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关键词： 陶瓷膜   膜生物反应器   农村生活污水   强化脱氮   吸附除磷  

摘要： 我国农村污水处理设备缺乏,大量农村生活污水未经处理直接排放造成了大面积的水体污染。陶瓷膜生物反应器作为新型水处理工艺,是未来农村生活污水处理主要方向。本文通过考察陶瓷膜生物反应器对农村生活污水处理效果,针对存在问题进行工艺参数优化,最后强化脱氮除磷工艺,旨在提高工艺出水水质至一级A排放标准。研究表明:一.常规运行条件下,陶瓷膜生物反应器对农村生活污水处理效果:1.进水化学需氧量（COD）、总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、总磷（TP）浓度分别为461.00～561.00、33.97～54.00、18.70～29.67和4.78～5.77 mg/L时,相应的平均去除率达到86.87%、47.64%、95.00%、12.32%,出水平均浓度分别为67.48、22.59、1.13、4.57 mg/L。其中陶瓷膜对有机物的拦截率为79.94%。出水水质不满足一级A排放标准;2.进水大肠杆菌浓度为8.70×10～51.50×10～6 MPN/100mL,经剂量35 mJ/cm2的紫外线照射后,出水大肠杆菌平均浓度为35 MPN/100mL,满足一级A排放标准;3.12 min抽吸、3 min反冲洗的运行模式能延缓膜污染,1000 mg/L次氯酸钠溶液可有效清除附着在膜上的污染物,并恢复初始膜通量;二.运行参数优化研究结果:1.优化膜孔径为50nm、膜通量为20 L/（m2·h）,陶瓷膜对有机物拦截率可达92.86%,膜清洗周期可达37 d;2.优化污泥负荷为0.35-0.60 kgCOD/（kg污泥·d）,COD、NH4+-N去除率分别可达95.33%、95.15%,出水平均浓度为24.01、1.87 mg/L,满足一级A排放标准,出水TN、TP不达标;三.脱氮除磷工艺强化研究结果:1.当回流比为200%、DO为2.00 mg/L、缺氧池HRT为3.00 h、厌氧池HRT为2.00 h,TN去除效果可达69.64%,出水平均浓度为11.73 mg/L,满足一级A排放标准;2.利用粉煤灰多孔填料吸附除磷,最佳水力负荷1.40 m3/（m3·d）时,TP平均去除率达93.17%,出水满足一级A排放标准;陶瓷膜生物反应器是新型水处理工艺之一,在农村生活污水处理方面具有重要的应用潜力。本文考察了陶瓷膜生物反应器对农村生活污水处理效果,优化了运行参数,完善强化了脱氮除磷工艺,构建了一套完整的陶瓷膜处理农村生活污水工艺流程,为陶瓷膜生物反应器处理农村生活污水提供了非常重要的应用参考。

关键词： 马铃薯试管苗   生物反应器   液体培养  

摘要： 马铃薯以营养繁殖为主,为了克服栽培中出现的马铃薯因病毒病产生的退化现象,现今主要运用马铃薯茎尖脱毒的方法培养试管苗进行马铃薯种薯生产。随着马铃薯种植面积的扩大,对马铃薯试管苗数量的需求越来越大,但常规组培操作繁琐,效率低,成本高。为弥补传统培养方法的缺陷,本研究利用5L气升式生物反应器作为培养容器,以马铃薯“延薯4号”脱毒试管苗为试验材料,首先采用浸没式、间歇浸没式、接触式三种方式培养试管苗,拟筛选出适合于试管苗生长的培养方式;其次,拟通过对生物反应器内不同培养基浓度、培养基内不同铵态氮与硝态氮浓度比的设置,拟探明适于马铃薯试管苗生长的最佳浓度。研究结果如下:1.不同的培养方式对试管苗生长有显著影响,浸没式培养中试管苗的鲜重、干重、叶片大小显著高于其它培养方式;2.不同的培养基浓度对试管苗生长的影响具有显著差异,其中马铃薯试管苗在1/4、1/2MS培养基浓度的处理中不能正常生长,在1、3/2、2MS培养基浓度处理中试管苗均能正常生长,且在培养基浓度为2 MS的处理中,试管苗具有最佳生长状态和最大生物量;3.不同的铵态氮与硝态氮浓度比对试管苗的影响不同,铵态氮和硝态氮浓度为20:100 mmol·L-1时,试管苗生长状态最好,生物量、株高都显著高于其他处理,浓度为80:40 mmol·L-1和100:20 mmol·L-1两个处理中的试管苗都无法正常生长,说明高浓度硝态氮适宜试管苗生长,铵态氮含量过高抑制试管苗的生长。综合以上研究结果,马铃薯试管苗完全浸没式生物反应器培养效果最好;培养基浓度为2 MS（Murashige and Skoog,总氮量120 mmol · L-1）,其中铵态氮与硝态氮浓度比为20:100 mmol·L-1是马铃薯试管苗的最佳培养条件。

