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关键词： 厌氧膜生物反应器   停留时间   膜污染   微生物群落结构  

摘要： 厌氧膜生物反应器近年来广泛应用于市政废水处理领域,它具有出水水质高、可回收能源、剩余污泥产率低、占地面积小等诸多优势,成为极具应用潜力的水处理技术。膜污染是制约厌氧膜生物反应器的工程应用的主要原因,目前部分学者研究了市政废水处理厌氧膜生物反应器运行参数优化与膜污染控制策略,微生物在厌氧处理系统、滤池系统和膜污染过程中都扮演着重要作用,但较少从微生物群落结构和功能解析角度开展反应器优化与膜污染控制。本文进行了厌氧膜生物反应器处理市政废水过程中运行参数的优化以及实际废水处理可行性的验证,并通过串联生物滤池对膜污染进行有效的控制,系统研究了厌氧处理系统、载体滤池系统和膜过滤系统中微生物群落结构和功能变化特征,以此解析厌氧膜生物反应器处理市政废水过程中污染物去除、膜污染与群落更替之间的关系,并识别可能导致膜污染的关键菌群。主要结论如下:（1）运行三组厌氧膜生物反应器,反应器仅水力停留时间不同,在运行过程中,水力停留时间影响污染物去除、产气活性以及膜污染,最优HRT为12h,此条件下,反应器出水COD小于80mg/L,去除率达到80%以上,甲烷产率为0.19 LCH4/gCOD,膜污染周期为28天,SMPp和EPSp在同个膜污染周期内不同时期作用影响大小不同,EPSp和SMPp在膜表面积累速率是膜污染的主要原因。通过运行实际废水发现处理效能无较大差别,而膜污染在运行过程中的加重是应用过程中需要解决的难题。（2）通过串联生物滤池来强化去除污染物同时控制膜污染,运行两组厌氧膜生物反应器,接种两种填料分别处理市政废水,两种生物滤池在运行效果上有较大差别。串联活性炭滤池对出水有机物强化去除效果明显好于陶粒滤池,出水COD小于30mg/L,COD的去除率达到95%。同时串联活性炭滤池显著延长了膜污染的运行周期,而陶粒对膜污染的减轻作用并不明显。活性炭滤池是通过改善膜单元进水水质条件使膜表面EPSp和SMPp积累速率变慢来减缓膜污染的发展。（3）Proteobacteria在厌氧处理市政废水中发挥着重要作用。Methanosaeta、Bacteroides、Sphingomonadaceae、Chlorobiaceae、Clostridium、Rhodanobacter和Bacteroidales等是厌氧处理市政废水的关键微生物。Firmicutes在生物滤池中占有很高的相对丰度,比传统滤池中的比例要高,而且活性炭滤池中的丰度比陶粒滤池要高,相对丰度分别能够达到30%和15%左右。Firmicutes应该在生物滤池的污染物去除过程中发挥着重要作用。活性炭生物滤池和陶粒生物滤池特有的OTU数目分别是93和16,活性炭生物滤池中特有的OTU数目明显高于陶粒生物滤池。而且活性炭生物滤池特有的OTU分布也比陶粒要广得多。所以,活性炭生物滤池中关键微生物数量和种类都比较丰富。低负荷条件下膜污染程度相对较低,Actinobacteria的丰度相对较低,表明Actinobacteria对膜污染影响较大。高负荷能够导致膜组件中Azospirillum、Pseudomonadaceae、Pseudomonas、Arenimonas和Bacillus的丰度升高,进而导致膜污染加重。串联活性炭生物滤池能够降低膜组件上Firmicutes和Actinobacteria的丰度,进而缓解膜污染。串联生物滤池能够显著影响膜组件上微生物组成,未串联生物滤池时大部分相对丰度较高的微生物都出现了一定程度的下降,包括Rhodobacter、Azospirillum、Pseudomonas、Cloacibacterium、Bacillus、Thermomonas、Paracoccus、Pseudomonadaceae、Carnobacteriaceae、Sphingomonadaceae和Xanthomonadaceae.

