课程文献中心 更多>>

关键词： 组织工程血管   脉动式生物反应器   血管平滑肌细胞   聚乙醇酸支架   糖酵解  

摘要： 背景:将种子细胞接种于三维支架材料上,在脉动式血管生物反应器中进行三维培养是一种较为理想的体外组织工程血管组织构建手段,构建体系中关键技术参数选择是研究热点之一。由于条件限制,实际上目前对种子细胞在三维支架材料下如何生长和代谢还缺乏了解,这一现状将影响关键专用设备（血管生物反应器）参数选择和未来组织工程血管产品的功能质量。目的:本研究基于我们自主组装的脉动式血管生物反应器系统平台,利用光学传感器贴片的非侵入性方法,对组织工程血管组织构建全过程平滑肌细胞在三维PGA（polyglycolic acid,聚乙醇酸）支架上的耗氧特征数值进行监测,希望通过培养环境溶解氧变化规律来明确种子细胞生长代谢方式,并选择关键的早期阶段做进一步研究。方法:首先搭建以蠕动泵为脉动流动力来源、PGA无纺布为支架材料的生物反应器平台,将血管平滑肌细胞接种在PGA支架上,静置一周后施加脉动张应力刺激加载进行八周连续培养;其次,基于光学传感器贴片建立非侵入式的溶解氧监测方法,对三维环境中溶解氧的浓度变化情况进行连续动态监测,并定期取样对培养基中p H、葡萄糖消耗与乳酸生成量的比值Y进行检测分析;最后,在六孔板上建立开放式的PGA支架平滑肌细胞三维培养方法,获取培养过程中的Y、线粒体提膜电位、NAD/NADH比值以及增殖与代谢相关基因表达等关键指标,对静置期血管平滑肌细胞在三维多空隙环境下的增殖和代谢特征做进一步研究。并使用糖酵解关键酶己糖激酶Ⅱ的特异性抑制剂2-DG（2-Deoxy-D-glucose,2-脱氧-D-葡萄糖）,观察添加与否对平滑肌细胞增殖状态的影响。结果:利用脉动血管生物反应器系统完成组织工程血管的八周培养,收获具有完整结构和力学性能的组织工程血管组织;利用光学传感器贴片的方法获得组织构建全过程培养基中溶解氧浓度变化,发现构建的早期阶段（静置期）溶解氧浓度处于较高水平,随着力学刺激的施加,溶解氧浓度较于静置期明显下降,Y检测结果提示细胞代谢方式出现明显改变,由以无氧代谢方式为主逐步转变为有氧代谢方式为主;利用六孔板上建立开放式的细胞三维培养方法,我们发现未添加抑制的对照组中Y在加注细胞后快速升高,第五天最高值高于1,随后缓慢下降至0.5(静置期Y均值为0.895,加压期均值为0.566,P<0.05);CCK-8检测可见OD值在细胞加注之后逐渐增大,第5天达到最高值3.17,之后缓慢下降;第5天,线粒体膜电位处于较高水平;同时发现增殖相关基因Ki67的m RNA表达水平在培养第3天上调最显著,之后下降,Ki67蛋白在第3-5天的相对表达量较高;加注细胞后第5-7天NAD/NADH明显升高,糖酵解相关基因（GLUT-1、LDHA）表达上调同步改变,前5天相对表达量较高。表明平滑肌细胞早期在三维PGA支架三维多空隙环境下处于快速增殖阶段,代谢方式以有氧糖酵解的代谢方式为主。而在细胞培养基中添加2-DG的实验组中,细胞有氧糖酵解被显著抑制,CCK-8检测、线粒体膜电位水平及增殖相关基因Ki67表达显著低于对照组,细胞快速增殖能力明显降低。结论:血管生物反应器三维培养环境下,静置一周前后血管平滑肌细胞出现两种不同的代谢方式,对氧气供给提出两个阶段的不同要求,这将为进一步确定组织工程血管构建专有设备的技术参数提供依据。

