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关键词： 病毒   膜生物反应器   城市污水   机理  

摘要： 污水是人类肠道病毒的主要收纳者,也是病毒传播的重要媒介。未经处理或未彻底处理的污水病毒进入自然水环境可能造成流行性疾病的爆发,对人类健康产生严重危害。MBR分为好氧膜生物反应器(AeMBR)和厌氧膜生物反应器(AnMBR)两种运行工艺。显然,AeMBR与AnMBR在污泥混合液特性、微生物群落和代谢产物以及膜污染组分占比等方面有明显差异,这些差异可能导致AeMBR和AnMBR对病毒的去除效率和去除机制不同。本研究在同一工况运行条件下,以噬菌体MS2为模式病毒,考察了AeMBR和AnMBR对污水中病毒的去除效能,探究了病毒在污泥混合液中的衰减、污泥对病毒的吸附以及膜对病毒的截留等方面的差异。并进一步分析污泥混合液中微生物代谢产物胞外聚合物(EPS)和溶解性微生物代谢产物(SMP)对病毒的吸附机制。主要的成果和结论如下:(1)AeMBR和AnMBR对污水中的病毒均能达到较好的去除效果,病毒去除率可以达到3 log。但两者去除率的变化规律不同,AeMBR对病毒的去除率快速达到2 log,而AnMBR则需60 d。这是由于病毒更易吸附在AeMBR的膜表面,而AnMBR的膜对病毒的截留能力随着膜污染的形成而逐渐提升。化学反冲洗后两种反应器对病毒的去除率均下降0.8 log,下降的去除率随着膜污染再次累积而快速恢复,AeMBR恢复时间更短。(2)好氧和厌氧污泥混合液的固相病毒浓度比液相高1 log,两种污泥的固相吸附了混合液中90%的病毒。单位质量的好氧和厌氧污泥吸附病毒浓度分别为8.59和10.11log PFU/g SS,厌氧污泥对病毒吸附能力更强。这可能是由于厌氧污泥与病毒之间的静电斥力要小于好氧污泥与病毒之间的静电斥力。厌氧污泥相较于好氧污泥对病毒具有更短的吸附平衡时间以及更多的平衡吸附量,活性污泥的SMP对病毒吸附起到主要作用。(3)病毒在好氧和厌氧污泥混合液的液相中衰减速率高于固相,污泥固相保护了吸附的病毒免于衰减。好氧污泥混合液中病毒的衰减速率要高于厌氧污泥混合液。微生物代谢产物是病毒在混合液中衰减的关键因素,且好氧污泥的代谢产物对病毒衰减作用更强。(4)AeMBR的TMP与病毒去除率无明显相关性,而AnMBR的TMP与病毒去除率具有明显相关性。膜污染是AnMBR去除病毒的主要因素,但不能作为AeMBR去除病毒的评价指标。膜污染各组分中泥饼层对病毒的截留是两种膜生物反应器去除病毒的主要贡献者。AeMBR的膜污染各组分中不可逆污染和原始膜的单位膜阻力对病毒截留效率最大,AnMBR的膜污染的孔道有机污堵物的单位膜阻力对病毒截留效率最大。

关键词： 有机磷农药   厌氧-缺氧-好氧/膜生物反应器   去除率   污泥吸附   生物降解  

摘要： 对22种有机磷农药(OPPs)在污水处理厂厌氧/缺氧/好氧与MBR的组合工艺(A2/OMBR)中的去除特征进行了长期研究。分析结果显示22种有机磷农药经工艺处理后出水中平均浓度由0.98ng/L (乐果)到20.56ng/L (甲基内吸磷)不等。去除率除对硫磷79.6%和甲基内吸磷79.0%外，其余均达到84.5%以上。进一步分析其不同处理阶段的泥水分配系数(Kd)，厌氧和MBR单元均大于3500L/kg-MLSS，缺氧和好氧单元均大于2500L/kg-MLSS，表明污泥对部分有机磷农药具有较好的吸附性能，这些有机磷农药的去除主要是通过污泥吸附和生物降解两种方式共同完成。

