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关键词： 辽河油田   稠油污水   环烷酸   微生物菌种   生物反应器  

摘要： 稠油开采过程中会产生大量稠油污水,由于回用与回注总量限制,大部分稠油污水需外排。近年来,随着污水排放标准的进一步提高,稠油污水外排处理问题日益严峻。稠油污水由于存在大量难降解或有毒污染物,如环烷酸,使其可生化性差,使用传统生化处理过程难以有效去除其中的部分有机污染物,导致稠油污水外排处理所需的时间与成本大幅增加。本研究使用环烷酸为唯一碳源,从辽河油田稠油污水中筛选特定微生物,并对其进行生理生化鉴定及分子生物学鉴定。对筛选得到的微生物进行生长特性研究、耐受性研究及发酵条件研究。最后在生物反应器中模拟稠油污水生物接触氧化过程,将筛选得到的微生物接种至生物反应器中,通过对出水COD测定,对菌种的有效性进行验证,并对反应器中微生物群落结构变化进行分析。经过筛选与分离,获得2株环烷酸降解菌H1、H2,经鉴定,菌株H1为鞘氨醇杆菌(Sphingobacterium sp.),H2为假单胞菌(Pseudomonas sp.)。菌株H1对碱性环境有一定耐受性,对30 g·L盐浓度具有耐受性,对银、汞耐受性较差,环烷酸对其生长产生抑制的浓度为1600 mg·L;菌株H2对酸碱环境耐受性均较差,对50 g·L盐浓度具有耐受性,对高浓度汞耐受性较差,对环烷酸耐受性较强。菌株H1、H2培养最佳碳源为葡萄糖,最佳无机氮源为硝酸铵,最佳有机氮源为蛋白胨,最适培养温度为28℃,最适p H为7。在反应器稳定运行期间,本研究所获得的微生物添加至反应器后,反应器对污水COD去除率为70%,对照组仅为20%;COD去除率与反应器内微生物数量呈正相关;实验组反应器内微生物物种数及多样性随运行时间的增加而逐渐下降。本研究从辽河油田稠油污水中筛选得到环烷酸降解微生物用以解决稠油污水外排问题,研究结果证明,菌株H1、H2可有效对稠油污水中的难降解有机污染物进行去除,以降低生物接触氧化后续吸附过程中活性炭的使用量,降低稠油污水处理成本,减少资源消耗,为稠油污水外排处理中的难降解有机污染物去除问题提供了新的解决方案。

关键词： 印染废水   好氧膜生物反应器   铁电耦合   电芬顿   苯胺   膜污染  

摘要： 印染废水是整个印染工艺过程中排放的混合废水,具有排放量大、水质复杂、COD和色度高、碱度大、可生化性差、水质变化大等特点,属于难处理的工业废水之一。传统的物理、生化等处理技术对印染废水的处理效果往往不理想,因此,本研究提出在常规好氧膜生物反应器（MBR）中引入电场并投加Fe,形成铁电耦合MBR工艺。该工艺借助在膜表面形成电芬顿反应,提高体系对难降解有机物的降解能力,强化好氧MBR处理效能同时减轻膜污染。 首先,构建四种不同反应器（R1:A/OMBR;R2:Fe-A/OMBR;R3:AOEMBR;R4:Fe-AOEMBR）对比其性能,探讨铁电耦合作用对好氧MBR处理印染废水效能的影响。研究发现,铁电耦合作用下的MBR可将普通MBR的COD、NH-N、TN、苯胺、色度的去除率分别提高10.8%、20.5%、21.5%、10.6%、28.2%以上,反应器内形成的电芬顿氧化作用提高了系统对有毒有害物质氧化降解的能力,降低了对微生物活性的抑制作用。这得益于电场对微生物种群多样性的提升,及二价铁水解絮凝能力对微生物种群活性的积极影响,提高了微生物的降解能力,有效强化了反应器运行效能, 其次,分析跨膜压差（TMP）、污泥混合液及上清液特性对膜污染和反应器运行效能之间的作用机制,系统研究处理过程中的膜污染特性和膜污染动态变化规律。铁电耦合作用会增大污泥混合液和上清液中的粒径,提高上清液的分子量,降低反应器上清液的Zeta电位,减少膜孔堵塞。电场的刺激和Fe絮凝作用还减少微生物SMP和EPS的产生,增强SMP或EPS与膜表面的界面作用力,并通过与污泥混合液粒径结合减缓凝胶层的形成,强化了阴极膜表面的静电斥力,降低污泥微生物和EPS等在膜表面的聚集,抑制滤饼层污染物的积累。铁电耦合工艺较传统MBR工艺的ΔTMP增长缓慢,且增长趋势较为平缓,膜污染速率明显降低。 最后,对铁电耦合MBR工艺参数进行了优化,研究显示当温度为25～30℃、MLSS为6000mg/L、电压为1.2V/cm、p H为7.5-8.5、Fe投加量为50mg/（L·d）、DO为3.5mg/L时获得最佳处理效能且膜污染速率最低。