关键词： 厌氧膜生物反应器   养猪废水   病毒去除   膜污染  

摘要： 随着我国生猪养殖业的快速发展,养猪废水的无公害处理也变成了亟待解决的问题。由于养猪废水含有大量病原体及有毒有害物质,直接排放将对土壤、大气造成严重污染,甚至直接威胁到人类的生存环境。而现有的污废水处理技术并不能满足无公害处理养猪废水的要求,其中最为关键的是无法有效避免病原体在生态环境中的传播,增加了疾病传播爆发的风险。因此开发可以有效削减病原体的工艺是极有必要的。厌氧膜生物反应器(Anaerobic membrane bioreactor,An MBR)作为一种新型厌氧处理技术不仅实现废水高效处理,而且在病毒去除方面也展现出了独特优势。然而,多数研究集中于市政废水中病毒去除,缺乏高浓度有机废水中病毒去除的研究。为了弥补这一空白,本文选择戊型肝炎病毒(Hepatitis E virus,HEV)、猪嵴病毒(Porcine kobuvirus,PKo V)、猪流行性腹泻病毒(Porcine epidemic diaeehea virus,PEDV)和猪传染性肠胃炎病毒(Transmissible gastroenteritis of pigs virus,TGEV)作为研究对象,运用实时荧光定量核酸扩增检测系统进行定量检测,系统的研究了An MBR对养猪废水中病毒的去除以及去除机制。得出主要结论如下:(1)证明了养猪废水在An MBR中实现了高效产甲烷以及高效病毒去除效率。甲烷产率和COD(Chemical oxygen demand,COD)去除效率分别达到0.26±0.06L-CH/COD和95.8±0.05%。同时,也实现了在反应器中四种猪体内常见病毒的有效去除,HEV、PKo V、PEDV和TGEV的去除值最高可达1.82、3.64、2.67和1.84 log。(2)解析了活性污泥对病毒的吸附能力以及病毒在混合液固液相的分配情况。四种病毒在污泥混合液中大量积累,并主要集中在固相污泥中(90%以上)。污泥吸附能力与病毒的种类有关,污泥颗粒吸附PKo V的能力最强,吸附TGEV的能力最弱。吸附能力也与对数去除值(logarithm reduction value,LRV)总体呈现正相关关系。此外,污泥混合液的吸附能力与悬浮固体(Mixed Liquor Suspended Solids,MLSS)、污泥颗粒粒径有关,与跨膜压差(transmembrane pressure,TMP)无关。(3)通过膜过滤实验以及污染的膜组件对病毒的截留实验,证实了泥饼层阻力、膜孔有机污染物阻力、膜孔无机污染物阻力及固有阻力影响An MBR对病毒的去除能力。其中,病毒主要滞留在孔隙污垢中,其次是固有阻力。(4)解析了水力停留时间(Hydraulic Retention Time,HRT)影响四种病毒去除性能的机理研究。HRT影响了污泥混合液的粒径分布,在HRT=4 d时中值粒径尺寸最大,d=128.1m,且污泥固相吸附的病毒最多,反之HRT=2 d时最小,d=26.7μm,且污泥固相吸附的病毒最少。经过进一步研究证明,污泥粒径的大小与多糖含量相关,多糖含量的增加促进了污泥对病毒的吸附。

