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关键词： AGMBR   膜污染   混凝预处理   氧化预处理   吸附预处理  

摘要： 随着全球城市化和工业化进程的加快,提高市政污水的处理效率,实现水资源的循环利用已成为了城市健康发展的关键问题。为了解决上述问题,好氧颗粒污泥膜生物反应器（AGMBR）作为膜生物反应器的改进工艺已引起了众多研究者的注意。AGMBR具有停留时间短、占地面积小、可同步脱氮除磷等显著优势。然而,AGMBR在市政污水回用过程中存在的一个关键性问题就是如何有效控制膜污染并延长膜的使用寿命。基于此,本论文分别采用创新的混凝、氧化和吸附预处理策略,从不同技术角度深入揭示了多种预处理方法对AGMBR运行效能和膜污染的影响,并深入探讨了膜污染缓解机理。 近年来,混凝因成本低廉、效果显著等特点已成为了膜污染缓解的热点。然而,使用改性微生物絮凝剂（MMF）减缓AGMBR膜污染的研究还存在空白。因此,论文首先制备了一种MMF,并与其他有机絮凝剂进行了对比研究。研究发现,MMF预混凝可通过电性中和和吸附架桥的方式有效缓解膜污染,投加量在10mg/L下聚合氯化铝（PACl）/MMF体系具有最佳的抗污染性能。在该最优投加量条件下,AGMBR的膜通量提高了79.4%,污染阻力降低了90.3%。此外,MMF对原水中的化学需氧量（COD）和总磷（TP）等有着最高的去除率,提高了耦合系统的整体运行效能。膜污染层特性和膜污染模型结果表明,滤饼层的形成是AGMBR膜污染的主要机制,MMF的使用减少了污染物在膜表面的聚集,并形成了疏松多孔的滤饼层。扩展的Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（XDLVO）理论表明在膜-污染物和污染物-污染物的相互作用中,PACl/MMF加大了污染物与膜之间的能垒值,致使膜污染减轻。相关性分析表明,TP、多糖、zeta电位和粒径与总污染阻力的相关性最大,证实了显著的膜污染缓解归因于水质的改善。本研究揭示了MMF对膜污染减缓的机制,为混凝预处理控制膜污染提供了一种新的途径。 热/Fe/过二硫酸盐（PDS）和热/粉末活性炭（PAC）/PDS除氧化作用外,还分别具有混凝和吸附作用。然而,关于热协同作用下上述两种预处理策略的氧化、混凝和吸附作用在膜污染减缓中的贡献的研究鲜有报道。采用热/Fe/PDS和热/PAC/PDS预氧化缓解AGMBR处理市政污水过程中的膜污染,并考虑了自由基种类对处理效果的影响。研究表明,热/Fe/PDS比热/PAC/PDS具有更佳的污染物去除率和膜污染控制效果,这主要归因于产生的SO·和Fe分别具有优异的氧化和混凝性能。此外,非自由基作用也是热/PAC/PDS减缓膜污染的重要途径,热协同能进一步促进两种氧化体系对膜污染的减缓。基于XDLVO理论,热/Fe/PDS体系中污染物-膜和污染物-污染物具有最高的排斥作用,这表明膜表面的污染物明显减少,仅在膜表面形成了疏松多孔的滤饼层。本研究阐明了热/Fe/PDS和热/PAC/PDS预氧化减缓膜污染的机制差异,并为缓解AGMBR膜污染提供了新的思路。 吸附剂的结构差异对膜前预处理效能具有重要影响。然而,还没有研究报道炭吸附剂的结构差异对膜污染的影响。本论文首次比较了颗粒活性炭（GAC）、PAC和活性炭纤维（ACF）对AGMBR处理市政污水过程中膜污染的缓解效果。研究表明,在同种条件下PAC体系能够显著提高归一化通量,减少污染阻力。相比于GAC和ACF体系,PAC能够吸附原污水中绝大部分小、中分子量污染物,致使污水平均粒径增加,膜表面污染物含量降低。Hermia模型表明,吸附预处理能够减少标准堵塞的发生,促使疏松多孔滤饼层的形成。此外,XDLVO理论阐明了PAC体系是最佳的膜污染减缓体系,由于其显著增强了膜-污染物和污染物-污染物之间的排斥作用。相关性分析表明,PAC体系优异的抗污染性能可归因于有机物和悬浮物（SS）的高效去除。 铁纳米氧化物具有良好的理化性能和吸附性能,但尚未有研究比较不同纳米铁氧化物对膜污染的影响。本论文重点研究了FeO、α-FeO和γ-FeO纳米粒子对AGMBR膜污染的影响。研究表明,在同种条件下,与GAC相比,FeO、α-FeO和γ-FeO纳米粒子能更为有效去除污水中的小、中分子量污染物,从而显著延缓了通量的下降,减少了污染阻力。然而,过量的纳米粒子吸附剂会阻塞膜孔,不利于系统的正常运行。污染模型表明,中间堵塞和滤饼过滤是AGMBR的膜污染主要机理,吸附预处理的应用抑制了标准堵塞。此外,XDLVO理论揭示了γ-FeO体系的高能垒,证实了其优异的抗污染性能。统计分析表明,γ-FeO体系对有机物和SS有着最高的去除率,有利于缓解AGMBR膜污染。不同炭吸附剂和铁纳米氧化物吸附剂的研究为吸附预处理在膜污染缓解中的应用提供了技术支撑。