关键词： 颗粒污泥   膜生物反应器   丝状菌   脱氮除磷   胞外聚合物  

摘要： 好氧颗粒污泥和膜生物反应器都是减少设备占地面积,提高出水水质的污水处理技术,两者的结合更是集两家之长。本实验在连续流好氧颗粒污泥-膜生物反应器中直接培养出好氧颗粒污泥的基础上,对已经稳定运行了383天的好氧颗粒污泥-膜生物反应器（Aerobic granular sludge-membrane bioreactor,AGS-MBR）进行研究,主要讨论刺激丝状菌生长是否能促进好氧颗粒污泥-膜生物反应器内颗粒污泥粒径的增大及其机制。本实验采取人工模拟生活污水,碳氮磷比为100:5:1,实验分为两个阶段,阶段一时间为前28天,此阶段反应器运行模式与之前完全一致,阶段二为28-56天,在28天时对反应器内污泥进行持续曝气刺激丝状菌生长,随后按阶段一模式正常运行。在整个实验期间实时记录反应器内溶解氧、温度、膜组件跨膜压差变化,每天测定反应器的出水水质指标,定时检测污泥的胞外聚合物浓度,用光学显微镜和电镜观察污泥变化,用激光粒度仪检测污泥粒度变化,用高通量测序的方法分析微生物群落演替情况。经观察,好氧颗粒污泥-膜生物反应器在长期稳定之后会处于一个稳定状态,此时反应器对各项污染物处理效果都较好,污泥形态规则,大小分布较窄,但总体粒径也较小（平均粒径约为200μm）。在对反应器内污泥进行持续曝气后丝状菌获得了生长优势大量生长,其中反应器内最多的丝状菌是norankpSaccharibacteria,在阶段二期间处于绝对优势物种（占比超过50%）。刺激丝状菌生长之后,颗粒污泥粒径也随之增大,反应器内污泥粒径从200μm迅速增大到接近400μm,经检测,颗粒污泥的胞外聚合物和蛋白质/多糖的比值要高于絮状污泥,这是污泥颗粒化的重要原因。好氧颗粒污泥-膜生物反应器的有机物处理效果一直很稳定,平均去除率达98.48%,而反应器脱氮除磷的能力则依赖于好氧-厌氧交替的环境,总氮和总磷的平均去除率分别为93.7±4.6%和90.1±5.8%,且当颗粒污泥粒径增大时,反应器的脱氮除磷能力会更加稳定。此外,本实验还研究了停止运行20天的好氧颗粒污泥-膜生物反应器重新自启动后的恢复情况,结果表明,比起最初反应器接种活性污泥的启动时间,重新自启动的时间要明显缩短,且对污染物去除效果好,污泥颗粒化时间短,证明好氧颗粒污泥-膜生物反应器具有很好的恢复性能和运行稳定性。综上,本试验证明了刺激好氧颗粒污泥-膜生物反应器内丝状菌的生长可以有效增大污泥粒径和强化反应器处理污染物的能力,且好氧颗粒污泥-膜生物反应器具有良好的恢复能力及运行稳定性。

关键词： Biology   Health sciences   Physiology  

摘要： Antibiotic-resistant pathogens continue to become a pressing issue globally and current broad spectrum therapies fail to meet this challenge. Therapeutics equipped with targeting moieties would alleviate this issue without facilitating the rise of opportunistic pathogens, and employing small antimicrobial peptides (AMPs) would avoid resistant strains. Fusion of the two could be produced recombinantly at commercial levels in bioreactors such as plants with a purification tag, but issues with phytotoxicity and unexplained low recombinant AMP yield from plant tissue are major limiting factors. This dissertation addresses the issues of the plant expression platform for AMPs as well as properly assessing the selectivity of a previously discovered 12mer targeting domain (A12C) specific to Staphylococci. To understand why AMPs are poorly expressed in plant expressions systems, meta-analysis of peptide databases was performed and revealed plant-derived AMPs are less cationic in net charge compared to AMPs from organisms like animals and fungi. Using the elastin-like polypeptide as a tag for increased recombinant production and clean temperature shift purification, a survey of AMPs falling under the cysteine-stabilized motif ranging in net charge were produced in Nicotiana benthamiana. It was observed that only the anionic fusions were expressed, and at record levels as high as 563 µg/gram fresh leaf weight with retained antimicrobial activity only pre-protease cleavage. This phenomenon of activity maintained while still fused was studied in E. coli, and it was found the size of the ELP fusion partner dictates antimicrobial potential. For quicker turnover to facilitate targeting studies, cationic AMPs plectasin and eurocin were expressed in E. coli with the SUMO solubility tag. The targeting domain was assessed for antimicrobial selectivity against a panel of gram positive bacterium. Unexpectedly, there was no enhancement of activity against target bacterium, but a significa