关键词： 高盐纺织印染废水   静态磁场膜生物反应器(SMFMBR)   膜污染   高通量测序   宏蛋白质组  

摘要： 纺织印染废水具有有机负荷高、色度高、难降解等特征,通常还含有高盐度。膜生物反应器(MBR)兼具生物活性及固液分离功能,且具有诸如抗冲击负荷能力强、出水水质好、剩余污泥产量少、占地省等优点,被广泛应用于各种类型的废水处理及回用。然而,膜污染是阻碍该项技术发展的最大瓶颈问题,如何在进一步提升MBR生化效率的同时改善膜污染问题成为该项技术发展过程中需要突破的问题。诸多研究显示,磁场可以改变微生物的生理代谢活动,且因磁场强度及受试物种的不同而产生不同的作用效果(促进、抑制或无显著影响)。有研究显示,较低强度磁场通常可以使微生物的生长及代谢活性升高,而较高强度磁场则表现出对微生物生长代谢的抑制。根据上述磁生物效应机制,本研究设计了静态磁场膜生物反应器(SMFMBR),通过连续运行实验考察了利用静态磁场(SMF)在提升处理效率的同时抑制膜污染的效果,并阐释了可能的影响机制。共包含三部分研究内容:耐盐酵母强化活性污泥体系的构建,SMFMBR对实际高盐纺织印染废水的连续处理效果考察,SMF对膜污染的影响效果及机制。得到了如下主要结论:(1)利用一株新分离的耐盐酵母Meyerozyma guilliermondii A3(简称“酵母A3”)与活性污泥构建了耐盐酵母强化活性污泥系统,经表面响应法(RSM)条件优化并近似处理后,确定该系统组成为:酵母A3接种量1500.00 mg/L,活性污泥初始浓度3500.00mg/L,初始pH值6.50。利用小规模批式试验初步探索了不同强度SMF对该体系处理实际高盐纺织印染废水效果的影响,结果显示,相比于不施加SMF的对照组,24.8-97.2mT SMF提升了处理效率,其中以97.2 mT SMF的提升效果最为显著,色度显著下降,且对染料及一些芳香族化合物有明显的降解效果。相比之下,202.3 mT和303.4 mT SMF则对生物处理过程表现出抑制效果。(2)共设置了四组反应装置,其中一组为不施加SMF的对照组(0#SMFMBR),其余三组为施加了不同强度SMF的1#SMFMBR、2#SMFMBR和3#SMFMBR,膜表面附近区域最大SMF强度分别为97.2 mT、202.3 mT和303.4 mT。为期60 d的连续运行结果显示,3#SMFMBR的(色度、COD及急性毒性去除)处理效率始终优于其余三组,且其中的污泥具有更好的沉降性能。尽管四组反应器中的生物量无明显差别,但由于3#SMFMBR中检出的五种关键酶活性均为四组反应器中最高,使其具有更高的处理效率。解析了各反应器内最终的微生物群落结构,发现一些可能具有染料及芳香胺降解能力的细菌(Glutamicibacter、Lactococcus、Microbacterium、Dyella)及真菌(Candida)的相对丰度随施加SMF强度的增加而升高,说明其在高强度SMF刺激下被选择性富集,群落中真、细菌相对定量分析的结果显示,高强度SMF还促进了一些重要真菌在群落中的定殖或选择性富集,对废水中大分子化合物的降解及毒性的脱除至关重要。(3)通过监测跨膜压差(TMP)的变化判断膜污染情况,结果显示,高场强SMF能有效缓解膜污染(2#和3#SMFMBR),而低强度SMF反而会加剧膜污染(1#SMFMBR)。对溶解性微生物产物(SMP)、悬浮污泥(膜周围)及生物蛋糕层(膜表面)胞外聚合物(EPS)成分进行分析的结果显示,这些容易造成膜污染的生物大分子在1#SMFMBR中的浓度以及其中的“蛋白质(PN)/多糖(PS)”比最高,其次依次是0#MBR、2#SMFMBR和3#SMFMBR,说明3#SMFMBR中(生物大分子引起的)膜污染趋势最弱,而1#SMFMBR中最强。对悬浮污泥及生物蛋糕层中微生物群落的分析结果显示,一些对膜污染有潜在突出贡献的物种在膜污染程度更大的反应器中被选择性富集,如具有胞外多糖合成能力的Lactococcus和极易附着在膜表面形成生物膜的Pseudomonas,加剧了膜的生物污染过程。此外,利用宏蛋白组技术解析了生物蛋糕层EPS中的蛋白质组成,并深入探讨了其与膜污染的关系。结果显示,经不同强度SMF刺激后,一些可能与膜污染相关的蛋白(如孔蛋白、钙调蛋白、内-1,4-β-木聚糖酶)表达情况发生了显著改变。以0#MBR为基准,在1#SMFMBR生物蛋糕层EPS中鉴定出2种可能导致膜污染加剧的差异表达蛋白(DEP),而在3#SMFMBR的生物蛋糕层EPS中分别鉴定出可能导致膜污染加剧和缓解的DEP各2种,其中包括1种可以导致生物膜结构破坏的上调表达钙调蛋白。综合上述分析,推测高强度SMF可能通过如下几种方式抑制膜污染:a.抑制SMP及EPS的合成,b.抑制潜在的致膜污染微生物物种生长,c.抑制可能导致膜污染蛋白的表达。