关键词： 厌氧膜生物反应器   市政污水   甲烷   膜污染   能耗   碳排放  

摘要： 在“碳达峰、碳中和”及污水资源化战略驱动下,传统以能耗换水质的污水处理模式正向深度减污、高效产能、减排降碳协同的新模式转变。厌氧膜生物反应器(Anaerobic membrane bioreactor,An MBR)可实现水力停留时间(Hydraulic retention time,HRT)和污泥龄的完全分离,保留了反应器内充足的生物固体,使得市政污水高效稳定能源回收成为可能。An MBR技术具有高效的化学需氧量(Chemical oxygen demand,COD)去除效率和产甲烷性能,拥有广阔的发展前景,是污水厌氧生物处理的理想技术。目前An MBR在工业废水等其它领域已经实现了工程应用,但处理市政污水仍以实验室小试研究为主,由于市政污水具有水量大以及低温的特点,An MBR应用于市政污水处理时的产甲烷效能与膜污染问题仍须在工程规模水平上进一步评估。基于此,本研究构建了浸没式中试厌氧膜生物反应器处理市政污水系统,研究了系统的污染物去除和产甲烷性能、膜过滤特性与影响因素及在处理过程中的能耗和碳排放情况,主要结论如下:(1)研究了An MBR处理市政污水的工艺性能,分析了污染物去除、产甲烷性能及COD流动。An MBR可稳定高效去除COD,COD去除率为83.3±3.1%,其中膜对SMP具有显著的截留作用,膜截留率可达80%以上。甲烷产率在0.25-0.31L/g CODr之间,进水中52-63%的COD占比转化为CH,其中超过80%的CH以生物气的形式存在,产甲烷为COD的主要去除路径。低温抑制了产甲烷活性,乙酸营养和氢营养型活性型活性值分别降低了80%和93%,随着HRT缩短及温度上升,污泥电子传递系统活性增强,产甲烷性能提升。(2)研究了膜污染速率、污泥混合液特性和不同运行参数,揭示了膜过滤性能的核心影响因素。膜污染速率为0.02-2.3 k Pa/d,随着HRT缩短呈增大趋势,其大小与运行温度和污泥浓度有关。当运行温度升高,污泥活性增加,污泥过滤比阻从3.12±0.189×10降低到0.92±0.003×10 m/Kg MLVSS,膜过滤性能改善。不同单位面积需气量(Specific gas aeration,SGA)下膜过滤性能显示,SGA与TMP显著正相关,在膜通量为14.4 LMH(HRT=10 h)时,SGA为0.7 m/m/h时可实现低膜污染运行。随着运行温度降低膜过滤性能下降,需要通过调节SGA和排泥(维持MLSS约为9 g/L)改善过滤性能。(3)基于能耗计算和LCA碳排放分析研究了An MBR处理市政污水过程的能耗、最佳运行工况及对环境的影响。总能耗为0.350-0.611 k Wh/m,其中生物气循环为主要的能耗支出(47.3-70.5%)。在HRT=10 h时总能耗最小,较传统活性污泥工艺降低了42%,该工况的净产能也最大,通过热电联产分析,甲烷发电量为0.498 k Wh/m,净产能为0.148 k Wh/m。当回收溶解性甲烷时,电力消耗为总碳排放量主要来源;不回收溶解性甲烷时出水中的直接碳排放相较于回收溶解性甲烷出现了大幅度的增加,出水为主要来源。碳排放随HRT缩短呈下降趋势,HRT=10h时的碳排放量最小,为0.172kg CO-eq/m(回收溶解性甲烷时)。结合有机物去除和膜过滤性能,HRT=10 h为可选择的最佳运行工况。