关键词： 微藻   管式光生物反应器   正交试验设计   光暗循环性能   平均光暗循环频率  

摘要： 在环境问题日益凸显的今天,微藻作为一种潜在的清洁能源逐渐走进人们视野。由于微藻不占用粮食作物耕地,加上微藻可以作为很多产品的原料,相对于其他能源作物来说更具有发展空间。但目前微藻的大规模培养受限于光生物反应器,管式光生物反应器一方面能够进行连续性的培养,另一方面容易进行系统地控制与管理,是很有发展潜力的一类光生物反应器。研究表明,微藻的产量与在反应器中进行的光暗循环频率成正比关系。本文将螺旋肋引入管式光生物反应器中,以平均光暗循环频率和光暗循环强化效率为评价指标,通过对螺旋肋的优化来提高反应器中微藻的平均光暗循环频率,从而提高微藻的产量。本文采用CFD(Computational Fluid Dynamics,计算流体动力学)对管式微藻光生物反应器进行了流场模拟,使用Matlab进行了参数处理,考察了管式微藻光生物反应器的结构参数和运行参数对微藻的光合作用性能的影响。采用正交试验设计考察多因素影响下的光暗循环情况,得到最优因素水平组合为单侧光照、管式微藻光生物反应器带1根倾角为60°的螺旋肋,藻液进口速度为0.5 m/s。在此条件下,得到的平均光暗循环频率为2.28 Hz,光暗循环强化效率为1.22,有73.6%的粒子完成了光暗循环,其中,47.6%的粒子光暗循环强化效率处于2 Hz。本文对单侧光照和在单侧光基础上光强减半的双侧光照射的模拟结果进行了对比分析,得出在低光强的双侧光照条件下,引入螺旋肋并不能提高藻液的平均光暗循环频率。提高平均光暗循环频率,需要提高进行光暗循环的藻细胞数量百分比和单个藻细胞进行光暗循环的频率,这可通过结合流场来改变光暗分界线在光场中的位置实现。

关键词： 生物反应器   稻壳   水力停留时间   反硝化脱氮   动力学模型  

摘要： 农业生产活动中过量施用的化肥,经降水或灌溉作用排入地表及地下水体,成为农业氮污染的重要来源,对区域生态环境造成危害。如何通过生态工程措施来减少农田排水氮污染对于保证农业生产与保护生态环境具有重要意义。本文通过室内试验研究,探讨了以稻壳为填料的除氮生物反应器去除水体中氮污染物的效果;研究根据生物反应器处理系统的特征,模拟建造了以稻壳为填料,利用配水水箱模拟田间出流以研究系统脱氮能力的试验装置。试验分为静水试验和动水试验两个部分;试验期间环境温度稳定在20～30℃之间,设置了硝态氮入流浓度为高(20mg/l)、中(10mg/l)、低(3mg/l)三个水平,通过对反应器水力过程及出入流浓度变化的监测,取得了如下的主要研究成果:(1)静水试验中,硝态氮削减率与入流硝态氮浓度无关,配水浓度小于20mg/l三种条件下静置反应的硝态氮平均削减率为77.1%,硝态氮削减浓度约为O.11mg/(1·h);动水试验中,随着入流流量的增加,硝态氮削减率呈降低趋势;在入流浓度小于22mg/l时,生物反应器系统的硝态氮率范围为51.8%～87.62%,平均硝态氮削减浓度为1.03～1.82mg/(1·h)。(2)在整个试验过程中,溶解氧在反应期间呈降低趋势,反应后溶解氧浓度范围为0.03～0.8mg/l,稻壳生物反应器内部厌氧环境;氧化还原电位由正变负,反应后范围为-132.6～-269.5mv,稻壳生物反应器内部为还原性;PH略有降低,反应后范围为5.06～6.92,呈弱酸性。(3)本试验分析了稻壳生物反应器系统对硝态氮的削减过程,对生物反应器系统进行了一级动力学模拟。对扬州市江都区沿运灌区试验田应用反应动力学模拟,模拟结果为稻壳生物反应器可削减出水口 80%硝态氮,削减后试验田出水硝态氮浓度范围为0-1.81mg/l。