关键词： Partial nitrification   fluidized bed bioreactor   biological nitrogen removal   free ammonia  

摘要： A lab-scale fluidized bed bioreactor with high-density polyethylene as biofilm carrier media was operated to study partial nitrification (PN) performance with high ammonia concentrations. The system was run at nitrogen loading rates (NLRs) from 1.2 to 4.8 kg N/(m(3) d) with empty bed contact time of 2.0 and 2.7 h and four different influent ammonia concentrations of 100, 200, 300 and 400 mg/L. Dissolved oxygen concentration and temperature were maintained around 1.3 mg/L and 35 degrees C, respectively. Stable PN was successfully achieved during the whole period with low effluent NO3-N concentration at less than 15 mg/L, due to effective suppression of nitrite-oxidizing bacteria activity at high concentrations of free ammonia (5.3-27.3 mg N/L) and low alkalinity-to-ammonia ratio. At the NLR of 3.6 kg N/(m(3) d), NH4-N conversion and NO2-N accumulation ratios were 57.8% and 53.9%, respectively, which could be further used in the anaerobic ammonium oxidation process (ANAMMOX) as the effluent NO2-N/NH4-N ratio was 1.27.

关键词： Biomedical engineering   Mechanical engineering   Health sciences   Surgery   Physiology  

摘要： Successful re-epithelialization of de-epithelialized tracheal scaffolds remains a challenge for tracheal graft success. Currently, the lack of understanding of the bioreactor hydrodynamic environment, and its relation to cell seeding outcomes, serve as major obstacles to obtaining viable tracheal grafts. In this work, we used computational fluid dynamics to (a) re-design the fluid delivery system of a trachea bioreactor to promote a spatially uniform hydrodynamic environment, and (b) optimize the perfusion cell seeding protocol to promote a spatially uniform cell deposition. Results showed that the proposed design change achieves these design goals. Lagrangian particle-tracking simulations showed that low rotation rates provide more uniform circumferential and longitudinal patterns of cell deposition, while higher rotation rates only improve circumferential uniformity but bias cell deposition proximally. Validation experiments with BEAS-2B cells confirm that the model accurately predicts cell deposition but not cell attachment, suggesting the need for including biologically accurate cell-cell and cell-scaffold interaction mechanisms in the simulations.

关键词： 农村生活污水   反应器   去除效果   运行参数   强化除磷   微生物  

摘要： 本论文以农村生活污水高效脱氮除磷适用工艺研发为目标,以生物滤池为基础,借鉴塔式生物滤池结构,结合一体化污水处理装置的特点,开发了一套结构简单、安装操作方便、便于运行维护的叠层组装式新型农村生活污水处理生物反应器,该反应器具有良好的组装性,脱氮除磷功能特性以及通气/水性,并对该反应器的处理效果和工艺运行参数进行了研究,主要研究内容及结论如下:1.分析了不同回流速率对反应器处理效果的影响规律,结果发现随着回流速率地降低,反应器的污染物去除能力也逐渐降低。在回流速率为40L/h时,反应器对COD、NH3-N、TN的平均去除率分别为86%、88%、87%,去除效果良好。2.探讨了两种不同的充氧方式,自然充氧和人工曝气条件下反应器对污染物去除效果的变化规律,结果证明人工曝气条件下反应器对COD的去除率由86%提升至94%,但氨氮的去除效率并未明显提高,总氮的去除效率由87%下降至65%,抑制了反应器内部的反硝化反应。3.研究了循环时间对生物反应器运行效果的影响,在40L/h的回流速率,自然充氧条件下,反应器的出水COD、NH3-N、TN、TP浓度在12个小时后均能达到最低值,去除率分别达到91.5%、86.9%、72.9%、64.8%,此时反应器水力负荷能提升至1.6m3/m2/d,说明根据污水主要污染物类型不同可以合理缩短反应器的单次循环时间,从而提升反应器的水力负荷。4.分别利用硫酸亚铁和自主研发的缓释除磷剂作为强化除磷的填料应用于反应器顶部布水层,发现加入两种填料后反应器对总磷的最高去除率分别能达到64.4%和80%,填料铁元素的有效利用率分别为87.1%和94.2%。相比于硫酸亚铁,缓释除磷剂在应用过程中显示出更好的除磷效果及铁元素利用率。因此,使用缓释除磷剂作为反应器的强化除磷层填料较为合适。5.对生物反应器内部填料进行生物多样性分析发现,几种填料中的优势菌门有绿弯菌门(Chloroflexi)、产氧光菌门(Oxyphotobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、Diapherotrites、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actiobbacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、奇古菌门(Thaumarchaeota)、变形菌门(Proteobacteria)以及硝化螺旋菌门(Nitrospira),其中硝化螺旋菌门(Nitrospira)仅存在于厌氧层沸石填料的前十优势菌门中。绿弯菌门(Chloroflexi)的存在说明了反应器中好氧、厌氧区域的存在,同时也验证了反应器具有一定的生物除磷能力。这些生物种群构成了系统主要生物种群,它们对废水中的COD、NH3-N、TN和TP的去除具有重要作用,这也与反应器良好的脱氮除磷能力密切相关。6.将该反应器应用于桐乡市店街塘村野外试验后发现,反应器对COD、NH3-N、TN的去除效果良好,但反应器应用时出现了程序控制系统不稳定等问题。因此通过改进反应器的结构及运行方式,将其应用于湖州市长兴县毛家湾村工程示范后发现,改进后反应器在脱氮除磷效果方面得到进一步提升,出水NH3-N、TN、COD均能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准,TP达到一级B标准,同时缩短了工程建造周期,减少了占地面积,方便了后期反应器的运行维护,为反应器后续的工程应用提供了依据,具有良好的应用前景。