关键词： 印染废水   膜生物反应器   平板膜选择   反渗透浓水处理  

摘要： 工业园区废水进行深度处理后就近再利用，是缓解水资源短缺和水环境污染的有效措施。本文依托佛山市某印染产业园废水处理厂中水回用技改工程项目，先开展膜生物反应器（MBR）中试研究，系统比较两种材质平板膜（A、B膜分别由PVDF材料和PES材料构成）的污染物截留效果和抗污染能力，为技改项目MBR选膜提供技术支持;再开展MBR出水反渗透（RO）处理，重点考察RO浓水的组分特性及不同物化工艺（混凝、活性炭吸附、芬顿）的处理效果，为技改项目RO浓水处理工艺选取提供技术支持。　　MBR中试分低/中/高/超负荷四阶段开展（低/中/高负荷分别对应在生化池末/中/始端抽取活性污泥混合液至膜池，平均膜通量为15 L/m2/h;超负荷取水点与高负荷相同，平均膜通量为18/22.5 L/m2/h;膜池污泥浓度目标值12 g/L，曝气吹扫气水比20:1，各阶段均运行20天）。A、B两种平板膜对COD、BOD5、总氮的平均截留率分别为52.5%和56.8%、67.8%和64.1%、23.9和24.1%;A、B两种平板膜平均出水色度、浊度分别为93倍和90倍、0.45 NTU和0.42 NTU。因此两种膜对于污染物的截留效果相当。A、B膜在低/中/高负荷阶段跨膜压差均未出现明显上升趋势，A膜在超负荷阶段跨膜压差上升25 kPa，B膜在超负荷阶段跨膜压差上升36 kPa。综合对比推荐A膜用于MBR技改工程项目。　　MBR出水经RO处理后产水可满足印染工业漂洗水回用标准（FZ/T 01107-2011）。RO浓水经树脂分离为疏水性酸（HOA）、疏水性碱（HOB）、疏水性中性物质（HON）、亲水性酸（HIA）、亲水性碱（HIB）、亲水性中性物质（HIN）。三维荧光光谱分析表明RO浓水中主要含酪氨酸、色氨酸以及富里酸类物质。RO浓水活性炭吸附试验中，当粉末活性炭的投加量达到4 g/L时，处理出水COD和色度分别为78.4 mg/L和40倍，去除率分别为52.5%和80%，活性炭主要去除HOA和HON组分。芬顿试验中，在H2O2和Fe2+的投加质量比为2:1，系数值n=1（COD:H2O2=1:2.12）、温度为25℃、反应时间为30 min的条件下处理效果最好，处理出水COD和色度分别为28.8 mg/L和20倍，达到印染废水直接排放标准，去除率分别为82.5%和90%。芬顿对亲疏水性组分去除效果相当，基本完全去除携带荧光基团有机物。