关键词： 高氨氮废水   微藻生物膜颗粒   污染物脱除   光生物反应器  

摘要： 随着城市化、工业化的不断推进,废水排放量逐年攀升,造成了严重的环境污染问题。而废水的传统处理方式存在能耗高、污染物去除率低或影响生态稳定等问题,探索高效净化废水新工艺势在必行。微藻生长速率快,光合固碳效率高,含有多种高值成分,广泛应用于生态环境的修复以及生物质能源资源化利用领域。微藻处理废水是实现废水处理及资源收回的重要手段,对乡村振兴及碳中和减排具有重要意义。但是废水中的高氨氮和高浊度限制了微藻的光合生长,且藻水分离能耗高,使微藻对废水环境适应性差,污染物脱除率低,是微藻净化废水大规模应用的主要瓶颈问题。为此,本文从养猪场废水邻近水域含藻水样出发,采用高氨氮废水梯度驯化的方法获取耐高氨氮环境的高效藻种;依照“以废治废”的理念,以农业废弃的秸秆作为基底,吸附悬浮的微藻,形成微藻生物膜颗粒,探究了秸秆孔结构、大小、材料等对微藻细胞吸附能力及分布的影响规律;微藻生物膜颗粒流化悬浮提高气液传质能力和改善光传输,解决废水高浊度对微藻光合净化废水能力的限制问题。基于此,构建连续流悬浮微藻生物膜颗粒光生物反应器高氨氮废水净化一体化系统,实现微藻生物膜颗粒和净化废水的原位分离,解决生物法废水处理中的藻水分离难题。主要研究结论如下:（1）本文从养殖场废水邻近水域采集自然藻种,通过逐级提升废水浓度梯度驯化的方式提高微藻对高氨氮环境的耐受性,使其适应复杂的废水环境并发生适应性进化,最终以梯度稀释分离-固体平板涂布法分离出一株适应高氨氮废水环境的高效脱污新藻种Dictyosphaerium ***-1。在梯度驯化过程中,微藻受到高氨氮废水环境的胁迫,调整自身生理结构,细胞直径逐渐变大,对环境会适应性及脱污能力增强并遗传给后代。经驯化后微藻细胞平均直径达到12.35μm,比驯化前增大了105.8%。对氨氮的去除速率为40.71 mg L-1 d-1,提升了59.21%,对总磷去除速率为8.9 mg L-1 d-1,提升了3.09%。在户外现场实验中,对氮和磷的最高去除率分别达到99.3%和86.03%,说明藻种高氨氮耐受性好,环境适应性强,性能优良。（2）本文以农林废弃生物质玉米芯、玉米秸秆、花生壳、桃核等作为微藻的吸附载体,研究载体表面及内部理化性质,如材料的亲疏水性、比表面积、孔隙分布、Zeta电位等对微藻吸附的影响,最后通过实验探索出悬浮微藻生物膜颗粒处理废水中,生物质在材料、填充率、尺寸上存在最佳工况:填充率为30%的1.57 cm3的玉米秸秆。秸秆呈亲水性,表面褶皱规律而复杂,孔隙非常规律呈六边形蜂窝状密集分布,且广泛分布在5～100μm范围,适合微藻吸附的孔径占比高达80.99%,Zeta电位为-8.1 m V,更有利于微藻的吸附。30%的生物质载体填充率在吸附微藻和脱除污染物方面性能最佳,对微藻的吸附率最高,为0.014 g g-1（单位质量的生物质吸附的微藻质量）,且氨氮去除率为95.86%,比不加载体高7.41%,总磷去除率达到100%,比不添加载体高45.22%,因为生物质在废水中释放有机小分子,促进微藻吸收氮磷,但过多的载体会影响反应器内的光传输,造成氮磷的去除率下降;1.57 cm3的生物质载体体积在吸附微藻和脱除污染物方面性能最佳,微藻平均生长率最高,为0.25 g L-1 d-1,对微藻的吸附率最高,为0.027 g g-1,且氮和磷的去除率都达到100%,载体的尺寸越小,与废水、微藻的接触更充分,释放更多小分子有机碳,利于微藻生长,且对微藻吸附的面积更大,但尺寸太小、数量较多会造成反应器内光遮蔽更严重,从而影响微藻生长及污染物脱除。（3）构建了悬浮微藻生物膜颗粒光生物反应器,研究了反应器的运行方式和水力停留时间对废水处理的效果。连续流条件下,当废水进水流量为0.13 m L min-1,生物质载体对微藻的吸附率为0.092 g g-1。对氨氮平均去除速率为45.96 mg L-1 d-1,平均去除率为81.26%;总磷的平均去除速率为3.6 mg L-1 d-1,平均去除率93.43%。出水的氮磷浓度明显低于国家现行的排放标准（GB18596-2001）,实验后期,每天出水中的氨氮浓度维持在42.8～64.2 mg L-1范围(平均值59.4 mg L-1,排放标准80 mg L-1),总磷浓度维持在0.4～2.5 mg L-1范围(平均值1.65 mg L-1,排放标准8 mg L-1),在为期10天的运行期间水质稳定,系统对废水的处理速率为23.84 L m-2 d-1(187.2 L m-3 d-1)。系统污染物脱除效率高、运行稳定,实现了废水高效处理和废弃生物质资源的利用。