摘要： Microbial fermentation and whole cell biocatalysis have long been used in an industrial context for the generation of commercially valuable biomolecules. There is significant further potential if they can be made as economically attractive as competing chemical process routes. Improvements in genetic engineering techniques such as those pioneered in the area of synthetic biology, have provided access to novel products including therapeutic proteins and enzymes. In order to capitalise on these advances, there remains a requirement for rapid bioprocess development and scale up. Here, single use bioreactors are of interest due to the advantages over traditional stainless steel technologies. These include reduced need for validation and turnaround times, a reduction in capital expenditure and increased facility flexibility. To date, however, they have not been thoroughly investigated for use with microbial expression systems. The aim of this thesis is to; (i) evaluate the oxygen transfer capabilities of different single-use bioreactors with a view to determining suitability for microbial fermentation, and (ii) to define appropriate scale-up bases from high throughput microwell to laboratory and pilot scale bioreactors. Initial work focused on the characterisation, optimisation and scale-up of a whole cell P450 monooxygenase bioconversion in Escherichia coli. Three rounds of optimisation using a Design of Experiments (DoE) methodology resulted in a 3.3 fold increase in the bioconversion of 7-ethoxycoumarin to 7-hydroxycoumarin. Results from the 96 deep square well (DSW) plates were then scaled-up to a traditional, pilot scale stirred tank bioreactor, increasing titres 25 times over a 3000-fold scale increase. Peak oxygen demands of 25.8 mmolL-1min-1 were shown, with clear differences in oxygen consumption as a result of feeding and bioconversion during fermentation. The inability of microwell systems to support high biomass concentrations and oxidative bioconversion was

关键词： Environmental engineering  

摘要： Phosphorus is an essential element to life and is supplied by depleting mineral phosphate rock, which mandates the need to recover and reuse it. In general, wastewater contains a large amount of phosphorus, which could cause environmental impacts like eutrophication in the aquatic environments if not controlled. The removal of phosphorus from water bodies and recovering it for reuse could be the best alternative for the exhausting phosphorus resources. One method of recovery is through adsorption using magnesium carbonate (MgCO3) pellets. This study is focused on validating the MgCO3 pellets in combination with an anoxic/aerobic membrane bioreactor (MBR) system for effective phosphorus recovery from municipal wastewater at varying flow rates (i.e., 2.5, 5, and 10 L/d). The use of raw wastewater before primary settling caused severe clogging of the MgCO3 column after only three days due to high total suspended solids (TSS). As the flow rate decreased from 10 to 2.5 L/d, the phosphorus removal efficiency increased from 55.6 % to 94.1 %. The adsorption capacity of the pellets was about 0.041 mg P/g pellets. MgCO3 pellets were characterized using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS). MBR provided particle and bacteria free effluent. Enhanced biological phosphorus removal (EBPR) mechanism through the MBR system improved phosphorus concentration to MgCO3 pellets, and 78.2 % phosphorus was recovered, and effluent phosphorus concentration was maintained below 0.5 mg/L. The adsorption capacity of the pellets increased from 0.041 to 0.107 mg P/g pellets as the influent concentration to the MgCO3 column increased from 1.2 to 2.3 mg/L. Overall, the combination of the MBR system with the MgCO3 pellets could be an effective alternative method of phosphorus recovery from wastewater