关键词： 动态膜生物反应器   运行模式   电场   动态膜膜污染   除磷  

摘要： 动态膜生物反应器是一种利用过滤初期形成在大孔径过滤基网上的动态生物膜层进行污染物截留的膜生物反应器。其出水水质与微滤/超滤膜相当。因其具有通量高、能耗低及膜廉价等优点而受到越来越多的关注。但是,反应器运行过程中动态膜层的不稳定性限制了其大规模的应用。动态膜层污泥的沉积过程受到操作条件和污泥性质等多方面因素的影响。本研究对运行模式和电场力两方面在动态膜过滤过程的调控作用进行了实验探究。对不同运行模式和电场影响下的动态膜过滤特征、过滤堵塞模型、动态膜微观形貌、膜污染缓解机理进行了探究与对比。此外,还尝试了以铝板作为阳极,将电解除磷与动态膜生物反应器进行耦合以提高动态膜生物反应器的除磷效率,为实际废水处理提供相关参考数据。主要内容如下: （1）探究恒压与恒流运行条件对高通量动态膜过滤特征的影响,分析膜堵塞机理的差异。发现恒压运行模式下的动态膜（P-SFDM）过滤周期较恒流运行模式下的动态膜（J-SFDM）短,动态膜形成迅速,15 min内出水浊度可降至2 NTU以下,而J-SFDM形成缓慢,高通量运行10 h之后,出水浊度才降至2 NTU以下。P-SFDM对于大分子溶解性有机物有着更优的截留效果。P-SFDM动态膜堵塞更符合完全堵塞模型,而J-SFDM膜堵塞初期符合标准堵塞规律,后期遵循间接堵塞规律。P-SFDM泥饼有着更大的活性污泥粒径以及更高的胞外聚合物含量,膜表面污泥絮体更加疏松多孔。此外,P-SFDM需要频繁反洗再生,其吨水能耗高达0.19 kwh/t,明显高于J-SFDM的0.14 kwh/t。 （2）探究电场调控作用下低通量恒流动态膜过滤特征及膜污染减缓机理。施加恒定电压的反应器E-DMBR按过滤特征可分为两个阶段,一是在刚开始运行阶段,电极表面产生的氢气泡附着占据了大量的膜孔位点,使得膜面有效过滤面积减小,膜阻力较对照反应器C-DMBR发展迅速;二是运行至第三个周期时,E-DMBR稳定过滤时间延长,平均结垢率相较于C-DMBR下降了约40.3%。在第二阶段中,E-DMBR中形成的动态膜膜面污泥较C-DMBR中具有更低的胞外聚合物含量和更大的粒径。E-DMBR动态膜层中电活性细菌(Lactococcus（13.62%）)及与反硝化过程相关的细菌(norank＿f＿＿***＿17（8.25%）、unclassified＿f＿＿Comamonadaceae（2.40%）)丰度较C-DMBR上升。此外,外加负电势条件下,活性污泥表面极性张力显著增大。在短程分离距离下,极性作用能绝对值最大,对动态膜形成初期起主导作用。研究结果表明,电场调控下,动态膜粒径增大,极性增强,动态膜微生物群落发生演替,稳定过滤时间延长。 （3）在上述研究的基础上,以铝板作为阳极,探究电絮凝-动态膜生物反应器的过滤特征和除磷性能。实验结果表明,施加2.4 A/m2恒定电流的EC-DMBR-2有着最长的稳定过滤周期,平均结垢率为5.15 k Pa/h,相较于C-DMBR（8.79 k Pa/h）下降了41.44%。而过高的恒电流条件下（EC-DMBR-3,4.8 A/m2）,电极表面产生的氢气泡附着占据膜孔道反而加快了膜污染进程。与对照相比,动态膜稳定过滤时间缩短了约3 h。EC-DMBR中污泥粒径的增大和污泥上清液zeta电位绝对值的降低是动态膜稳定过滤时间延长的主要原因。不同电流密度下运行的EC-DMBR对COD去除率均达到90%以上,与普通C-DMBR相比无显著差异。而EC-DMBR对总磷的去除效率均在85-90%以上,较C-DMBR有显著提升（去除率在60%左右）。此外,EC-DMBR（2.4A/m2）运行期间铝磷比为1.14,低于纯电解除磷反应器的1.3。同时,EC-DMBR中参与磷去除的Thiothrix丰度均较C-DMBR上升。

