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关键词： Cell immobilization   Surface modification   Biofilms   Fermentation technology   Lactic acid bacteria   Antimicrobials   Nisin  

摘要： It is essential to increase microbial population during the fermentation processes. Polypropylene was modified through reactive blending for it to have anhydride groups able to covalently bind with the polycation chitosan and for it to harbor Lactococcus lactis biofilms to produce the antimicrobial peptide nisin. Biofilm development was conducted for 5 cycles of fermentation in rich and minimal media. After 5 batch cycles of fermentation for biofilm growth in rich media, the chitosan-modified polypropylene contained 6.4 +/- 0.4 log(CFU/cm(2)), whereas the polypropylene support without chitosan contained 5.9 +/- 0.4 log(CFU/cm(2)). Infrared spectroscopy and electron and atomic force microscopy analyses confirmed higher nutrient and biomass deposition on the chitosan-modified polypropylene. After 24 h of fermentation in rich media, the L. lactis biofilms grown over the chitosan-modified polypropylene support produced a maximum nisin concentration of 523.5 +/- 256.7 IU/mL, while cells in suspension produced 240.6 +/- 5.1 IU/mL at the same period. L. lactis biofilms grown in minimal media over the chitosan-modified polypropylene support produced a maximum nisin concentration after 24 h of incubation in rich medium of 8.5 +/- 3.9 IU/mL. Through reactive blending, it is possible to prepare supports that can harbor biofilms able to significantly increase the production of metabolites during fermentations.

关键词： Biodegradation   Continuous two-phase partitioning bioreactor   Water treatment   Xenobiotics   Dimensionless analysis  

摘要： This paper proposes a new continuous two phase bioreactor (C-TPPB) configuration for the removal and degradation of xenobiotic compounds from wastewaters. The reactor is made of three principal parts: a tube side in which the wastewater flows;a polymeric membrane which constitutes the tube walls;a shell side, set as a continuous stirred tank reactor (CSTR), in which the xenobiotics are degraded by means of a bacterial population. A mathematical model for the system description was developed and validated by means of fitting using literature experimental data obtained from a similar configuration. Since the nature of the fitting parameters did not depend upon the particular set-up, such validation procedure was possible. A dimensionless analysis was also carried out by defining a modified Stenton (St') and Damkohler (Da') number in order to detect the C-TTPB design criteria. The removal of 4-NtiroPhenol was reported as a case study and an algorithm for a preliminary design procedure was developed. (c) 2021 Institution of Chemical Engineers. Published by Elsevier B.V. All rights reserved.