关键词： SNAD工艺   高污泥浓度   群体感应   污泥减量  

摘要： SNAD工艺与MBR反应器结合不仅可以为微生物提供良好的生长环境、维持较高的污泥浓度和活性,还可以保证较高质量的出水水质,降低剩余污泥产量、运行成本与能耗,因此具有广阔的应用前景。然而对于这种微氧升流式膜生物反应器SNAD工艺来说,研究这种高污泥浓度系统中发生的信息交流、能量代谢相关机理的研究较少,因此本研究在维持系统性能稳定运行的基础上从群体感应和污泥减量两个角度进行如下研究并得出结论:(1)在C/N=1(COD/氨氮=200 mg/L:200 mg/L)的条件下,通过调控DO,维持系统的稳定运行。氨氮去除率基本在90-100%左右,出水亚硝氮浓度基本在3 mg/L左右,出水硝氮浓度基本在5 mg/L左右,总氮去除率在85%以上,COD整体去除一直维持在90%以上。污泥活性较高,其浓度基本稳定在23 g/L左右。系统中污泥颗粒化程度较高,粒径随着运行逐渐增加,同时可以看到大量饱满的红色颗粒分布在反应器中。(2)前期反复尝试提取AHLs,但并未成功。多角度剖析AHLs提取失败的原因,并结合两次宏基因组数据可以发现:AHLs合成前体基因丰度较高,但AHLs合成、感应基因丰度远低于AHLs淬灭基因丰度,AHLs可能更多被淬灭因此无法成功提取。结合物种分析,AHLs合成基因主要分布在Planctomycetes和Proteobacteria中,AHLs感应基因主要分布在Proteobacteria中,AHLs淬灭基因主要存在于Chloroflexi、Proteobacteria中。从代谢通路的角度分析,在QS代谢通路中,对其贡献率较高的有unclassified＿c＿＿Anaerolineae、Rubrivivax和unclassified＿p＿＿Chloroflexi。(3)从宏观角度分析系统污泥减量机制,发现在系统中蛋白酶活性较高(7 U/g左右),为系统发挥水解作用、实现污泥减量奠定基础;脱氢酶活性、电子传递速率活性、ATP的含量较高,分别为100 U/g-VSS、220U/g-VSS、0.9μmol/m L左右,系统通过在低氧环境下诱导更多的能量用于细胞代谢而不是细胞合成,实现污泥减量。(4)通过宏基因组数据,结合KEGG、GO、COG、CAZy数据库分析发现系统中水解酶丰度相对较高且分布稳定,含有溶菌酶较多的门水平细菌为Proteobacteria、Chloroflexi,大量水解酶和水解菌一定程度上促进污泥减量;水解酶活性、转移酶活性、氧化还原酶活性、GT、GH等丰度及占比较高,说明系统的水解活性及能量代谢较高,从而实现污泥减量。(5)结合系统脱氮基因和微生物相剖析系统运行状态,发现大量反硝化基因分布在Proteobacteria、Planctomycetes、Chloroflexi、unclassified＿d＿＿Bacteria中,硝化基因、厌氧氨氧化基因丰度较少但活性较高,这也与微生物相数据吻合,在三种过程的共同调节下,系统实现稳定运行。