关键词： 支架结构   膝关节生物反应器   有限元分析  

摘要： 目的:针对早期的骨性关节炎患者,我们开发了三种不同类型的支架,设计了一套模拟人体膝关节的生物反应器,并且利用有限元分析对三种不同的支架进行了生物力学性能的测试,以评估支架设计并尝试模拟植入人或动物膝关节的支架的真实环境。为后来研究者利用骨软骨支架治疗此类骨性关节炎提供可行的支架和生物反应器基础以及类似的生物环境。方法:使用钛合金(Ti6Al4V)粉末为原材料,利用EOS M290机器,通过直接金属激光烧结(DMLS)方法制造,经650°C退火处理保持3个小时,得到三种多孔钛合金支架。为了满足支架的力学性能测试,提供灌注培养系统以增强细胞/组织生长和模拟人体内部生物环境的要求,我们还开发了一套模拟人体膝关节生物反应器,生物反应器可以与万能试验机耦合以提供载荷。3种类型的支架固定在生物反应器圆柱孔支架中。利用万能实验机器给予载荷,在进行负载测试的同时,蠕动泵会把水注入到生物反应器中,并且使水在反应器中循环流动。将所得的数据汇总后,利用ANSYS 2021 R1版本,有限元分析等数据处理软件进行分析。结果:基于此支架的设计和制造方法,我们得到了三种不同的支架和一套人体膝关节的生物反应器,并且将这三种支架放入生物反应器中,顺利完成了力学性能的测试实验。实验结束后,利用有限元分析对实验的数据进行了分析。结构A、B支架显示出几乎相同的最大力分别为2945.087N和2931.775N,结构C出现两个峰值,取第一个峰值为3183.281N。结构A、B也显示出几乎相同的极限强度,分别为86.084Mpa和85.695Mpa。结构C为93.046Mpa。结构A、B、C支架的杨氏模量分别为256.24Mpa、258.81Mpa、208.93Mpa。结构A、B、C支架的等效应力、最大主应力、变形分别为1002.7Mpa、492.52Mpa、0.45237,991.65Mpa、498.52Mpa、0.45176,913.31Mpa、328.8Mpa、0.34167。三种支架制造完好,无损坏,实验过程中,生物力学反应器以及万能试验机运行一切正常。结论:3种钛合金支架的力学性能均较为优异。对于早期的骨性关节炎患者,植入这三种支架后能够顺利进行平路行走,膝关节弯曲,站立和坐下等活动,如果膝关节周围肌肉组织不强壮,则上下楼还是较为困难。生物反应器具有良好的评估能力,但未来需要进一步改进。

关键词： 含油率   厌氧膜生物反应器   餐厨垃圾   厌氧消化   膜污染  

摘要： 近年来,我国餐厨垃圾产量日益增长,在能源化需求的推动下,厌氧消化技术成为餐厨垃圾减量化、无害化、资源化最主流的技术,但传统厌氧发酵技术在高有机负荷(OLR)下易出现功能微生物流失问题。脂质是餐厨垃圾的重要组成成分,与碳水化合物和蛋白相比具有更高的产甲烷潜能,但高浓度的脂质会吸附并覆盖在微生物表面,在传统厌氧反应器中会引起更严重的污泥流失问题。而厌氧膜生物反应器(An MBR)能够有效分离HRT和SRT,从而实现功能微生物的高效截留,用于处理高脂质餐厨垃圾具有一定技术优势,但过程中出现的LCFAs积累以及膜污染问题仍旧是阻碍其进一步推广的瓶颈。目前,An MBR用于处理高含油餐厨垃圾的研究仍旧有限,因此,本研究采用外置式An MBR,研究了不同含油率下An MBR处理高脂质餐厨垃圾的产甲烷性能、稳定性能,探明了含油率对An MBR膜污染特性以及微生物群落演替、代谢的影响,为An MBR处理高脂质餐厨垃圾的实际应用及含油率的调控范围提供理论支撑。主要得到如下结论:(1)随着含油率由0%升高至5%,AnMBR系统中的甲烷产率从0.290升高至0.375L-CH/g COD,脂质降解率达到最高至78.19%,而COD去除率一直维持在99.24%左右;当含油率进一步升高至8%后,甲烷产率、脂质降解率小幅降低,COD去除率也降至97.40%,系统对回收甲烷的能力降低。而系统稳定性随含油率升高明显降低,VFAs、LCFAs浓度不断升高,至含油率为8%时,VFAs、LCFAs积累浓度分别达到1967.00、999.68mg COD/L,氨氮降低至1100mg N/L,碱度降低至6200mg Ca CO/L,碳酸氢盐碱度/总碱度比值逐渐降低至0.6,TVFA/碱度比值迅速升高至0.31,系统稳定性下降,抵抗酸化的能力较弱。四阶段分析可知,甲烷化阶段对含油率的升高更敏感,在含油率为8%时四阶段不平衡加剧,出现了更高浓度的有机酸积累。(2)挥发性脂肪酸(VFAs)甲烷化特性实验结果显示,随着含油率从0%升高至8%,以乙酸、丙酸为底物的微生物比产甲烷活性(SMA)分别降低22.58%和26.49%,而以丁酸为底物的SMA升高47.58%,表明乙酸、丙酸降解能力变弱,所以此时积累的VFAs主要为乙酸和丙酸。长链脂肪酸(LCFAs)甲烷化特性结果显示,棕榈酸、硬脂酸和油酸的SMA在含油率为8%周期下较含油率为5%周期下出现降低,因此出现了更高浓度的LCFAs积累。嗜氢活性结果表明,随着含油率的升高,氢营养型产甲烷路径的微生物活性明显升高,在含油率为8%周期下达到0.21g CH-COD/g VS/d。此外,计算得到微生物产率系数随含油率的升高从13.61%降低至8.86%,流向微生物生长的COD减少,有利于甲烷的生成。(3)微生物群落分析结果表明,能够降解复杂有机大分子的紫单胞菌科(Porphyromonadaceae)和长杆菌科(Prolixibacteraceae)在不同含油率下的互补分布使得8%周期下仍能保持较好的水解率、酸化率。而在含油率从5%升高至8%时,能够氧化乙酸盐的互养菌科(Synergistaceae)相对丰度从12.74%降至4.09%,这可能是系统中乙酸浓度增加的原因之一;与此同时,乙酸营养型产甲烷菌甲烷丝菌(Methanothrix)丰度从54.83%骤降至3.97%,兼性产甲烷菌甲烷八叠球菌(Methanosarcina)丰度从1.29%升高至42.71%,这可能是由于油脂抑制乙酸营养型路径中利用乙酰辅酶A合酶(EC:6.***.1.1)产生乙酰辅酶A的路径,促进利用乙酸激酶(EC:2.***.2.1)和磷酸转乙酰酶(EC:2.***.1.8)的路径引起的,从而维持了此时的乙酸降解活性。此外,氢营养型产甲烷菌甲烷螺旋菌(Methanospirillum)的相对丰度从0%含油率时的13.50%升高至含油率8%时的51.67%,说明含油率的升高使得系统利用氢气能力增强,因此增强了氢活性。(4)对运行过程中TMP的监测表明,当含油率从0%增加至8%时,膜污染速率增加了10倍,膜阻力升高了24.85%,且泥饼层阻力占比达到84.09%。三维荧光光谱、傅里叶红外光谱以及CLSM结果显示,膜表面主要污染物为蛋白质类和多糖类物质,且污染深入膜孔隙中,而微生物主要存在于膜表面泥饼层中。油脂对膜污染影响的机制为,油脂由于具有黏附作用和对微生物的抑制作用等,引起TS、VS以及SMP、LB-EPS浓度的升高,从而导致污泥粒径变大,使得形成的泥饼层更加致密厚实;并且SMP、LB-EPS以及膜表面泥饼层中的高蛋白质/多糖会进一步提升膜污染风险,从而加剧膜污染。