关键词： 管式微藻光生物反应器   传热模型   藻液温度   微藻生物质生产力   技术经济分析  

摘要： 微藻的利用有助于碳减排、绿色能源供给及可持续产品生产,其开发应用潜力巨大。目前国内针对管式微藻光生物反应器微藻培养的技术经济分析还很缺乏,且该类研究一般不考虑藻液温度的动态变化对微藻生物质生产的影响,容易造成分析结果脱离实际情况。本文以中试规模的户外管式微藻光生物反应器组为研究对象,首先丰富和完善了计算反应器组接受太阳总辐射能的方法,其次建立了反应器组的传热模型,计算得到了我国五个地区的户外微藻光生物反应器组内藻液温度的全年变化情况,比较了各种热流量的相对大小并讨论了反应器的结构及布局对其接受的太阳辐射能的影响。然后基于能反映温度对藻类产量影响的生产模型,分析了各地区微藻生物质的理论产量以及控温后产量的变化情况。最后,结合该生产模型,针对适宜开展微藻养殖的地区进行了微藻生物质生产的技术经济分析,计算了生物质的总生产成本,对影响成本的主要参数进行了敏感性分析,并对微藻生物质的生产进行了规模效应分析和情景设计。研究结果可为我国微藻产业的发展提供一定的数据和理论支撑。主要研究结论如下:(1)基于传热模型计算的藻液温度及热流量结果表明,2021年温州地区藻液温度位于微藻生长可接受的温度范围0～40℃内的比例最高;海口地区藻液温度位于微藻良好生长的温度范围20～35℃内的比例最高。太阳辐射是引起藻液温度变化的主要因素,且通过探究反应器的结构和布局对其所接受的太阳辐射能的影响发现,0.15～0.25 m的上下管心间距、1～2 m的反应器间距及南北放置是较适合于大型双列管式微藻光生物反应器组的结构和布局(管道直径设为0.09m)。(2)微藻生物质生产力的分析结果表明,海口、温州、威海、鄂尔多斯、拉萨地区的微藻生物质最高日均生产率分别可达26、23、34、30和18 g/(m·day)。各地区微藻生物质的理论年产量大小依次为:海口(3748.6 kg)、威海(3212.9 kg)、温州(3143.2 kg)、鄂尔多斯(2735.7 kg)和拉萨(1061.3 kg)。在合适的控温方案下,各地区的年产量可提高2.1%～40.8%。综合考虑年产量以及控温时加热量和制冷量的总需求,上述地区中海口地区最适合开展微藻养殖。(3)微藻生物质生产的技术经济分析结果表明,海口地区户外管式反应器生产系统的微藻生物质生产总成本为185.9元/kg。敏感性分析发现,微藻生长温度、直接人工费、年运行时间对微藻生物质总成本有显著影响。规模效应分析显示最具经济吸引力的产业化规模约为10公顷。而考虑了降价空间和技术进步的某未来情景下微藻生物质生产成本可降至39.4元/kg。