关键词： 厌氧膜蒸馏生物反应器   废水处理   生物气   膜污染   微生物群落特性  

摘要： 在全球面临水资源短缺的背景下,从废水中获得清洁水、营养物质和能源已逐渐成为趋势,厌氧膜蒸馏生物反应器(An MDBR)作为一种将厌氧消化和膜蒸馏结合的废水处理工艺,同时具备了以上三种功能,具有很高的废水资源化利用潜力。目前对于An MDBR的研究主要集中在废水处理效能上,而在膜污染和反应器内微生物上的研究积累尚少,而这两点会直接影响膜蒸馏过程和厌氧消化过程的效果;此外An MDBR作为一个热处理过程,温度会对其运行效能有着显著的影响。因此,本研究以温度作为单一变量,对An MDBR的废水处理效能进行了评估,着重对反应器运行过程中的膜污染特征进行了系统的考察和分析,此外还通过对反应器内的微生物群落结构特征进行了生物学分析,考察不同温度下An MDBR中的产甲烷功能菌和产甲烷途径。本研究在中、高温度(45°C、55°C、65°C)下运行An MDBR,通过对反应器COD、氨氮和磷浓度的监测考察该工艺的废水处理效果,同时通过对甲烷产量和膜通量的测定考察温度对该工艺在能量回收和清洁水生产的影响。结果表明An MDBR对COD、氨氮和磷具有优秀的去除效果(去除率分别为>98%、50.11-99.46%和>99%)且不受温度的影响,相比之下,甲烷回收效能和膜通量受温度的影响显著,提高反应器的运行温度能够提升甲烷产量和沼气中甲烷的占比,同时获得更高的膜通量,但膜污染更为严重同时膜通量也下降的更快。随后,对An MDBR运行的初期和末期的膜污染特性进行解析,结果表明在运行初期,膜上就出现了有机污染,且随着运行温度的升高而加剧,导致了初期膜通量的快速下降;在运行末期,膜污染由有机物与无机物形成的复合污染组成。此外,污染物的形貌及在膜上的分布随着温度的变化而改变,即运行温度升高,有机污染由聚集变为分散,无机污染由块状生长为片状,且升高的温度促进了二者的融合从而形成更致密的污染层,导致膜通量降低显著。最后,对An MDBR中微生物群落特性进行分析,结果表明,温度会显著影响反应器中微生物的种群结构和物种组成,在实验温度下反应器内的微生物均具有一定耐热性,但耐热性强弱上的差异仍然使得在更高的温度下反应器间存在巨大的物种差异。虽然如此,但反应器内微生物的代谢功能相似,均以产氢发酵细菌(Defluviitoga、Pseudoclostridium、Caldicoprobacter等)和氢型产甲烷菌(Methanobacterium和Methanothermobacter)为主。因此An MDBR在中、高温度下的产甲烷途径为氢型产甲烷途径。