关键词： 生物反应器   多尺度结构优化   计算流体力学   溶氧性能   混合性能  

摘要： 生物反应器作为动物细胞体外培养过程中的一个关键性设备,为动物细胞的生长代谢提供体外培养环境,在现代生物制药行业中至关重要。目前搅拌式生物反应器最为常见,然而此类生物反应器研发成本高、操作复杂。近来,摇动式生物反应器因结构简单、低流体剪切、不易染菌等优点被业界密切关注,其最大培养体积已达2000 L,是最有希望在将来替代搅拌式生物反应器。然而,目前关于摇动式生物反应器的研究还比较少,尤其反应器结构形式还比较单一,其性能还有较大提升空间。因此,本论文为了进一步提高摇动式生物反应器性能,扩大其培养规模,提出了罐体壁面结构多尺度改进方案,研究了不同结构参数对关键性能指标的影响规律。 生物反应器中的流场环境对于动物细胞的生长代谢至关重要,为了分析摇动式生物反应器流场的特点,本论文建立了摇动式生物反应器内流体运动的CFD(计算流体力学)仿真模型,优化了网格数量与运动加载方式,并通过实验证明了该仿真模型的有效性。此外,为了对比摇动式与搅拌式生物反应器的性能,本论文在同功耗条件下对这两类反应器的溶氧性能、物质混合性能、速度矢量场等关键特性进行了实验与仿真的对比研究,获得了这两种不同类型生物反应器比较的关键数据。 本论文利用仿真与实验相结合的手段对摇动式生物反应器罐体结构从宏观尺度与微观尺度两方面进行优化。从宏观尺度上,本论文设计了不同安装高度的中空圆柱体罐体、不同形状的复合型罐体和不同高度的正弦阵列壁面结构罐体,并对罐体内的速度矢量场、溶氧性能、物质混合性能以及细胞剪切损伤进行了系统分析,获得了性能较优的宏观尺度罐体壁面结构。从微观尺度上,本论文设计了不同微阵列壁面结构,并分析了微阵列壁面结构对溶氧性能、混合性能和细胞剪切损伤的影响,确定了较优的微阵列壁面结构。最后,本论文结合宏观尺度中的复合型罐体壁面结构、内置中空圆柱体结构和微观尺度中的微阵列壁面结构的特点,建立了组合型罐体,并对其性能特性进行了分析。 本论文系统地研究了摇动式生物反应器在动物细胞体外培养上的性能优势,也为今后该类型生物反应器的结构优化设计,提供了引导性思路。