关键词： 水资源   污水深度处理再生利用   膜生物反应器   低压纳滤   高品质再生水  

摘要： 水是生命之源,是人们生活生产不可或缺的一项重要资源,而我国自然水资源十分有限,污水深度处理再生利用是解决水资源短缺问题的重要途径。近年来,国内外在污水深度处理再生利用工艺选择上,膜工艺使用越来越多,其不仅具有高效、低耗、经济性等特点,而且证实对多种污染物质的去除率在97%以上。本研究是在单独膜工艺使用基础上提出将膜生物反应器（MBR）联合低压纳滤膜应用于污水深度处理再生利用中的可行性,进一步提升再生水厂出水水质和高品质再生水水质,使得再生水水排放污水达到北京市《水污染物综合排放标准》（DB11/307-2013）B标准,高品质再生水达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）的地表Ⅲ类标准。主要研究成果如下:（1）通过采用膜生物反应器联合低压纳滤工艺对翠湖再生水厂系统提标改造优化设计,可实现在现状厂区无可用占地面积情况下,提升再生水厂的处理能力,由原来的10000m3/d提升到20000m3/d,处理能力翻倍,并新增了10000 m3/d高品质再生水处理能力,实现日产高品质再生水7000 m3。（2）通过提标改造前后水质对比分析,采用膜生物反应器联合低压纳滤工艺进行提标改造后,膜生物反应器出水（含低压纳滤浓水）能稳定达到北京市《水污染物综合排放标准》（DB11/307-2013）B标准,低压纳滤出水稳定达到《地表水水环境质量标准》（GB3838-2002）中III类标准,整体各污染物去除率都能稳定在97%以上,实现从低端再生水提升到高品质再生水,将污水处理厂尾水一步到位处理至满足集中式生活饮用水水质指标,可用于工业循环补给水、应急水源以及翠湖湿地的补水,推进翠湖湿地水体达到国家级湿地公园水质标准要求,并促进翠湖湿地逐渐形成水环境修复的良好生态体系。（3）通过翠湖再生水厂升级改造后的实际运行情况,分析膜生物反应器联合低压纳滤工艺应用的总投资和运行成本情况,其总投资较传统工艺略低,另外其核心工艺低压纳滤系统吨水电耗仅为1kwh左右,总处理成本仅为1.06元/m3,对比传统工艺节省较大,经济可行性较高。

关键词： Biomedical engineering  

摘要： Daily low intensity pulsed ultrasound (LIPUS) treatment has been shown to support bone repair, but in vitro studies in a well-controlled US bioreactor are needed to further investigate the underlying cellular mechanisms. In this study, two sample holder designs for in vitro cellular US studies were designed and fabricated, then analyzed and optimized using computational modelling. When varying the thickness of the water layer between the transducer and first proposed sample holder, average acoustic pressure values originally varied 2.24-fold, and only varied 1.56-fold after device optimization. In the second sample holder design, the only parameter causing variation in the acoustic pressure was the water layer thickness, which caused a 1.2-fold variation in the analyzed acoustic pressure. In Vitro experiments using the second sample holder showed a typical cellular response to US, with relative phosphorylated ERK and phosphorylated AKT levels being increased. Further studies showed levels of phosphorylated GSK3β were also increased in response to LIPUS. However, active β-catenin, a downstream target of GSK3β, remained unaffected. Overall, this study optimized two novel bioreactor designs to limit acoustic pressure variability, and also showed a new cellular mechanism by which LIPUS stimulates cells in a fracture callus.

关键词： Geographic information science and geodesy   Hydrologic sciences   Water resources management   Limnology  