关键词： 抗生素废水   正渗透膜生物反应器   传质机制   微生物群落   抗性基因   膜污染  

摘要： 正渗透膜生物反应器(Osmotic membrane bioreactor,OMBR)是将好氧生物法和正渗透膜分离技术(Forward osmosis,FO)相结合的新型膜生物反应器。前人研究其对抗生素有极高的截留能力，为实现污水处理厂抗生素的减排起到了关键作用，对促进生态环境的健康发展有重要意义。而在处理抗生素废水过程中，抗生素种类结构差异、抗生素在FO膜上的传质机制和汲取液盐溶质反向渗透至原料液对OMBR性能影响的研究仍是空白。本文通过选取两种典型的抗生素，系统研究了OMBR对抗生素去除性能和机理，深入探讨生物转化途径;进而建立全新的机器学习神经网络模型预测抗生素的传质过程,通过改变汲取液盐度和盐类型综合考察汲取液对原料液和膜污染形成的影响及对四环素过滤的影响，揭示了降解和过滤对四环素命运的相互作用，最后结合生态模型分析手段找出驱动微生物演替和抗性基因变化因子。这一研究将促进OMBR处理实际抗生素废水方面的应用和发展,并为去除抗生素和削减抗性基因提供了理论支撑和技术措施。本文得到以下主要结论:　　(1)不同结构抗生素在OMBR中的命运及去除机理:向两个相同尺寸OMBR依次投加三个不同浓度的两种典型抗生素:磺胺嘧啶(Sulfadiazine,SDZ)和盐酸四环素(Tetracycline hydrochloride,TC-HCl),通过考察OMBR对两种含不同抗生素和浓度下废水的COD,氨氮出水浓度和去除效率评价抗生素结构和浓度对OMBR性能的影响;从污泥吸附、吸附动力学、生物降解、微生物转化路径和膜截留等方面，探究其在OMBR中的命运和去除机制。绝大部分TC-HCl(80.70％～91.12％)通过污泥吸附和生物降解去除，污泥吸附是TC-HCl去除的主要途径。而SDZ通过膜截留去除(17.50％～75.14％)。由于膜的静电力和疏水排斥降低，膜对TC-HCl的截留率低于SDZ;由于化学吸附步骤中的π-π键和氢键作用力的增强，以及粒子内扩散步骤中的静电作用力的提高，污泥对TC-HCl的吸附容量高于SDZ;通过抗生素降解路径结合功能酶分析发现降解两种抗生素的相关功能酶引起的氨基反应不同，TC-HCl降解中间产物类多糖物质能够被微生物代谢利用，因此随着进水中TC-HCl浓度的升高，代谢途径的丰度增加。　　(2)汲取液性质影响抗生素在正渗透膜上传质机制及其模型预测:OMBR对抗生素的截留是减少抗生素排放的重要途径，为了更好的了解抗生素在FO膜上的传质机制，本文将TC-HCl作为研究对象，系统研究了 TC-HCl在不同驱动力和阻力下的传质过程，综合分析渗透驱动力、膜空间位阻和静电荷排斥影响TC-HCl在FO中的影响因子和传质路径，建立TC-HCl在FO中传质的神经网络模型，揭示不同汲取溶液条件下四环素扩散过程的详细机制;利用神经网络模型预测TC-HCl的传质过程，通过冗余分析和主成分分析筛选出关键变量和主成分变量作为输入集，并对比不同输入集模型的准确度。试验结果表明，碱性和弱酸汲取液能增强膜对TC-HCl的静电排斥，但膜在碱性汲取液下膜孔径可能会增大，使得膜空间位阻力下降，导致更多的TC-HCl向汲取液一侧传质;试验研究和因子分析表明，TC-HCl在FO膜上的传递主要受到对流、静电相互作用和空间位阻的影响，其中对流扩散是TC-HCl向汲取液传质的主要动力，通路系数为0.80和0.54;利用神经网络模型成功地预测了TC-HCl在FO膜中的转移;筛选具有代表性的输入变量训练模型有助于提高预测精度。　　(3)不同汲取液下盐反渗影响OMBR去除抗生素性能及其机制:系统研究不同浓度和盐类型汲取液下OMBR性能，探讨不同汲取液下盐度、pH、溶解性微生物产物(Soluble microbial products,SMP)组分和微生物群落变化，通过傅里叶变换红外光谱法和微生物学分析方法测定了膜污染物组分的变化,考察汲取液对膜污染形成的影响及其对TC-HCl过滤的影响，采用多元因子分析，探讨了过滤和降解对TC-HCl在OMBR中命运的相互作用,揭示了降解和过滤对TC-HCl命运的相互作用;最后通过结构方程模型研究了TC-HCl在OMBR中去除的关键途径。结果表明，大部分TC-HCl(72.46±3.59％～91.17±2.57％)被原料侧微生物降解。少量TC-HCl(0.25±0.08％～0.74±0.36％)在自身浓度梯度和水回收对流作用的共同作用下穿过膜到达汲取液一侧;膜污染层中的有机物组分使膜的亲水性增强，促进TC-HCl的传质，而细菌促进TC-HCl的降解，减少TC-HCl的过滤量;多元因子分析表明，SMP组分和浓度及pH是影响膜对TC-HCl排斥的关键因素，而降解属的丰度是TC-HCl降解的关键因素;结构方程模型表明，由浓度梯度驱动的自由扩