关键词： 分散式污水处理   气提式生物反应器   碳氮比   短程硝化反硝化   动力学  

摘要： 近年来随着国家生态文明建设深入推进及美丽乡村建设和乡村振兴战略的实施,针对农村污水等分散式污水的治理工作日益受到重视。传统污水处理工艺虽其效果良好,但具有工艺流程长,技术管理要求高,不能适应分散式污水小而波动的缺点。本研究提出一种气提式生物反应器,研究其脱氮与COD处理效果,通过在SBR反应器内添加气升管将反应器分为内外两区,采用气提技术在气升管内曝气,内外气含率密度差使得反应器内流体进行由内至外循环。传统生物脱氮工艺的完成,由于其不同菌种工作原理的冲突,多数是在两个或多个独立的反应器中完成,或是在时间上造成交替好缺厌氧的同一个反应器中进行,存在建设投资占地面积较大、运行费用较高等特征。而分散式污水处理还存在冬季低温运行不稳定、进水碳氮比波动等问题。因此本文在反应器内构建混合液循环流态,从强化活性污泥菌胶团性能及提升传质效率的水力学角度出发,提出了一种在同一空间内存在不同溶解氧环境的污染物同步去除的气升式环流生物反应器（Airlift loop bioreactor）。同时运用当前脱氮新理论,以改变反应器结构的角度思考,形成类似于竖向推流式渐减曝气的作用,构造时空性的间歇曝气,菌胶团随着反应器的流程不断进行好缺厌氧环境的循环,以这种非稳态的环境压力来胁迫AOB及NOB,以此来探索气提反应器实现短程硝化反硝化的可行性,同时基于基质浓度的分布问题,探索反硝化碳源利用大小,使得脱氮方式由全程硝化反硝化转变为同步短程硝化反硝化。论文首先利用清水实验对反应器进行溢流量等参数实测,研究气提式反应器曝气对溢流的影响。结果表明,曝气量越大则反应器内氧饱和速率越快,导流筒伸出高度越小,溢流量越大,并且氧饱和速率越快,但反应器内DO呈内区大于外区的趋势,同时DO沿内区至外区底部流程逐渐减小,证明了以序批式运行下,反应器内会形成不同水平的DO环境,内区与外区由上到下随着流程的DO均值分别为3.58 mg/L、3.24mg/L、3.03 mg/L及2.72 mg/L。此外探究了不同内筒径下,曝气量、伸出高度与溢流量之间的关系,结果表明:不同内筒径下其内外区（好、缺厌氧）水力停留时间的比值与内外区体积之比相同,即300 mm内径下内外区水力停留时间为1:2;350 mm内径下内外水力停留时间为1:1;400 mm内径下内外区水力停留时间为2:1。其次,针对分散式污水量质波动大等特征,结合气提式生物反应器具有的流场特性及同步脱氮机制,分别研究了C/N>8.0、C/N=4.0～8.0、C/N<4.0条件下反应碳、氮去除性能及机制,考察了不同工况下的反硝化碳源利用率,分析了碳、氮的利用途径。研究结果表明:各碳氮比下反应器出水COD、NH4+-N、TN始终保持在50 mg/L、1 mg/L、15 mg/L以下;同步硝化反硝化率均值分别为:68.83%、72.09%、81.37%;反硝化碳源利用率均值分别为11.61%、21.21%及63.89%,在C/N<4.0时,由于改变进水方式为间歇2 h进水,为反硝化菌创造了适宜的DO环境,故具有较高的碳源利用率。同时,基于前期反应器研究,重点关注短程硝化的实现与稳定维持,研究结果表明:本反应器可实现亚硝态氮的积累,且保持反应器污泥浓度及运行方式稳定的状态下,可维持较稳定的短程硝化过程,同时推测反应器脱氮途径逐渐改变为短程硝化反硝化。在此反应器中,NOB对亚硝态氮的氧化相比于AOB对氨氮的氧化有一定的“滞后性”,同时在后期反应器污泥浓度及碳氮比逐渐降低的过程中,亚硝态氮逐渐积累,反应器中硝态氮逐渐消失,即可实现短程硝化,但其积累机制及影响因素需进一步深入探究。最后,基于前期实验结果与数据,以莫诺方程为基础推导得到基质降解动力学方程,对反应器运行过程中微生物各类动力学参数进行拟合,结果表明:不同碳氮比下最大氨氧化速率(vmax)分别为0.054 d-1、0.097 d-1、0.103 d-1,氨氮半饱和常数分别为4.165 mg/L、3.195 mg/L、3.096 mg/L,即进水氨氮逐渐升高时,氨氧化速率逐渐升高,在C+（NH4-N）>30.0 mg/L时氨氧化速率达到最大,且不随基质浓度的变化而变化;亚硝酸盐氧化菌在反应器运行20d后被强烈抑制,最大亚硝酸盐氧化速率为0.017 d-1、0.000 d-1、0.000 d-1,亚硝酸盐半饱和常数为0.928 mg/L、0 mg/L、0 mg/L;反硝化菌最大反硝化速率分别为0.024 d-1、0.116 d-1、0.122 d-1;半饱和常数分别为1.679mg/L、6.694 mg/L、18.083 mg/L。建立归趋模型之后,模型数据表明在降低碳氮比的过程中,大部分碳源有向着以亚硝态氮为电子受体的短程反硝化的方向所利用,C/N>8.0时,约46.5%的亚硝态氮以短