关键词： 生活污水   PBR   藻菌   微生物群落  

摘要： 通过传统活性污泥法处理生活污水作为目前生活污水主要采用方法,存在能耗高、耗费大量药剂等问题。目前,污水处理厂碳排放量占到全球碳排放总量1.3%。而中国的生活污水有机碳含量较低,因此为了达到城镇生活污水排放标准,通常需要更多碳源,不能有效满足“减污降碳”需求。“双碳”目标的实现,要求发展模式要向低能耗、低污染、低排放转型。而微藻作为单细胞生物,能很好的固碳,置于反应器中的微藻与细菌的协同作用形成的藻菌共生系统处理效果更好。在藻菌共生系统中,微藻能够吸收污水中的营养物质而提供氧气,减少曝气带来的能耗的同时去除污染物。藻菌共生系统处理生活污水已经成为研究热门,但已有的研究大多都使用模拟生活污水,对动态变化的实际生活污水研究较少,且大多都是实验室水平或小试研究,在户外条件进行中试规模的研究仍然较少。由此导致当前生活污水藻菌处理技术仍存在实际应用瓶颈问题,影响该处理技术大规模应用推广。 针对上述生活污水藻菌处理技术推广应用问题,在生活污水处理厂构建管式光生物反应器（TPBR）,接种由小球藻通过重离子突变形成的TM-3#藻株和污水处理厂的好氧工段的活性污泥,通过微藻-活性污泥共进化过程中形成藻菌共生体系处理,并处理不同阶段实际生活污水,以曝气式光生物反应器（APBR）为对照实验组,对比分析二者在低温启动阶段和稳定运行阶段的污染物指标（氨氮、总氮、总磷、COD）和生物指标（生物量、光合色素以及群落结构）的变化,并在TPBR中接种TM-3#重离子突变藻株和CPD-CK#藻株进行混合微藻生物强化处理,得到如下结论: （1）在低温低光照条件下,TPBR单藻在白天对营养物质的去除速率优于晚上。对氨氮、总氮、TP和COD的平均去除速率分别可以达到0.64 mg·L-1·h-1、0.94 mg·L-1·h-1、0.07 mg·L-1·h-1和3.84 mg·L-1·h-1,但藻菌在晚上对营养物质的去除优于单藻,对氨氮、总氮和COD的平均去除速率分别可以达到0.12mg·L-1·h-1、0.07 mg·L-1·h-1和5.41 mg·L-1·h-1,对TP也有一定的去除;通过延长HRT可以缓解温度对藻菌体系带来的影响。APBR中HRT为24h时,单藻对氨氮、总氮和TP的平均去除速率几乎相同,但在COD的平均去除速率上,藻菌优于单藻达到了5.93 mg·L-1·h-1,通过延长HRT到48h,藻菌对氨氮、总氮、TP和COD的去除均优于单藻,平均去除速率分别达到0.96 mg·L-1·h-1、1.08 mg·L-1·h-1、0.05mg·L-1·h-1和13.16 mg·L-1·h-1;TPBR比APBR对污染物的去除更稳定,APBR受环境影响出水波动较大,TPBR的出水更加稳定。最佳出水浓度氨氮、总氮、TP和COD可低至0.24 mg·L-1、1.29 mg·L-1、0.02 mg·L-1和39.55 mg·L-1;单藻接种的生物量/积累速率能够优于藻泥接种,单藻接种生物量最高可达1628.19 mg·L-1。而良好的藻菌体系在低温条件下形成复杂,通过延长HRT缓解温度对藻菌体系的影响。 （2）TPBR不同负荷运行条件下,最优运行负荷为150 L·d-1。TPBR对总氮、TP和COD的平均去除速率随进水负荷增大而增大。当进水负荷达到150 L·d-1时,总氮和COD的平均去除速率达到最大,分别为0.77 mg·L-1·h-1和4.86 mg·L-1·h-1。此时,氨氮的平均去除速率为0.75 mg·L-1·h-1,TP也有一定的去除效果。当进水负荷超过150 L·d-1,氨氮的平均去除速率略有增高,增高到0.98 mg·L-1·h-1,但总氮和COD的平均去除速率均下降,下降到0.39 mg·L-1·h-1和3.87 mg·L-1·h-1,TP的去除效果几乎不受影响;TPBR在对COD的去除上是优于APBR,在TPBR最优阶段对COD的平均速率可以达到4.86 mg·L-1·h-1高于APBR的2.65 mg·L-1·h-1。同时TPBR比APBR对COD的去除效果也更加稳定;随着进水负荷增大,TPBR中的Chla/Chlb值在下降,在阶段（I II III）TPBR中Chla/Chlb值分别为3.97、1.46和0.43,这也导致了TPBR系统藻菌系统的崩溃,致使对营养物质去除效果变差;TPBR比APBR更易形成生物膜。TPBR中的生物量维持在100 mg·L-1左右,从第25 d开始总光合色素趋于稳定,稳定在1.1 mg·L-1,而APBR中的生物量在第30 d后开始趋于稳定,稳定在250 mg·L-1,总光合色素在第40 d后趋于稳定,稳定在2.5 mg·L-1左右。 （3）TPBR混合微藻生物强化对氨氮的平均去除速率能够达到0.53 mg·L-1·