关键词： 柱式光生物反应器   气液两相   流动传质特性   微藻   结构优化   数值模拟  

摘要： 微藻作为最具潜力的第三代可再生生物质能源,在生物固碳和生物燃料生产领域优势显著,有助于碳达峰、碳中和目标的实现。光生物反应器作为主要培养微藻的容器,可以创造出适宜微藻生长的环境,例如光照、p H、温度。对光生物反应器的研究可以减小培养微藻的成本,同时培养出更多的微藻。光生物反应器中的曝气装置可以向反应器内通入二氧化碳气体,通过改善反应器曝气装置的性能能够有效提高微藻培养效率,本文采用数值模拟方法对柱式光生物反应器的曝气结构进行了优化。模拟采用欧拉模型,湍流模型选取k-ε模型,研究分析不同曝气装置条件下气含率、液体速度、湍流动能几种参数的变化和光生物反应器内的流场情况,主要研究内容如下。研究曝气量对光生物反应器传质及流动特性的影响,研究得到,当曝气结构通气孔孔径相同时,随着曝气量的增大,气含率、液相速度以及湍流动能都随着增大。同时曝气速度的增大也会导致气泡直径的增大,不利于气液间的传质。结果表明,在五种曝气量400、700、1000、1400、1800 m L·min中,1400m L·min为柱型光生物反应器最优的曝气量。分析光生物反应器高度对光生物反应器传质及流动特性的影响,研究得到随着反应器高度的增加,气含率也逐渐增大,随着反应器高度的增加,湍流动能呈先增大后减小的趋势。结果表明,在四种高度20、30、40、50 cm中,30～40 cm为生物反应器的最优高度范围。分析曝气装置结构对光生物反应器气液传质以及流动特性的影响,结果表明,在四种结构球型、球冠、下半球、平板中,相较于平板结构,球型结构的平均液速值提高了约52%,相较于下半球结构,球型结构的湍流动能值提高约78%。优化曝气装置的孔数,结果表明,随着孔口数量的增多,孔口流速在逐渐减小,因此孔口及附近局部区域的湍动能逐渐减小。在六种孔数梯度30、40、45、50、70、80中,孔数为50为最优曝气孔数。研究曝气装置的孔径对柱式光生物反应器的影响,结果表明在六个梯度10、30、50、80、100、120μm中,选择30μm作为最优的曝气孔径。此外,比较双曝气头与单个曝气头的曝气性能,相较于单曝气头,双曝气头曝出的气体在光生物反应器中分布的更广,湍流动能和传质系数也有所提高,具有更好的曝气效果。在对曝气结构进行较深入优化的基础上,对反应器内设置挡板方面进行了模拟研究。选取三种导流筒位置工况并进行了模拟,根据对反应器内流场情况的分析,得到当导流筒位于中间位置时,反应器内气液间的传质效果最好。分析圆台型导流筒、倒圆台型导流筒对反应器流场的影响,结果表明,由于导流筒表面发生倾斜,得到圆台型导流筒有利于增强反应器内湍动强度,增大气体在反应器内的滞留时间。此外,本文设计加长导流筒和在导流筒内部加入隔板两种工况,结果显示,导流筒内部加入隔板的气含率仅小于圆台型导流筒的气含率,为0.391,相较于倒圆台型导流筒的气含率增大约18.1%,内部设置隔板可以更好地提升生物反应器的传质性能。探究在相同夹角情况下,不同曝气速度对反应器流场的影响,得到随着曝气速度的增大,反应器内气含率、液相速度、湍流动能都随之增大。探究相同曝气速度下,不同夹角对反应器流场的影响,得到当角度小于60度时,湍流动能会随之减小。发生此现象的原因可能是夹角的减小导致挡板对气体的碰撞作用减小,使气相产生的涡流减小。本文运用Fluent软件针对光生物反应器结构以及其曝气装置结构做了较深的优化研究。并且在前人对曝气结构研究较少的情况下,对曝气结构作了系统的研究分析,也为其它对光生物反应器结构进行优化的研究提供了理论支持。