ISBN: (数字)9780323972734 ISBN: (纸本)9780323917827

摘要： Nanomaterials for Bioreactors and Bioprocessing Applications explores the potential of nanomaterials in improving the efficiency of bioprocessing industries and next-generation bioreactors. The book provides information on various newly synthesized nanomaterials in bioreactors for scaling up the bioprocess to an industrial level, the criteria and properties of nanomaterials to be used in bioprocessing, advantages and challenges while using the nanomaterials, and economic constraints. In addition, the book also discusses the fate of various nanomaterials in the bioprocess, the chances of product contamination, and its prevention. This book is an important reference source for materials scientists and biomedical engineers seeking information on the synthesized nanomaterials that are available for bioreactors and bioprocesses, and the various optimized conditions and precautions to be taken.

关键词： 亚硝酸盐型同步脱氮除硫工艺   基质浓度   水力停留时间   循环比   响应面法  

摘要： 采用EGSB反应器运行亚硝酸盐型同步脱氮除硫工艺.基于响应面实验设计探讨了基质浓度、水力停留时间和循环比三因素两两交互对工艺基质去除性能和单质硫产量的影响,并根据模型结果优化工艺运行条件.结果表明,基质浓度对亚硝酸盐型同步脱氮除硫工艺的基质去除性能和单质硫产量具有显著影响.高基质浓度虽有助于单质硫产生,但不利于提高基质去除率;且提高水力停留时间和循环比有助于缓解高基质浓度带来的不利影响.经过响应面模型优化,该工艺最优运行条件为:进水硫化物640.00mgS/L,水力停留时间2h和循环比30,硫化物和亚硝酸盐去除率可达(99.90%±0.03%)和100.00%,单质硫产率可达(77.75%±0.84%).

关键词： 农村生活污水   活性污泥法   倒置A2O   脱氮除磷   回流比  

摘要： 我国农村水环境治理滞后。各农村地区的生活污水特征差异大,城乡经济发展水平不平衡,导致农村污水处理设施在设计、建设、运营方面落后。C-CBR一体化生物反应器,又称连续流连续生化反应器,是针对农村生活污水处理而研发的可推广的新型实用活性污泥法处理工艺。利用水泵+射流器的组合,实现连续进出水以及连续生化反应,完成硝化液回流、射流曝气、水力搅拌功能的三合一。初次试验中存在有问题:溶解氧质量浓度不足且分布不均匀;反应区存在水力死角,污泥堆积发黑;操作复杂不灵活。对反应器存在问题进行改进。增加一套“水泵+射流器”,使反应器多一组好氧-好氧的循环,向好氧区提供更多溶解氧;另一组厌氧-好氧的“水泵+射流器”组合用来控制硝化液回流和向好氧区供氧的功能;通过改进管路,使外层反应区和内层反应区的污水循环流动,起搅拌作用。最终提高对污染物的去除率,提出改良的C-CBR一体化生物反应器。以兰考县第二污水厂沉砂池出水为原水,按照国家标准内规定方法测定出水水质。通过调节两组水泵流量大小来改变反应器运行工况,分别研究了改良C-CBR一体化生物反应器在不同曝气量、硝化液回流比、水力负荷下对污水中的COD、氨氮、TP、TN的去除效果,得到反应器的最佳运行工况。调整内循环流量改变好氧区溶解氧浓度。保持内循环流量分别为0.10 m/h、0.25m/h、0.40 m/h。在硝化液回流比为400%下,当内循环流量为0.25 m/h,四项污染指标均达到最佳去除效果。COD、氨氮、TN、TP去除率分别为85.0%、71.6%、64.0%、73.7%;除TP只能满足河南省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》二级标准外,其余均可满足一级标准。保持内循环流量为0.25 m/h,调整混合液回流比分别为300%、500%,除TP在回流比为300%时获得最佳去除率,其余三项污染指标去除率均下降。好氧区溶解氧质量浓度上升至3.0 mg/L后,COD去除率降低,COD的去除大部分依靠缺氧/厌氧区的异养菌摄取。确定反应器的最佳工况为“内循环”流量0.25m/h,硝化液回流比400%。高负荷运行期间,COD、氨氮、TN、TP去除率分别为76.1%、67.3%、58.0%、60.2%,反应区各去除率均下降。TN出水仍可满足省一级标准,COD和氨氮可满足二级标准,出水的TP质量浓度则超出二级标准。