关键词： 厨余   废水处理   动态膜生物反应器   厌氧反应器  

摘要： 厨余垃圾堆肥前需经过分拣、破碎、挤压脱水和油脂分离等一系列预处理,由此产生了大量的厨余废水,厨余废水具有COD、SS、TN、TP等指标都很高的特点,纳管排放之前必须进行预处理。本文以实际厨余废水为研究对象,构建厌氧动态膜生物反应器（AnDMBR）开展预处理研究。试验研究了反应器启动和稳定运行的处理效能,分析了稳定运行过程中溶解性有机物（DOM）的特性,并进行了冲击负荷对反应器运行效能影响的试验研究。主要成果如下:（1）反应器启动的试验结果表明:接种厌氧颗粒污泥,以实际厨余废水驯化时,厌氧系统稳定性强,反应器能快速启动。厨余废水的B/C比在0.47～0.52之间,可生化性较好。运行至第31天时系统基本稳定,有机负荷（OLR）从初始的1.67 kg COD/（m·d）提升至5.47 kg COD/（m·d）。COD去除率高,保持在95.20%～98.12%。反应器进水pH不需调节,当保持原水pH即3.85到4.15时,出水pH在7.5左右,挥发性脂肪酸（VFA）稳定在300 mg/L以下。膜组件固液分离效果稳定,出水SS基本在400 mg/L以下。（2）反应器稳定运行的试验结果表明:当进水COD在81420～100500 mg/L,OLR在6.1±0.6 kg COD/（m·d）时,COD平均去除率为95.32%。产气量、产气率和沼气中甲烷含量的平均值分别为27.09 L,0.48 L/g COD和59.02%。出水SS在500 mg/L以下。出水pH基本保持在7.40～7.60,VFA保持在300 mg/L以下。动态膜的过滤周期达到30天,AnDMBR表现出良好的运行效能。（3）稳定运行过程中DOM特性的分析表明:厨余废水中DOM的分子量大且分布范围广,主要分布在10 k Da～500 k Da区间内,占比为87.0%;DOM中含有多种共轭双键、羰基的大分子有机物及多环芳香类化合物。类腐殖酸和类富里酸是其主要组分,此外还含有类酪氨酸和类色氨酸蛋白物质;与垃圾渗滤液中DOM相比,厨余废水中DOM的分子量更大,两者都含有大比例的腐殖质类物质。与生活污水中DOM相比,厨余废水DOM中芳香类蛋白含量占比低;厌氧处理对DOM的降解作用有限,UV的去除率为11.17%,色氨酸类物质被降解,酪氨酸、腐殖酸和富里酸类物质处理后增多。反应器对COD的高效去除主要源于对SS的去除和截留;膜的堵塞与可溶性微生物产物的分泌以及动态膜对酪氨酸类物质的截留有关。（4）冲击负荷对反应器运行效能影响的试验结果表明:AnDMBR在一定的负荷冲击下能保持较稳定的COD去除效果和膜过滤性能,但负荷过高时厌氧系统失稳,动态膜通量难以维持,最大运行的OLR不宜超过11.71±0.50 kg COD/（m·d）。当反应器的OLR升高至8.41±0.50 kg COD/（m·d）时,COD平均去除率下降至95.05%,出水pH下降至7.30～7.45,VFA/碱度保持在0.1以下,膜过滤通量稳定,表明该负荷冲击对反应器运行效能的影响较小。当反应器的OLR升高至11.71±0.50 kg COD/（m·d）时,COD平均去除率下降至92.58%,出水pH下降至7.15～7.30,VFA/碱度平均为0.13,运行后期膜过滤通量下降,最大降幅为23.25%,表明此负荷下厌氧系统仍能稳定运行,但膜过滤性能下降。当反应器的OLR升高至14.64±0.40 kg COD/（m·d）时,COD去除率快速下降至79.68%,出水pH下降至6.82,VFA/碱度达到0.42,膜过滤通量快速下降,表明该负荷冲击下反应器运行效能显著下降。研究成果为厨余废水的预处理提供了一种技术路径。