关键词： 厌氧膜生物反应器   正渗透   溶解性气体   甲烷产量  

摘要： 废水含有丰富的生物质能,有效回收其中的生物质能对于缓解能源危机具有重大意义。厌氧膜生物反应器(AnMBR)是厌氧生物处理技术和膜技术相结合的新型污水处理技术,它有着污泥产率低、操作花费少和处理效率高等优点,但出水中含溶解性甲烷,含溶解性甲烷出水的直接排放不仅会加剧温室效应,同时还会造成能源流失,这限制了该技术的发展。考虑用孔径更小的正渗透(FO)膜替代AnMBR系统中的超滤(UF)膜或纳滤(NF)膜形成厌氧正渗透膜生物反应器(AnOMBR),保持AnMBR可提取生物质产能等优势,同时原位解决AnMBR出水含溶解性甲烷的问题。因此,本论文通过考量AnOMBR系统气体组分和甲烷产量等参数,探究反应器能量回收性能,此外,探究原料液侧溶解性气体向汲取液侧的渗透性能。本文主要进行了以下两方面的实验研究。(1)考察两种三醋酸纤维素(CTA)膜和两种膜朝向(活性层朝向原料液和活性层朝向汲取液)对系统能量回收和溶解性气体传质性能影响研究。实验结果表明:在不同的膜材料和膜朝向条件下,pH均从6.80增加到7.30左右,COD去除效率超过93%。PRO模式(活性层朝向汲取液)下水通量下降速率和电导率增加速率分别为0.39 LMH/d和0.28ms/(cm·d),而FO模式(活性层朝向原料液)下为0.34 LMH/d和0.23 ms/(cm·d)。CTA-NW膜和CTA-ES膜基本截留溶解性CH,允许少量的溶解性CO通过,允许H的通过,在不同的膜材料和膜朝向条件下,原料液侧溶解性气体的浓度无明显差异。(2)考察不同操作温度(25℃和35℃)和不同进水COD浓度(3000 mg/L、6000 mg/L和9000 mg/L)对系统能量回收和溶解性气体传质性能影响研究。实验结果表明:在35℃下,AnOMBR系统的水通量、盐度积累、气体百分比和甲烷产量比25℃都有所增加,VFA含量有所下降;除COD去除效率前期有轻微波动外,AnOMBR系统操作参数在不同进水COD浓度下均无明显差异,这说明AnOMBR系统对高浓度冲击负荷仍能保持较好的处理性能。在不同的温度和进水COD浓度下,原料液侧溶解性气体的浓度无明显差异。用气体渗透机理初步解释了甲烷、二氧化碳和氢气在CTA膜中渗透速率差异,渗透系数比值α=P/P为30.8,α=P/P为60,所以H可以大量通过FO膜,CO可以少量透过FO膜,而CH几乎不能透过FO膜,这不仅原位解决了厌氧反应器出水含溶解性甲烷的问题,实现能量回收的同时避免温室效应加剧,同时还避免了反应器内氢气积累造成的酸化现象,有利于厌氧消化的进行。在高盐度环境下,AnOMBR系统在操作温度为35℃、进水COD浓度为6000 mg/L时,最大甲烷产量为0.256 CH/g COD,实现良好能量回收效果。

关键词： 膜生物反应器   污水处理   新型水处理装置  

摘要： 随着我国工业化建设的不断深入,污水排放问题已经成为了环保工作的重中之重,而膜生物反应器作为效果较好的新型水处理装置,自然也在污水处理领域中得到了广泛应用与高度重视,近年来,膜生物反应器的相关研究进展更是为污水处理工作带来了很多帮助.为此,本文对膜生物反应器进行了简单介绍,同时结合实际情况,对膜生物反应器在污水处理中的应用现状与应用方向展开了分析.