关键词： MPSR反应器   碳源种类   低C/N污水   生物除磷  

摘要： 有机碳源在生物脱氮除磷中扮演着重要角色,微生物对不同碳源类型的代谢途径和需求量存在差异,碳源的复杂程度影响着挥发性脂肪酸(Volatile Fatty Acids,VFAs)的转化速度,进而影响微生物的吸收利用速度。微压内循环生物反应器(Micro-Pressure Inner-Loop Swirl Bioreactor,简称MPSR)是一种新型同步脱氮除磷反应器,在处理低碳氮比污水方面具有潜在优势。本课题在两种进水C/N条件下,考察了单一碳源(乙酸钠)、复合碳源(乙酸钠+葡萄糖+淀粉)和复杂碳源(淀粉+蛋白胨)三种碳源类型条件下,MPSR反应器的除磷效果和污泥特性,分析了反应器除磷机理以及微生物菌群结构特征,主要结论如下:(1)在进水COD和TP相同条件下,单一和复合碳源反应器除磷效果优于复杂碳源反应器,随着进水氨氮浓度提高,除磷效果下降。进水C/N为7.0条件下,单一碳源和复合碳源反应器出水TP浓度分别为0.3、0.2 mg/L;C/N降低至4.7时,出水TP浓度均升高至0.77 mg/L。两种进水条件下,复杂碳源反应器出水TP浓度为1.3 mg/L。(2)单级好氧批式运行方式下,反应器混合液内DO浓度随反应进行出现明显变化,单一碳源和复合碳源反应器内存在明显的释磷现象,并伴随污泥内聚-β-羟基链烷酸(poly-β-hydroxyalkanoate,PHA)的合成和分解。进水C/N为7.0条件下,单一碳源和复合碳源反应器在反应进行至第5～20 min释磷量达到36.54mg/L和15.65 mg/L,污泥内PHA达到最大值24.5 mg/(g·MLSS)和31.2 mg/(g·MLSS)。复杂碳源反应器无明显释磷现象,释磷量为3.44 mg/L,污泥体内PHA 7.5 mg/(g·MLSS)左右。进水C/N降低至4.7,三种碳源反应器最大释磷量分别降至16.19、5.28、2.34 mg/L。(3)不同碳源条件下,随着反应器的运行,污泥内TP含量逐渐提高并趋于稳定,单一、复合、复杂碳源反应器污泥内TP含量分别占9.86%、6.24%、6.23%。从污泥中磷形态含量来看,三种碳源反应器污泥中,无机磷形态(IP)是TP的主要组成成分,有机磷(OP)含量较少,其中非磷灰石态无机磷(NAIP)是IP的主要成分,磷灰石态无机磷(AP)含量较少;通过磷的含量计算,剩余污泥排放是除磷的主要途径。(4)进水碳源对反应器内比好氧速率(SOUR)和沉降性能有明显影响。比好氧速率与碳源代谢途径呈正相关关系,单一碳源>复合碳源>复杂碳源,单一和复合碳源反应器污泥胞外聚合物EPS含量相对较多,活性污泥絮凝性较好;复杂碳源反应器在运行后期出现污泥膨胀现象,污泥内出现大量丝状菌。(5)三种碳源类型反应器中,变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、杆菌门(Patescibacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、拟杆菌门(Bacteroiaetes)等菌门是主要优势菌门,约占全部菌门含量的85%以上。单一碳源反应器中变形菌门(Proteobacteria)含量最丰富,约占62.41%,复合碳源和复杂碳源反应器中分别占33.76%、44.97%;复杂碳源反应器Bacteroiaetes菌门丰度最高约占13.16%。