关键词： 厌氧膜生物反应器   城市污水   外加电压   阳极生物膜   膜污染控制  

摘要： 厌氧膜生物反应器是一项耦合了厌氧生物处理和膜分离的技术,由于该项技术具有能源消耗低和甲烷回收率高等特点备受关注,遂研究人员将其应用于处理城市污水中,但膜污染严重和甲烷产量低等问题极大地限制厌氧膜生物反应器的发展。当前学者们对于施加外加电压来提升厌氧生物膜反应器的运行性能和缓解膜污染速度方面的关注与日俱增。为提高膜自身的电化学性能,本研究采用导电聚合物单体吡咯和BVIMBF的改性方法对PVDF膜进行改性,以未改性的PVDF膜为对照组,对两组反应器施加0 V、-1.2 V、-1.0 V和+1.0 V的外加电压,通过对反应器出水COD、甲烷产率、多糖和蛋白质等指标的检测并通过产甲烷活性实验和膜过滤等实验等,探究不同大小和电性的外加电压对反应器的甲烷产率和污染物去除率的影响规律;揭示电压对酶活性、微生物活性、微生物群落的影响;阐明电压作用下对膜污染缓解原因。主要成果如下:(1)在恒通量连续运行模式下,在膜表面施加-1.2 V、-1.0 V和+1.0 V电偏压,实验组甲烷产率相对于对照组分别提升了0.062 LCH/g COD、0.064LCH/g COD和0.073 LCH/g COD;对照组的甲烷平均含量较未加电阶段分别提升了25.5%、28.5%、34.3%;实验组的COD去除率分别为92.39%、93.0%和93.62%;反应系统内的VFAs值和p H值处于正常范围,维持反应器的稳定运行。(2)通过不同电压的施加监测反应器的跨膜压差、膜阻力分布、代谢产物变化、Zeta点位和污泥粒径,分析外加电压对膜污染的缓解作用。通过实验可知外加电压显著缓解膜污染,施加电压后,跨膜压差平均增长率分别降低了27.8%、22.3%和29.0%;通过膜阻力过滤试验计算出膜阻力分布情况可表明电化学引入可减缓泥饼层的形成并降低膜总阻力值,对膜表面进行表征后可知施加电压降低膜的粗糙度。当负电施加时对泥饼层形成的抑制效果更佳,施加-1.0V时泥饼层占比降低至53.7%;污泥中的溶解性微生物产物(SMP)和胞外聚合物(EPS)浓度在电活性微生物的分解下降低,SMP和EPS中的蛋白质相对于未施加电压条件下显著降低,蛋白质浓度分别降低了由10.4 mg/L和36.67 mg/L;Zeta电位值和污泥粒径表明膜组件作为阳极时,存在阳极生物膜的形成过程,提高了颗粒污泥的絮凝效果。膜污染的控制机理主要是由于电化学的引入,使膜组件受到电化学排斥作用和电化学氧化作用使污染物远离膜组件或被大量消耗,从而降低膜污染速率。(3)通过16SrRNA高通量测序分析和活性实验,结果显示耗氢甲烷杆菌Methanobacterium的丰度比例由不足10%的状态上升至10.8%(施加正压)和16.6%(施加负压),耗乙酸甲烷丝状菌Methanothrix在总测序基因中的相对丰度为53.75%,施加正压和负压后污泥样品的相对丰度分别为64.65%和58.94%。两种产甲烷机制协同促进反应系统进行有机物降解和甲烷气体的生成。微生物活性实验表明随着电压的施加,反应系统的比产甲烷活性明显增加。嗜乙酸SMA由未施加电压时的0.31 g COD-CH/g VS/d增长至施加+1.0V时的0.45 g COD-CH/g VS/d;嗜氢型SMA由0.142 g COD-CH/g VS/d增长至施加-1.0V时的0.20 g COD-CH/g VS/d。综上所述,外加电压能够实现厌氧膜生物反应器对污染物的高效处理,并通过电化学作用对膜污染进行控制,比如施加负压时通过电化学排斥作用,抑制了污染物附着于膜组件实现膜污染的缓解;或施加正压时通过电化学吸附作用和氧化作用形成网状生物滤膜来抑制膜污染。施加电压后的厌氧膜生物反应器受到电化学促进作用提高了微生物活性和甲烷产率,并优化了对城市污水的产甲烷效果,对An MBR技术应用推广存在支撑作用。