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   单质硫产率   硫-氮代谢途径  

摘要： 越来越多的人为活动造成了硫循环的严重失衡,与硫相关的环境问题已对生态安全及人类健康造成严重威胁。随着社会经济的进步以及公众环保意识的提高,如何绿色高效地治理此类废水已成为近年来环境保护关注的重点。同步脱氮除硫工艺能利用硝态氮去除硫化物,不仅大幅降低硫氮去除成本,还可以回收单质硫资源,实现以废治废和资源回收的目标。近年来短程硝化工艺的兴起,使得亚硝酸盐型同步脱氮除硫工艺备受关注。基于理论吉布斯自由能分析,当亚硝酸盐作为电子受体时,同步脱氮除硫反应更易进行。但亚硝酸盐对于微生物的毒性胁迫更强,同时高硫化物对反硝化过程也有强烈的抑制作用,因此,优化运行条件对于提高亚硝酸盐型同步脱氮除硫工艺性能至关重要。且单质硫作为一种优质的可回收资源,通过运行条件优化以提高其产率,对于后续硫回收有重要意义。因此,以提高单质硫产率为目标,本研究考察了基质浓度、水力停留时间和循环比对亚硝酸盐型同步脱氮除硫工艺基质去除性能和产物转化类型的影响,并基于响应面法提出工艺运行条件优化的综合调控策略;之后采用宏基因组技术剖析了同步脱氮除硫微生物的群落结构特征和演替特征,最终为提高亚硝酸盐型同步脱氮除硫工艺的性能和单质硫回收利用提供参考依据。主要研究结果如下:1)明确了基质浓度对亚硝酸盐型同步脱氮除硫工艺性能和产物转化类型的影响。在所试浓度范围(80 mg S/L-480 mg S/L)内,当水力停留时间为13.33h时,该工艺的最佳进水基质浓度为400 mg S/L,此时硫化物和亚硝酸盐去除负荷可达到0.51±0.01 kg S/(m·d)和0.18±0.01 kg N/(m·d),总单质硫产量为176.29±8.32 mg S/L,产率为61.85±2.29%。高基质浓度时,硫化物和亚硝酸盐之间存在毒性协同效应,进而抑制了工艺的去除性能。2)揭示了水力停留时间(Hydraulic Retention Time,HRT)对亚硝酸盐型同步脱氮除硫工艺性能和产物转化类型的影响。在所试HRT(0.25h≤HRT≤13.33h)内,当基质浓度为320 mg S/L时,该工艺最佳HRT为1 h,此时硫化物和亚硝酸盐的去除负荷可达6.84±0.09 kg S/(m·d)和1.95±0.04 kg N/(m·d),总单质硫产量为209.16±14.65 mg S/L,产率为73.46±5.52%,水相单质硫占比98.16±0.54%。缩短HRT可显著提高基质去除性能和单质硫产量,还可提高单质硫在水相(出水)中所占比例;而低亚硝酸盐去除率成为降低HRT提升反应器性能的瓶颈因素。3)基于响应面模型法考察了基质浓度、HRT和循环比对亚硝酸型同步脱氮除硫工艺基质去除性能和产物转化类型的影响。进水基质浓度对基质去除性能和单质硫产量皆具有显著影响(p<0.05),进水基质浓度的增加会使硫化物和亚硝酸盐的去除率降低,但有助于单质硫的生成。而延长HRT与增大循环比可显著提高基质去除性能(p<0.05)。经响应面模型优化后,亚硝酸盐型同步脱氮除硫最优工艺条件确定为:进水硫化物浓度640 mg S/L,HRT 2 h,循环比30。此时硫化物和亚硝酸盐去除率分别可达99.90±0.03%和100.00%,硫素和氮素去除负荷可高达6.37±0.01 kg S/(m·d)和1.75±0.01 kg N/(m·d),单质硫产量为412.51±4.14 mg S/L,产率为77.75±0.84%。4)基于宏基因组学探明了亚硝酸盐型同步脱氮除硫工艺微生物群落结构特征和硫氮代谢途径。随着进水负荷的增加,反应器中污泥快速颗粒化,与此同时群落丰富度有所下降。Microbacterium、Sulfurimonas、Sulfurovum、Paracoccus和Thauera为不同进水负荷条件下的优势菌属,皆具有硫、氮代谢功能。硫代谢过程中,sqr基因的高丰度是硫化物维持高去除负荷的主要原因,而sox B的丰度不足则导致单质硫持续增加。氮代谢过程中,转运蛋白NRT的锐减致使亚硝酸盐无法进入细胞,这是极端进水负荷下亚硝酸盐去除率迅速下降的主要原因。综上所述,通过考察影响因素、优化工艺条件和剖析微生物群落等方面,本论文研究了亚硝酸盐型同步脱氮除硫工艺的运行性能和代谢特征,有助于提高单质硫产率,并为含硫含氮废水处理及硫资源回收提供了新的思路。

关键词： 厌氧膜生物反应器   导电膜   二价铁   污泥混合液性质   膜污染   膜阻抗   铁元素归趋  

摘要： 厌氧膜生物反应器（An MBR）被认为是具有可持续发展的应用工艺。然而,由于厌氧微生物对所处环境敏感,导致了当本身或外界环境变化时,水解酸化和甲烷化之间的平衡容易被打破,反应器中挥发性脂肪酸（VFAs）积累和甲烷浓度（CH）下降,反应器性能降低。除此之外,膜污染也是限制An MBR更广泛应用的主要瓶颈。因此,有必要研究强化An MBR运行效能以及减轻膜污染的方法,提高An MBR处理效率。为此,本研究将二价铁和外加电场置于处理淀粉废水的厌氧表面导电膜生物反应器（SAn EMBR）中,通过监测反应器自然运行和p H调整时的运行结果,分别探讨二价铁和外加电场对SAn EMBR运行效能的影响。分析污泥混合液性质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。同时对二价铁在反应器中的分布和归趋进行了探析。在自然运行状态下,反应器中有机物会快速水解酸化,p H下降,3个反应器COD去除率在48.11%-60.67%,二价铁和电场对反应器的强化效果有限;在p H调整后可以有效的提升COD去除率、CH4浓度等,强化反应器运行效能,这得益于电场对微生物种群多样性的提升,二价铁水解絮凝能力及其对微生物种群活性的积极影响。反应器自然运行中污泥混合液中颗粒粒径较小,造成膜孔堵塞,导致了快速不可逆污染层的形成;p H调整后,结合激光共聚焦显微镜（CLSM）等手段发现膜表面首先形成滤饼层后逐渐形成凝胶层。在SAn EMBR中,二价铁增大污泥混合液颗粒粒径,并通过与SMP、EPS结合减缓凝胶层的形成;电场强化了阴极膜表面的静电斥力,减少膜表面污染物的沉积。在自然运行状态下由于反应器p H下降,二价铁主要以离子状态存在且大部分随出水流失,而p H调整后二价铁主要以无定型氢氧化亚铁和污泥结合态存在,电场作用下污泥混合液中铁元素积累较少且在上清液与污泥中浓度相当,而只投加二价铁的反应器中铁元素主要积累在污泥中,这容易造成微生物毒性。