关键词： 厌氧膜生物反应器   膜污染   抗生素   溶解性有机物   紫外/臭氧高级氧化  

摘要： 厌氧膜生物反应器(AnaerobicMembraneBioreactor,AnMBR)具有优异的污水处理性能及能源回收潜力已用于多种工业废水及部分市政污水的处理。然而，膜污染依然是限制AnMBR技术发展的主要瓶颈。高级氧化耦合AnMBR能充分发挥各自优点，利用高级氧化实现AnMBR中难降解有机物去除的同时延长膜污染时间，但目前仍缺乏对耦合反应器长期运行效能及溶解性有机物(DissolvedOrganicMatter,DOM)转化机制分析，导致对于高级氧化耦合条件下的膜污染控制及反应器运行效能研究不够深入。因此，本研究以紫外光催化氧化耦合AnMBR和紫外/臭氧催化氧化耦合AnMBR为对象，选取抗生素为目标污染物，研究耦合反应器运行过程效能变化及溶解性有机物DOM分布特征及转化机制，以期实现对抗生素有效去除，同时考察将高级氧化反应器中含有自由基的反应液用作AnMBR的反冲洗用水，以延缓膜污染时间。主要内容及结论如下:　　(1)对比研究了抗生素添加阶段、反冲洗阶段、紫外催化氧化协同反冲洗阶段和紫外/臭氧催化氧化协同反冲洗阶段下反应器的性能。在添加抗生素初期，两组反应器中厌氧污泥系统均表现出抵抗抗生素毒性的潜能，COD去除率及污泥浓度未发生显著变化。但反冲洗操作对反应器运行造成一定的冲击，AnMBR-Ⅰ中COD降解效率从97.4％降至91.4％,AnMBR-Ⅱ从97.7％降至84.0％。随着冲洗频率的加快，AnMBR-Ⅱ的污染物去除效率最低达到了82.5％。在耦合紫外催化氧化后AnMBR-Ⅰ和AnMBR-Ⅱ平均污染物去除效率分别提升至95.3％和95.7％。　　(2)反冲洗操作可适量缓解膜污染，将膜冲洗频次提高至1min/10min后AnMBR-Ⅱ在运行至240h时，膜跨膜压差依然稳定维持在5kPa以下。利用间歇式(开关:30min/30min)运行的高级氧化反应器中含有自由基的反应液反冲洗膜组件，能显著减缓膜污染。紫外催化氧化阶段AnMBR-Ⅰ和AnMBR-Ⅱ中膜组件污染时间为360h和350h,比单独反冲洗阶段Ⅰ中分别提高了55.8％及69.7％。在耦合了臭氧高级氧化工艺的AnMBR-Ⅰ中膜组件污染时间为290h,比同期仅耦合了紫外光催化氧化的AnMBR-Ⅱ的膜污染时间延长11.6％。　　(3)耦合条件下反应器实现了对大环内酯类、磺胺类及喹诺酮类典型抗生素的高效去除，耦合条件下反应器具有更好的有机物去除效率。紫外臭氧高级氧化阶段对三种抗生素的去除效率分别为98.4±1.9％、99.3±1.0％和97.5土2.4％。结果表明，相比单独紫外催化氧化阶段分别提高了50.5％、38.8％、110.5％,比AnMBR单独去除(非耦合条件下)分别提高了67.3％、68.8％和70.9％。　　(4)利用傅里叶离子回旋共振质谱(FourierTransformIonCyclotronResonanceMassSpectrometry,FT-ICRMS)技术，对耦合条件下反应器内DOM变化特征进行了分子层面解析。紫外/臭氧催化氧化阶段产生了大量新DOM,其在VanKrevelen图的高不饱和区域占据主导地位。紫外/臭氧高级氧化强化了不饱和酚类化合物在体系中的优势地位。而含氮化合物在紫外/臭氧催化氧化过程中具有更强的稳定性。含硫化合物在紫外/臭氧催化氧化过程中发生了显著的变化。与多环芳香烃化合物(PolycyclicAromaticHydrocarbons,PAHs)有关的S在UV/O3过程中被去除。前体物、残留物及生成物中各化学组分的变化表明紫外/臭氧催化氧化工艺可以有效降解水中PAHs从而降低出水毒性。　　本研究构建了高级氧化反应液作为反冲洗用水的新型AnMBR-UV/O3耦合反应器并实现了长期运行，该反应器实现了废水中抗生素的高效去除，同时延缓了膜污染;对系统DOM分子转化的研究表明UV/O3对难降解污染物削减作用明显。