关键词： 正渗透膜生物反应器   膜污染层   形成机制   汲取液   溶质反向扩散  

摘要： 正渗透作为一种无需外加压力就能实现的高效回收纯水的绿色膜分离技术,已经广泛运用于工业生产和日常生活的各个领域。正渗透技术利用选择性半透膜两侧溶液的渗透压差作为驱动力，使纯水从浓度较低的原料液（Feed solution,FS）一侧自发扩散浓度较高的汲取液（Draw solution,DS）。然而，该技术也面临着诸多挑战。其中两个重要的限制因素为（1）汲取液溶质反向扩散现象造成原料液中的盐度增加和汲取液中的溶质流失，从而导致水通量下降;（2）膜污染的形成会进一步降低有效渗透压，造成水回收性能下降。膜污染和溶质反向扩散作为正渗透技术中两个重要挑战，同时也紧密相关。本文将对正渗透技术中溶质反向扩散、膜污染形成和两者之间的动态平衡关系进行分析研究。　　因此，本文构建正渗透膜分离装置，利用海藻酸钠（模拟多糖溶液）和腐殖酸作为原料液，选取五种汲取液代表性汲取液（NaCl、CaCl2、NH4Cl、NaHCO3、NaH2PO4），探究不同种类的汲取在正渗透膜分离装置中对膜有机污染的影响机制;此外，构建正渗透膜生物反应器（Osmosis membrane bioreactor,OMBR）,选取四种无机汲取液（NaCl、CaCl2、NH4Cl、NaHCO3）和两种有机汲取液（乙酸钠和葡萄糖），探究不同浓度和种类的汲取液在正渗透膜反应器中对膜污染的影响机制。主要研究结论如下:　　（1）通过构建正渗透膜分离装置，利用海藻酸钠（模拟多糖溶液）和腐殖酸作为原料液，选取五种代表性汲取液（NaCl、CaCl2、NH4Cl、NaHCO3、NaH2PO4）,探究不同种类的汲取液在正渗透膜分离装置中对膜有机污染的影响机。汲取液种类对正渗透膜分离装置中不同有机污染物质的过滤行为影响较大，其中，海藻酸钠的过滤行为受汲取液种类影响较大，CaCl2和NH4Cl作为汲取液过滤海藻酸钠时，通量下降百分比分别达到了 62.0％和63.0％。CaCl2汲取液溶质反向扩散并于原料液中长链海藻酸钠络合，膜污染形成机制由膜孔堵塞模型逐渐发展成为滤饼过滤模型，从而加剧膜污染。NH4Cl汲取液反向扩散严重，造成正渗透系统中的渗透压差损失严重，反向扩散的汲取液溶质造成原料液中颗粒物发生团聚，表现出原料液中粒径变大，通过膜孔堵塞的方式直接参与膜污染层的形成。　　（2）通过构建OMBR,选取四种无机汲取液（NaCl、CaCl2、NH4Cl、NaHCO3）,探究无机汲取液对OMBR中膜污染形成的影响，通过膜污染实验和基线实验对比发现无机汲取液种类在对渗透膜生物反应器中膜污染形成的影响复杂。主要通过影响原料液特性和微生物代谢特性从而影响膜污染的化学特性，最终影响系统中的膜污染形成。当NaCl作为汲取液时，微生物中拟杆菌门(Bacteroidota)的相对丰度由25.8％增加至41.9％,同时原料液中提取的胞外聚合物(Extracellular polymer substances,EPS)中观察到更高含量的蛋白质，从而使得NaCl作为汲取液时膜表面表现出较为严重的膜污染;NH4Cl为汲取液时，NH4+的反渗可以直接被微生物固定于膜表面，也可以被原料液中相对丰度为12.6％的噬氢菌属(Hydrogenophaga)利用，并释放蛋白含量较高的可溶性微生物产物(Soluble microbial products,SMP)。　　(3)通过构建OMBR,选取两种有机汲取液(乙酸钠和葡萄糖)，探究有机汲取液对 OMBR中膜污染形成的影响，有机汲取液的种类在正渗透膜生物反应器中同样通过影响微生物代谢特性从而影响膜污染的形成。乙酸钠作为汲取液时，微生物种群中浮霉菌门(Planctomycetota)相对丰度由0.5％增加至5.9％,致使微生物通过附着在膜表面的形式加重膜污染的形成。而葡萄糖作为汲取液时，原料液微生物群落中观察到于初始群落相比更高丰度的硝化螺旋菌属(Nitrospira),同时在微生物代谢产物SMP和EPS的主要有机组分都是色氨酸类蛋白。