摘要： The Santa Fe River watershed in North Central Florida has a significant nitrogen contamination problem that is causing eutrophication in both the river and the many springs in the area. The watershed is dominated by agriculture, which has been identified as the main source of the eutrophication. One solution is to build a denitrification bioreactor or denitrification wall that removes nitrogen in situ. The objective of this study was to install a 320-meter denitrification wall to remove property-scale nitrogen loads coming off of a commercial nursery. This study analyzed efficacy of this reactor on three different scales: on the microbial level to understand of community composition and to develop optimization strategies; on the well transect level to understand the reactor’s impact on water quality, and regionally using GIS to identify suitable locations where these walls could be placed. Based on water quality analysis from 6 well transects, nitrate-nitrogen levels decreased, on average, from 7.1±3.2 mg/L to 1.3±0.6 mg/L, which is a nitrate load reduction of 3,000 kg-N/yr. The reactor is also cost effective with a total installation cost of $50,000, which is $1.73/kg-N over an estimated 20 year lifespan. This wall had lower overall removal efficiency rates around 70-75% compared to previous reactors that had removal efficiencies of 90% and above, which was likely due to lower hydraulic conductivity in this wall. The installation of the wall caused a 6% increase in microbial diversity and was largely dominated by anaerobic genera, including known denitrifiers. Additionally much of the variability was explained by environmental factors like total organic carbon, nitrate concentrations, and conductivity. The spatial assessment tool identified close to 40 square kilometers across the Santa Fe River watershed as suitable locations.

关键词： 两亲性聚合物   两性离子聚合物   涂层   光生物反应器   抗生物污损  

摘要： 利用封闭式光生物反应器培养微藻,可以对培养体系的各种因素(如温度、光强等)进行精确的控制,对光能和CO2的利用率高,有效减少水分的蒸发,而且还能防止被外界物种的侵扰,减少污染率,实现高密度培养并提高微藻培育成功率。塑料薄膜材料最为常用的光生物反应器材料,具有易于加工和成本低等优点,但其在使用过程中的表面污染是塑料薄膜材料在光生物反应器中应用中难以避免的一个问题,藻液体系中的藻细胞、胞外多糖、胞外蛋白等有机物以及其它无机物等共同作用,引起反应器材料表面的生物附着现象,造成光生物反应器透光率下降,培养环境的恶化和微藻产量的下降。因此,针对光生物反应器的生物污损问题,本文提出通过制备两亲性两性离子共聚物涂层改善光生物反应器的抗生物污损性能,为光生物反应器的表面改性提供一种简单快速、可应用于工业大规模生产的方法,达到抑制或减少微藻在反应器表面附着的目的。要点如下:本文通过种子半连续聚合法合成了一系列不同亲疏水单体比例的两亲性两性离子共聚物(ASC),对乳液的固含量、单体转化率、平均粒径和zeta电位、耐钙离子稳定性、耐低温稳定性、耐溶剂性和吸水率等基本物化性质进行了测定,得到如下结果:ASC乳液的固含量在28%-3 5%之间,单体转化率均达到了80%以上,耐钙离子和耐低温稳定性良好,平均粒径和吸水率随着亲水单体的添加量的增大出现先减小后增大的趋势,都在ASC-5(亲水单体:疏水单体=2:1)处出现最小值,分别为155.1 nm和7.84%。利用上述两亲性两性离子共聚物对乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)薄膜上进行涂覆改性,得到EVA涂覆改性膜(EVA-ASC),利用红外衰减全反射-傅里叶变换(ATR-FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)测定了EVA-ASC改性薄膜表面组成,利用静态接触角仪测定了改性薄膜在去离子水中浸泡不同时间的接触角,结果发现EVA-ASC在空气中的接触角在76°-100°之间,亲水性较差,但在水环境中SBMA则表现出优异的与水结合能力,第15天时EVA-ASC-5的接触角为48°,亲水性优异。利用考马斯亮蓝法和耗散型石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance with Dissipation,QCM-D)法测定了改性薄膜表面的抗蛋白吸附性能,结果发现:与EVA未改性薄膜相比,ECA-ASC改性薄膜的抗吸附性能大幅提升,EVA-ASC-4(亲水单体:疏水单体=1.8:1)的蛋白吸附量为8.63 μg/cm2,减少了92.1%,利用QCM-D法证明了改性薄膜表面的蛋白吸附是可逆吸附。利用苯酚硫酸法对改性薄膜表面的抗多糖吸附能力进行测试,其变化趋势与蛋白吸附实验中变化趋势基本一致,EVA-ASC-4的多糖吸附量为24.09 μg/cm2,与EVA薄膜相比减少了48.1%。以小球藻为藻种,考察了改性薄膜在小球藻培养环境中抗附着性能,结果表明:在小球藻培养液中浸泡培养一周后,EVA薄膜在显微镜观察下看到了明显的微藻附着,而EVA-ASC-4改性薄膜表面只观察到了微量附着,细胞附着数量在第7天时达到1.0875×105 cells/cm2,是EVA薄膜表面细胞数量的一半。本文为实现提高塑料薄膜反应器材料表面抗生物附着性能提供了一条简单、高效的途径。