关键词： CIK细胞   CD34+细胞   体外扩增   单糖   悬浮培养体系  

摘要： 体外扩增是解决治疗用细胞剂量不足问题的有效途径之一,它的影响因素主要来自于培养基和培养装置。为此,本文分别从培养基和培养装置两个角度优化细胞因子诱导杀伤细胞（Cytokine-induced killer,CIK）和造血干细胞（Hematopoietic stem cells,HSCs）的体外扩增。本文首先通过正交实验确定葡萄糖、甘露糖、葡萄糖醛酸等单糖种类以及组合对CIK细胞体外扩增的影响,并进一步确定了最优添加剂量。结果显示,当2.2 mmol/L甘露糖、0.10 mmol/L葡萄糖醛酸组合使用时,体外培养CIK细胞14天后总细胞扩增倍数可达93.28±5.73,显著高于对照组的45.56±4.38（p＜0.05）;而培养物中CD3+、CD3+CD56+、CD3+CD8+细胞的比例与对照组相当（p＞0.05）,这三类细胞的扩增倍数分别可达到 269.40±59.98、473.4 7±112.37、453.38±91.43,显著高于对照组的127.12±21.86、177.12±23.79、226.93±21.66（p＜0.05）,说明甘露糖和葡萄糖醛酸的联合应用可有效促进CIK细胞的扩增。且在该条件下扩增所得到的CD3+、CD3+CD8+细胞中表达颗粒酶B的细胞含量分别为（61.50± 17.11）%、（70.23± 18.05）%,CD3+、CD3+CD56+细胞中表达穿孔素的细胞含量分别为（77.00±7.50）%、（69.63±6.90）%,均显著高于对照组（p＜0.05）;扩增14天后CIK细胞对K562细胞的杀伤活性为（35.77±10.79）%,也明显高于对照组的（22.27±6.16）%（p＜0.05）,说明甘露糖和葡萄糖醛酸的联合应用可增强扩增后CIK细胞的肿瘤杀伤活性。造血干细胞主要富集于CD34+细胞中,本文以CD34+细胞为研究对象,尝试在体外建立适合CD34+细胞的悬浮培养体系。本文在初步评价CD34+细胞悬浮培养的可行性的基础上,以KG-1a细胞作为模型细胞,考察动态培养装置和搅拌模式对KG-la细胞体外扩增的影响。结果显示,在转瓶培养体系中采用摆锤式搅拌桨、搅拌转速控制为15 rpm更有利于KG-1a细胞扩增,并应用CD34+细胞加以验证,从而初步构建了CD34+细胞的体外悬浮培养体系。基于上述研究结果,进一步尝试探索了应用MINIFOR生物反应器培养CIK细胞的可能性。以上研究结果为CIK细胞和CD34+细胞的体外扩增技术的优化提供了技术支撑。