关键词： 酸性矿山废水   硫酸盐还原菌(SRB)   生物反应器   碳源   农林废弃物  

摘要： 随着矿产资源需求的增长,酸性矿山废水处理成为了一个日益严峻的问题。硫酸盐还原菌(SRB)是目前最受关注的酸性矿山废水(acid mine drainage,AMD)处理方法之一。本研究在设计SRB生物反应器的基础上,分别使用农林固体废弃物、农林废物发酵液为SRB碳源,探讨修复酸性矿山废水的效果及作用机制。通过以酒糟、树叶堆肥等固体废弃物为生物反应器基质填料,研究不同农林废弃物为基质/碳源对SRB生物反应器处理AMD的效果影响;使用农林废弃物(牛粪、秸秆)发酵液为碳源,以不同材料(石英砂、钢渣、生物炭以及花生壳)做填料,探讨以农林废物发酵液为碳源时不同填料对SRB生物反应器处理AMD效果影响及作用机制。本研究得出以下结论:在使用酒糟做生物反应器填料时,酒糟含有较高的溶解性有机碳(DOC)可以实现硫酸根的快速去除,有利于生物反应器快速启动,反应器前期(14天)硫酸根去除率高达67%。相对于酒糟,树叶堆肥有着较低的DOC,在生物反应器的前期有着较低的硫酸根去除率,仅48%。但从整个实验期来看,两组生物反应器均可以作为有效的SRB碳源以修复酸性矿山废水。在使用酒糟和树叶堆肥作为生物反应器碳源时,可以实现Fe、Cd、Cr、Al和Zn的有效去除,去除率均大于95%。由于Mn S的高溶解度,SRB生物反应器对于Mn的去除效果较差,分别为46%和40%。通过硫衡算发现,进入生物反应器的硫酸根主要被转化为硫化物与金属离子结合,形成酸溶性硫化物以及单质硫沉积在生物反应器中。其次则是以硫化物的形态随出水流出。生物反应器中的微生物呈现出明显的分层特征,不同生物反应器中的微生物群落在相同位置有着相似的微生物群落组成。在生物反应器的进水口,优势菌群为铁还原菌、酸硫杆菌等耐酸耐盐菌,而在生物反应器的中层则是厌氧发酵菌、SRB与硫氧化菌占据主导地位,在生物反应器的出水口处,占据主导地位的微生物主要为SRB与硫氧化菌。在以发酵液做碳源、使用石英砂、钢渣、生物炭、花生壳四种不同材料为生物反应器的填料时,四组生物反应器对于AMD都有着较好的处理效果。总体来说,钢渣组处理效果最佳,生物炭组和石英砂组次之,最差的则是花生壳组。在四种不同材料做基质的生物反应器中,钢渣组由于较高的SRB活性,在将硫酸根转化为硫化物的同时,钢渣中释放的钙离子与硫酸根结合生成硫酸钙沉淀共同促进了硫酸根的高效去除,去除率为61%,在四种基质中硫酸根去除效果最佳;产生的硫化物与钢渣释放的铁结合生成硫化物沉淀,使得形成的酸溶性硫化物量最高。生物炭组可以去除49%的硫酸根,同时产生了四种生物反应器中最多的硫化物。而花生壳组在有着最充足的碳源供给的情况下却有着最低的硫酸根去除率,主要是由于花生壳中的纤维素发酵生成高浓度的乙酸进而抑制了SRB的活性。以发酵液为碳源的四组处理系统可以实现Fe、Cd、Cr、Al和Zn的有效去除,去除率均在92%以上,而Mn的去除率较低。研究结果表明不同的填充基质影响了硫的迁移转化和酸性矿山废水的修复效果。在生物反应器中有着丰富的微生物群落,其中硫酸盐还原菌主要分布在生物反应器的进水口与中部,出水口附近也有硫酸盐还原菌存在。而硫氧化菌主要存在于生物反应器的中部和出水口处,同时在生物反应器内也有一定量的厌氧发酵菌存在。在PS组中发现了较其余三组更多的厌氧发酵菌,这导致了PS组更高的乙酸产生量,抑制了PS组中SRB的活性。