关键词： 搅拌釜式生物反应器   流动特性   传热性能   热流耦合   参数优化  

摘要： 搅拌釜式生物反应器因其结构简单、易于操作以及混合性好等优点广泛应用于发酵和细胞培养等生物化工生产中。搅拌器是实现釜内搅拌操作的重要部件,其作用为通过搅拌使釜内物料混合均匀以及促进釜内的热量传递,物料混合不充分或温度分布不均匀都会造成生产效率低下,由于无法获得釜内复杂的流动场和温度场,当前搅拌器的设计或选型往往都是依靠经验所得,实际生产中经常会出现因搅拌器选用不合理而造成搅拌效果不理想的现象,因此对搅拌釜进行热流多场耦合研究以及搅拌设备的优化设计很有必要。主要研究内容如下:依据设计手册对应用于大肠杆菌发酵罐的搅拌器进行初步结构设计,基于热流耦合理论选用合适的湍流模型和旋转桨叶处理方法,制定数值模拟方法,为了验证模拟方法的有效性,建立与已发表文献中相同的模型进行数值模拟,并将模拟结果与实验结果进行比较,计算结果和实验结果误差较小。首先,改变桨径和桨叶倾角,分析不同桨径和倾角下釜内宏观流动场和温度场以及各条取样线上的速度分量分布,研究搅拌器设计参数对釜内流动传热特性的影响。结果表明:釜内最大流速和高速区面积随桨径增大而增大,桨径越大下层桨的径向流特征更加明显,轴向混合能力也更强,桨径增大,釜内整体温度提高显著,釜内高温区域面积也随之增大,搅拌功率与桨径成正比;改变倾角不影响釜内最大流速,但会改变釜内流场分布,釜内最高温度和功率随桨叶倾角增大而增大。其次,改变下层桨离底距和层间距,分析不同离底距和层间距下釜内宏观流动场和温度场以及各条取样线上的速度分量分布,研究搅拌器工艺参数对釜内流动传热特性的影响。结果表明:离底距增大下层桨产生的径向流特征更加明显,釜内最高温度随离底距的增大而减小,离底距增大釜内温度梯度越大;层间距不改变釜内最大流速,但会影响桨叶间和釜体上方的流场分布,层间距过大会使桨叶间流体出现分层现象,不利于两桨间的流体混合,釜内最高温度随层间距的增大而增大,釜内温度分布也随着层间距增大而变得更加均匀。最后,基于正交试验原理设计四因素四水平正交表,通过极差法分析各因素对釜内各性能指标的影响权重,最终选择最优参数组合:桨径130mm,倾角75°,离底距80mm,层间距190mm,并与初始设计进行对比,结果验证了优化可行。研究结果可为搅拌釜式生物反应器结构设计优化提供理论指导。图[49]表[11]参[69]

标准号: T/CECS 1224-2022

摘要： 本规程适用于采用中空纤维膜和平板膜的膜生物反应器工艺进行城镇污水处理厂扩容提标原位改造工程的设计、施工、调试、验收以及运行管理。