关键词： 厌氧氨氧化   膜生物反应器   膜污染   高通量测序  

摘要： 厌氧氨氧化(Anaerobicammonium oxidation，Anammox)，指在厌氧条件下，厌氧氨氧化菌(Anaerobic Ammonium Oxidation Bacteria, AnAOB)以NO2-作为电子受体，将NH3直接转化为N2的生物化学过程。厌氧氨氧化工艺具有无需外加碳源、节省曝气能耗、剩余污泥量少等优势，是一种经济高效的新型生物脱氮技术。目前，厌氧氨氧化技术在高氨氮废水领域的应用已逐渐成熟。然而，AnAOB生长缓慢，倍增时间长(11d)，细胞产率低，且在常规工艺中不易富集、易流失，这很大程度上限制了厌氧氨氧化的推广应用。膜生物反应器(membranebioreactor， MBR)能够将所有微生物截留在反应器内，非常适合AnAOB这类泥龄较长的微生物生长，因此若将其应用于Anammox工艺，一方面有望解决Anammox微生物富集难的问题，另一方面，MBR能够达到的较高生物浓度可以有效提高反应器的去除负荷，有利于Anammox工艺的推广应用。然而，膜材料的耗费、膜组件价格高昂以及膜污染问题是一度制约MBR应用的重要瓶颈。因此，采用适合厌氧氨氧化体系的具有低造价、低能耗特点的新型膜材料，并在此基础上，有效控制膜污染，对于Anammox-MBR工艺的推广应用具有重要意义。　　本试验将膜生物反应器和厌氧氨氧化工艺相结合，构建两套Anammox-MBR体系，分别以不同优势菌属的厌氧氨氧化污泥作为接种污泥，均采用PVDF膜和尼龙纺织布膜分阶段运行，考察系统的脱氮性能和膜污染特性，获得Anammox-MBR的优化运行工况及膜污染控制策略。　　首先，以CandidatusJettenia为优势菌属的厌氧氨氧化污泥作为接种污泥，建立MBR-J系统，前期采用PVDF膜运行(第1~219d)，后期采用尼龙膜运行(第220~360d)。360d运行过程中，MBR-J系统最终在进水NH4+-N和NO2--N浓度分别为400~740mg/L和460~790mg/L的条件下稳定运行112d(第249~360d)，期间NLR变化范围为0.80~1.30kgN/m3/d，TNRE维持在86%左右，NRR为0.61~1.08kgN/m3/d。与相同HRT下运行的PVDF膜相比，尼龙膜的膜污染发展速度显著减小，且随着污泥浓度持续增加，尼龙膜仍能保持良好的抗污染性能。结合脱氮性能和膜污染周期发展情况，本试验条件下，MBR-J系统在采用尼龙膜时，可优先选HRT=1.5d运行。经过263d运行，反应器中MLSS从4918mg/L增至7230mg/L，增加了1.47倍;相应的MLVSS从2585mg/L增至4455mg/L，增加了1.72倍;VSS/SS比值最终稳定在0.60±0.02。比厌氧氨氧化活性SAA最高达0.46gN/d/gVSS。无论是PVDF膜还是尼龙膜，MBR-J系统在一个膜污染周期结束时，都以泥饼层阻力占主导，但是二者的膜污染机制不同。　　16SrDNA高通量测序结果表明，MBR-J反应器中AnAOB所在的菌属有CandidatusJettenia和CandidatusKuenenia属，其中CandidatusJettenia作为优势菌属始终存在于系统中，其相对丰度最高为29.12%;而CandidatusKuenenia在运行过程中逐渐增多，其相对丰度最高为9.29%。反应器污泥混合液中优势菌群分布与膜表面泥饼层污泥样品中存在显著差异。　　在平行实验条件下，采用CandidatusKuenenia为优势菌属的厌氧氨氧化污泥作为接种污泥，建立MBR-K系统，前期采用尼龙膜运行(第1~219d)，后期采用PVDF膜运行(第220~313d)。313d的运行过程中，MBR-K系统采用尼龙膜期间，在HRT=1.0d的运行条件下进水氮负荷快速稳步提升，达到整个运行过程的最佳状态。在此期间，进水NH4+-N和NO2--N分别从402mg/L和410mg/L增加至578mg/L和626mg/L，相应的NLR从0.83kgN/m3/d提升至1.17kgN/m3/d，TNRE保持在86%左右，NRR总体呈稳定上升，最高可达1.06kgN/m3/d。与相同HRT下运行的PVDF膜相比，尼龙膜的膜污染发展速度显著减小，结合脱氮性能和膜污染周期发展情况，本试验条件下，MBR-K系统在采用尼龙膜时，优先选HRT=1.0d运行。MBR-K经过263d运行后，MLSS从1529mg/L增至3705mg/L，增加了2.42倍;相应的MLVSS从896mg/L增至2660mg/L，增加了2.97倍;VSS/SS比值最终稳定在0.72±0.02。比厌氧氨氧化活性SAA最高达0.67gN/d/gVSS。无论是尼龙膜还是PVDF膜，MBR-K系统在一个膜污染周期