关键词： 厌氧膜生物反应器   生物炭   厌氧消化   养猪废水  

摘要： 我国是世界上最大的猪肉消费国,庞大的养殖规模同时产生了大量的养猪废水(Swine Wastewater,SW)。SW由于较高的有机负荷(Organic loading rate,OLR)以及有毒物质(如重金属、抗生素等)残留被认为是威胁环境的因素之一,因此通过可持续发展技术处理SW对养猪业绿色发展具有重要意义。厌氧消化(Anaerobic Digestion,AD)因为能够处理高浓度有机废水同时回收生物能而被广泛应用于SW处理,然而传统AD需要庞大的占地面积且处理效率较低,因此厌氧膜生物反应器(Anaerobic Membrane Bioreactor,An MBR)作为一种高效的AD技术用于替代传统AD。生物炭投加到AD中在促进能源回收、在有毒物质胁迫下更好的微生物活性已经被广泛研究证实,能够通过激发直接种间电子传递(Direct interspecies electron transfer,DIET)提高产甲烷产率,且投加到An MBR中对膜污染缓解具有一定作用。因此本研究建立了一个高效的能源回收系统(BC-An MBR)。通过与传统An MBR比较,探究了不同OLR下系统稳定性、甲烷产量、出水水质和膜污染等方面效能。通过分析高OLR下的微生物群落和潜在的产甲烷途径,以揭示生物炭调节An MBR性能的潜在机制。主要研究内容和结论如下:(1)An MBR在启动阶段时产甲烷阶段为最主要的障碍,An MBR在有机负荷为5.3 g CODL/d的启动条件下几乎无甲烷生成且出水COD逐渐升高,降低OLR为一半后逐渐恢复产气。生物炭投加可以使启动时间缩短44%,分析表明,生物炭可以促进挥发性脂肪酸(Volatile fatty acids,VFA)互营氧化等方式以加速An MBR启动。在稳定运行阶段,在所有OLR下生物炭都提高了CH产率,并且本研究稳定运行过程中几乎没有VFA的积累。研究发现An MBR处理SW的OLR极限为21.1 g COD/L/d,生物炭投加后可以使An MBR在OLR为21.1 g COD/L/d情况下的COD去除率从90%提高至95%,促进不同OLR下An MBR 6.0%-12.3%的产酸率、7.1%-10.5%的产乙酸率和5.9-9.6%产甲烷率。并且生物炭因自身的结构可以为微生物提供掩蔽场所,从而提升An MBR在不利环境下的稳定性,通过氧化还原官能团作为电子传递导体以激发潜在DIET作用,从而促进了不同OLR下的CH产率。(2)探究了不同水力停留时间(Hydraulic retention time,HRT)下膜污染情况,结果表明,An MBR在较高TS以及高通量的条件下难以维持稳定的跨膜压差(Trans-membrane pressure,TMP)增长率。本研究在HRT=3 d时,通过降低污泥停留时间(Sludge retention time,SRT)降低TS的方式在一定程度上缓解了膜污染。本研究中污泥增殖率在降低SRT后,从1.5 g COD/g VS升高到2.5 g COD/g VS,而生物炭投加并没有提高An MBR中的污泥增殖率。过滤实验结果表明,滤饼层(cake layer)阻力为主要的过滤阻力占比98%,生物炭投加一定程度上降低了cake层中EPS的含量,污泥平均粒径从CT的259.8μm降低至128.1μm。而本研究中由于生物炭粒径较小且机械强度较低,对膜污染产生一定的消极作用。(3)CT中Candidatus＿Cloacamonas的相对丰度随着OLR升高至21.1 g COD/L/d从21.7%降低至4.4%,这可能是CT在高OLR下COD去除效率降低的原因。生物炭投加使产酸菌属Petrimonas(Bacteroidetes)和VFA互营氧化菌Syntrophomonas(Firmicutes)的相对丰度增加0.6-2.4倍。从古菌角度来看,CT中优势菌Methanosaeta的相对丰度为53.9%-68.6%,表明在CT中乙酸裂解型产甲烷为主要的产甲烷路径,生物炭投加使得Methanobrevibacter的相对丰度在OLR为21.1 g COD/L/d时大大的升高到70.9%。生物炭投加后使An MBR中产甲烷路径从乙酸裂解型转变为氢营养性产甲烷,与电子转移载体和核黄素代谢相关的功能基因分别显著上调6.3倍和1.4倍,以此通过DIET作用实现了An MBR在高OLR下效能的增促。