关键词： 沼液   AnMBR   膜污染   数学模型   微生物  

摘要： 我国每年都需处理大量的餐厨垃圾,而在这个处理过程中会产生大量的餐厨废水。餐厨废水具有极高的COD与颗粒物浓度,且含油脂等较为复杂的有机物。目前,主要采用厌氧生物法对餐厨废水进行处理。然而,餐厨废水厌氧消化后的沼液污泥浓度极高,需进行固液分离才能进入好氧处理,处理工艺繁杂,且沼液固液分离后将造成厌氧反应器内微生物流失等问题,影响污染物降解效率。相关研究表明,AnMBR由于膜组件对污泥的截留作用,保证了厌氧反应器内微生物的浓度,对餐厨废水中污染物有着良好的降解效果。但其中大多数研究均为实验室规模,且存在较为严重的膜污染问题,导致AnMBR系统处理餐厨废水时的稳定性较差。沼液的膜过滤稳定性决定着AnMBR系统连续运行的稳定性,为了解AnMBR是否能满足中试规模的餐厨废水处理,本文重点针对中试规模下AnMBR中沼液的膜过滤特性,即沼液膜过滤前后污染物去除率、膜通量的影响因素、不同反洗条件对膜通量恢复的影响、最佳反洗条件下连续运行的稳定性以及膜污染机理进行研究;同时,探清运行前后AnMBR微生物群落结构分布及演替方向,取得的研究结果如下:（1）进行了沼液膜过滤特性研究。①COD去除率在77.2～86.8%之间,均值为82.3%;VFA去除率在72～92%之间波动,平均去除率为86%;进水的TN均值为3177 mg/L,出水的TN均值为2427 mg/L;进出水pH与NH4+-N均无明显差异,厌氧膜对pH与NH4+-N无明显去除效果。②最佳反洗条件:单次反洗流量为15m3/h,单次反洗时长为5s,反洗频率为30min一次。③最佳反洗条件下沼液膜过滤连续运行具有较强的稳定性:经过两个月的连续运行,跨膜压差从初始的0.013MPa增长到化学清洗前的0.056MPa,产水流量从最初的0.32 m3/h下降至0.13 m3/h,膜通量衰减了约59.4%。在连续运行的两个月中总计产水约70.3 m3,平均每日产水1.35 m3。该厌氧膜在进行第一次化学清洗之前总计产水约145 m3。（2）建立了沼液膜过滤通量数学模型。①沼液膜过滤通量数学模型表达式为J=△P/10-3（5.8×1012+5.6×1011M）,当超滤膜孔径为30nm,沼液 MLSS 为 5g/L～16g/L,△P 为 0.023MPa～0.029MPa 时,该模型可靠（R2>0.99）,并以此计算可得沼液膜通量范围为1.56×10-6～3.37×10-6 m3/（m2·s）,平均膜通量为 2.28×10-6 m3/（m2·s）。②膜表面形成的滤饼层总阻力Rt主要来源于膜自身阻力Rm与滤饼层阻力Rc之和（其中Rm=5.8×1012m-1,Rc=5.6×1011M）;该沼液的实际粘度会随膜内高速运动条件下趋于一定值,为1×10-3Pa·s。③对模型参数进行了灵敏度分析:当各工艺参数在0～50%变化时,膜通量各参数的灵敏度高低依次为△P、μ、Rm和MLSS;当各工艺参数在-50%～0变化时,膜通量各参数的灵敏度高低依次为μ、△P、Rm和MLSS。（3）揭示了沼液过滤膜污染机理。①在沼液过滤过程中,有机成分中的蛋白质全部回流至沼液罐,极少残留在膜上;多糖并不全部回流至沼液罐,大约有14.5%～26.9%会残留在膜上,且随着沼液浓缩倍数增大,多糖在膜上残留率也逐渐增大。因此,膜污染物质的有机成分主要为多糖。②无机成分是膜污染物质的主要成分,约占79.72%,且主要为磷酸镁盐与碳酸钙等物质。（4）分析了微生物群落结构分布及演替方向。①AnMBR运行前后两者的主要的门水平微生物一致,但是又存在一定程度的区别,主要体现在运行前具有Patescibacteria（占比7.44%）,而运行后具有Caldatribacteriota（占比7.10%）。②AnMBR运行前的主要属水平微生物为 Fastidiosipila（占比 16.61%）、RikenellaceaeC9utroup（占比10.86%）;而运行后的主要属水平微生物为Fastidiosipila（占比 17.89%）、norank_fT-12K33（占比 10.11%）。③AnMBR 运行前后,门水平微生物中产甲烷菌数量明显增多;古菌属水平微生物多样性更加丰富。