关键词： 餐厨垃圾   厌氧发酵   厌氧膜生物反应器   膜污染   生物炭  

摘要： 在“碳达峰碳中和”的能源战略部署以及强化生物沼气建设等国家重大需求的驱动下,厌氧发酵已成为餐厨垃圾资源化利用的主流技术,但传统的完全混合式发酵系统（CSTR）在低水力停留时间（HRT）下,极易造成功能微生物的过量流失,从而影响能源回收效率。虽然,将膜分离技术和厌氧发酵结合的厌氧膜生物反应器（AnMBR）因其优异的微生物截留能力而在废水及废弃物处理领域备受关注,但膜污染问题始终是制约其应用的关键。相较增大曝气强度等缓解膜污染的措施而言,生物炭制备简单、成本低廉,能够通过机械冲刷缓解膜表面污染物附着,此外,其具备的电化学特性能够诱导种间电子直接传递（DIET）从而强化有机物的甲烷转化率。因此,本研究构建了内置浸没式AnMBR系统,研究了在3.75-35.00 g COD/L/d九个OLR下生物炭对AnMBR处理餐厨垃圾效能的影响,结合对微生物群落演变规律和膜污染机制的分析,探明了生物炭增效产甲烷和缓解膜污染的机理,从而提出优化AnMBR运行的方案。（1）AnMBR的甲烷产率均随OLR的升高而降低,对COD、蛋白质和多糖的去除率分别高于99.0%、99.5%、98.0%,两组反应器均可在OLR为32.25g COD/L/d下持续稳定运行,远高于同类型的研究。生物炭的投加能够强化系统的产甲烷效能和稳定性能,提高AnMBR对有机物的去除率,加炭组COD转化为甲烷的比例在72%-87%,对照组在71%-84%,对照组COD随排泥流失的比例更高。其中在OLR为25.00g COD/L/d时,生物炭对产甲烷性能的提升效果最为明显,此时加炭组产甲烷速率比对照组高0.31L/L/d。（2）通过对不同OLR下微生物活性和微生物群落分析可知,以乙酸、丙酸、丁酸为底物的比产甲烷活性（SMA）均随着OLR的升高而升高,最后达到平台期,而以H2/CO2为底物嗜氢活性随OLR的升高持续升高,两组反应器内的优势细菌主要为Chloroflexi门、Firmicutes门、Bacteroidetes门和Proteobacteria门,古菌的优势菌属主要为Methanothrix、Methanobacterium。加炭组四种底物的SMA最大值分别为0.53、0.26、0.44、0.27g COD-CH4/g VS/d,其中加炭组乙酸SMA和嗜氢活性值要高于对照组,且在此过程中加炭组污泥系统内乙酸营养型古菌Methanothrix的相对丰度高于对照组,这表明生物炭的投加能够加快乙酸的利用,提高产甲烷阶段反应速率,降低由产酸与产甲烷阶段反应不平衡所造成VFAs积累的风险。（3）将HRT/SRT调节在1/4以上,污泥浓度从22.50g/L升高至39.38g/L,此过程中AnMBR的膜通量从0.80LMH降低至0.48LMH。膜组件的污染分为两个阶段,分别是跨膜压差（TMP）稳定增长期和快速上升期,生物炭能够降低TMP稳定增长期的膜污染速率。生物炭的投加会通过抑制EPS的分泌和增大污泥颗粒粒径等方式,以削减污泥混合液对膜造成污染的潜力。同时,生物炭的物理冲刷会延缓膜表面泥饼层的形成,降低泥饼层阻力值Rcake、gel,从而延缓膜污染。（4）AnMBR在低HRT下运行时需要控制SRT,SRT过高会造成污泥浓度过高,加剧膜污染,而SRT过低会导致有机物和关键微生物流失,使甲烷转化率降低,因此通过优化运行参数SRT对于AnMBR处理餐厨垃圾有重要意义。向AnMBR中投加生物炭能够延缓膜污染,同时也会在一定程度上提高系统产甲烷效率,是一种优化AnMBR运行性能的可行方法。