关键词： 响应面法   厌氧自生动态膜生物反应器   膜形成   交互作用   参数优化  

摘要： 厌氧自生动态膜生物反应器(AnSFDMBR)将厌氧生物处理技术与动态膜技术相结合,利用过滤初期在粗孔过滤材料(如尼龙网、无纺布)上原位沉积粘附形成的自生动态膜取得与微滤/超滤膜近似的固液分离效果,同时拥有厌氧生物处理技术和动态膜技术的优点,近年来受到越来越广泛的关注。厌氧自生动态膜(AnSFDM)是AnSFDMBR的核心部件,在运行初期AnSFDM的成膜时间及成膜性质(即:成膜阻力、稳定阻力和污染倾向)对整个反应器的运行效果起着至关重要的作用。操作参数(如:污泥浓度、搅拌速度和通量)是影响AnSFDM形成的重要因素,目前的优化研究采用传统的单因素实验,一次一个因素,低效且最佳条件只能在设置的实验点中选择,亦无法评估操作参数间的交互作用。响应面法(RSM)是一种针对多变量优化的有效方法,能在给定的因素范围内拟合得到因素变量和响应值之间的回归方程,大幅度减少实验次数,通过形成一个连续的曲面准确高效寻找到实验的最佳参数,并能研究多种因素间的交互作用。RSM目前已在化学工业、食品学和生物学等众多领域得到广泛应用,但是其在膜科学领域应用的相对较少,且没有应用于动态膜生物反应器的研究。因此本文通过响应面法的Box-Behnken(BBD)设计法研究了污泥浓度、搅拌速度和通量对AnSFDM形成的影响。拟合出了编码自变量和响应指标(成膜时间、成膜阻力、稳定阻力和污染倾向)的响应面二次模型,方差分析表明模型合理可靠,主要结论如下:(1)根据响应面实验结果对污泥浓度、搅拌速度和通量三个操作参数的响应曲面图、等高线图和交互作用图进行比对分析,分别考察不同操作参数及操作参数间交互作用对AnSFDM的成膜时间、成膜阻力、稳定阻力和污染倾向的影响。结果表明,在参数水平范围内,三个操作参数对成膜时间、成膜阻力、稳定阻力和污染倾向影响显著。对成膜时间的影响程度顺序为通量>污泥浓度>搅拌速度;对成膜阻力、稳定阻力和污染倾向的影响程度顺序为污泥浓度>搅拌速度>通量。值得注意的是:污泥浓度、搅拌速度和通量三个操作参数之间存在交互作用。其中污泥浓度和搅拌速度之间的交互作用对污染倾向有显著影响;污泥浓度和通量之间的交互作用对成膜时间有显著影响;搅拌速度和通量之间的交互作用对成膜时间和成膜阻力有显著影响。(2)不同的操作条件在成膜阶段和初始污染阶段通过影响污泥混合液和AnSFDM的组成成分、污泥性质等对AnSFDM的形成和初始快速污染产生重要影响。污泥浓度越高使反应器中可以用来形成AnSFDM的物质增多,缩短成膜时间,但是也会造成污泥大量沉积和污泥混合液中的疏水性小颗粒比例上升,使AnSFDM过滤阻力和污染倾向越大。剪切力的存在使搅拌速度越高成膜时间越长,而过高或过低的搅拌速度都会造成成膜阻力、稳定阻力和污染倾向的增加。通量越高成膜时间越短,这与越高的拖拽力使单位时间内沉积到膜组件上的污泥量越多有关。此外,通量越高导致污泥混合液中的疏水性小颗粒和EPS在初始污染阶段被截留造成更大的稳定阻力和污染倾向。(3)对AnSFDM的形成操作参数进行优化和检验。综合考虑成膜时间、成膜阻力、稳定阻力和污染倾向四个响应值得到最优成膜条件:污泥浓度为3600 mg/L,搅拌速度为240rpm,通量为150LMH。在此条件下成膜时间为87.58min,成膜阻力为1.72 × 109 m-1,稳定阻力为9.21 × 109 m-1,污染倾向为1.41 × 108 m-1min-1。在此成膜条件下对模型的预测值进行实验检验,成膜时间、成膜阻力、稳定阻力和污染倾向的模型预测值与实验平均值之间的相对误差分别为2.95%、8.14%、6.73%和 6.38%。