g/L的条件下生长速率最快,培养4天,最高生物量浓度为27.2 g/L。探究了蛋白核小球藻对葡萄糖的耐受能力,发现高浓度葡萄糖（>50 g/L）对小球藻生长有抑制作用,藻粉中总色素含量在硝酸钠浓度为5.0 g/L时达到最高,为干重占比为3.6%。2.比较了初始pH值和接种浓度对蛋白核小球藻净化猪场污水效果的影响。结果表明,在初始pH为7、接种密度为5×10～6 cfu/mL时对污水净化效果最好。在户外条件下,使用管道光生物反应器进行放大培养,蛋白核小球藻生长良好,对初始COD、NH4+、PO43-、TN、TP含量分别为710、491、54、590和108 mg/L的猪场原废水,经过3级预处理培养后,脱色率及NH4+去除率均在83%以上。分别采用直径为10 cm、5 cm的立式光生物反应器培养蛋白核小球藻,通过循环采收,最终藻粉产量分别达到0.82 g/L、0.93 g/L,藻粉内蛋白质、汞、砷、镉、铅含量均符合《饲料用小球藻粉》（DB32/T 564-2010）标准,同时NH4+、PO43-去除率均高于90%,培养出水基本达到国家排放要求。经过反应器运行周期实验证明,蛋白核小球藻可适应此类昼夜间歇运行节律。3.在单因素实验条件下,研究了废水稀释度、初始葡萄糖浓度、接种密度等对蛋白核小球藻的生长和富铵工业废水中NH4+吸收速率影响,建立的优化培养条件为:废水稀释倍数为3倍、初始葡萄糖浓度10 g/L、接种密度不低于1×10～8 cfu/mL。此时,蛋白核小球藻的最高NH4+吸收效率达到222 mg/L/d,最高干重为25.1 g/L。对比回用水设计中取样时间、培养方式、回用水比例及种子液状态对NH4+吸收效率影响,发现混养12h取样、回用水与废水比例为2:1、采用对数期或废水驯化种子液更利于蛋白核小球藻的生长及废水的净化（p<0.05）。4.在光发酵罐中验证摇瓶培养条件并优化参数后发现,蛋白核小球藻能耐受NH4+浓度高达4800 mg/L、盐度为40‰的催化剂厂工业废水;在两阶段光发酵培养过程中,控制恒定pH值为7.0,维持1 L的更新体积,培养第36小时及84小时废水中NH4+分别从962、1061 mg/L降低至50及0 mg/L,同时得到蛋白质含量为40和44%的藻粉,最高NH4+吸收速率、PO43-吸收速率、比生长速率分别为960 mg/L/d、758 mg/L/d、1.18d-1。在三阶段光发酵培养中,控制恒定pH值为6.5,梯度调节转速、光照强度、通气量,更新后增加培养基的补充量,培养第一阶段及第三阶段NH4+吸收速率较两阶段最优分别高出9.6%和13%,最高达到689 mg/L/d。在四阶段光发酵培养中,48 h时NH4+吸收速率高达到1426 mg/L/d,第四阶段平均吸收速率达到最高,为1021 mg/L/d。

关键词： 聚合氯化铝   A/O-MBR   污泥活性   污泥停留时间   生物膜  

摘要： 作为一种混凝剂,聚合氯化铝(PAC)通常会被投加到膜生物反应器(MBR)内用于化学除磷和膜污染控制,但是由于膜组件的高效截留性能,大量的铝盐会在MBR内累积,其对MBR内污泥性能的影响很少受到学者们的关注。本文探究了在厌氧-好氧膜生物反应器(A/O-MBR)内累积的铝盐对污泥活性、污泥形态、菌群结构的影响及作用机制,提出了两种减缓铝盐累积负面影响的策略并探讨了其可行性。在A/O-MBR内持续投加PAC(28.3 mg/L)进行化学除磷,污泥中铝盐含量也持续上升。当污泥表面的铝元素质量百分比达到14.2%时,反应器对氨氮、磷酸盐、化学需氧量(COD)去除率均保持在80%以上。但是,污泥中氨氧化菌(AOB)、亚硝酸盐氧化菌(NOB)活性和污泥比耗氧速率(SOUR)分别下降了82.1%、79.8%和46.4%,而且反应器的生物除磷能力几乎丧失。此外,污泥的絮体结构变得更加分散密实,污泥粒径显著减小,胞外聚合物(EPS)中蛋白质含量明显下降。铝盐的累积对菌群结构也造成了显著的影响,Aridibacter属相对丰度的持续增加可能是保证反应器仍能稳定运行的主要原因。研究了污泥SOUR和铝盐累积量之间的关系,结果表明污泥受抑制程度与铝盐积累量呈正相关。比较两个相同A/O-MBR在不同SRT(15 d和30 d)条件下的运行情况,结果发现两个反应器的污染物去除率并无显著差异,但是短的SRT有利于控制污泥中铝盐的累积速率。第54 d,污泥中的铝元素质量百分比分别达到16.7%(SRT,30 d)和13.2%(SRT,15 d);污泥中AOB活性分别下降了10.94%和4.43%,以及NOB活性分别下降了22.99%和18.25%;相反,污泥的反硝化活性和吸磷效果显著增强。因此,通过控制较短的SRT是可以减缓铝盐的累积对污泥硝化活性的抑制,但是也需要考虑膜污染的控制问题。在A/O-MBR内投加悬浮填料作为生物挂膜载体,研究PAC的持续投加对生物膜A/O-MBR工艺处理效能的影响。结果表明累积的铝盐可以促进悬浮污泥EPS含量的提升,从而使得生物膜量上升了17.5%。同时,累积的铝盐促进了Nitrospira属在生物膜上的富集,使得生物载体的AOB和NOB活性分别增长了42.9%和65.9%。因此,向MBR内投加悬浮填料建立生物膜-膜生物系统,可以消除积累的铝盐对污泥硝化作用产生的负面影响。