关键词： 生活污水   膜曝气   膜过滤   生物反应器  

摘要： 膜曝气生物反应器（MABR）是一种利用中空纤维膜作为曝气器和生物膜载体的污水处理新工艺。从中空纤维膜的内壁曝气充氧，通过控制曝气压力，实现生化池的无泡曝气，曝气膜表面构筑好氧、缺氧和厌氧微生物菌落，可以同步降解COD、脱氮除磷等优势。这种工艺氧利用率高，能耗低，受到研究者的广泛关注。本文以模拟生活污水为处理对象，研究应用了MABR的中空纤维曝气膜的制备，膜曝气/膜过滤集成生化处理工艺的污水处理设备，探究了这种设备对模拟生活污水的处理效果的影响，考察这种工艺的实际运行效果。　　首先，以聚偏氟乙烯（PVDF）为膜材料，用非溶剂致相法探究了应用于膜曝气的PVDF铸膜液配制过程中，膜材料含量，添加剂类型和添加剂含量对曝气膜曝气性能和孔隙率的影响。根据铸膜液配方的研究结果，用中空纤维膜纺丝机进行PVDF中空纤维膜的研究，考察了PVDF含量，添加剂类型和用量对中空纤维膜的透气性能的影响，得到具有较高孔隙率，机械强度和高气体渗透率的中空纤维曝气膜的制备条件。PVDF∶PVP∶DMAc=18%∶4%∶78%的配方制得的PVDF中空纤维膜的孔隙率为80%，纯水通量为193.8L/(m2.h)。中空纤维膜内层为大指状孔，外层为小指状孔，中间为海绵状孔的特殊孔结构，这种复合孔结构膜满足在较低曝气压力下的均匀曝气。　　其次，根据膜曝气和膜过滤的集成生化处理工艺，设计并加工制作了污水处理设备的壳体，曝气膜组件，浸没式膜组件，进水控制系统，曝气系统，出水控制系统，液位控制系统和电气控制系统等必需部件。先用清水进行了自动运行调试，考察了是否满足工业设计要求。然后用城市污水处理厂的活性污泥在污水处理设备中的曝气膜上进行生物膜的培养和驯化，用显微镜对驯化的生物膜进行镜检，评估污水处理设备后续实际处理效果的可行性。　　最后，以模拟生活污水为处理对象，探究了膜曝气/膜过滤集成生化处理工艺对污水中有机污染物的实际降解效果的影响。考察了进水COD浓度，进水流量，出水流量和膜曝气压力等操作运行条件对出水COD，氨氮和总磷的去除效果。当进水COD为300mg/L、出水流量16.67L/h、膜曝气压力为12Kpa时，处理出水的COD，氨氮和总磷分别为17mg/L，4.5mg/L和1.28mg/L。COD，氨氮和总磷的去除率分别达到95%、86%和75%。集成处理工艺表现出优异的同步降解污水中有机物，氨氮和总磷的能力，COD与氨氮浓度均达到国家一级A排放标准，呈现出良好的应用前景。

关键词： 生物反应器   生物催化活性材料   肿瘤微环境   递送载体   肿瘤联合治疗  

摘要： 受肿瘤微环境等因素的影响,当前临床常用的肿瘤治疗手段的疗效远无法满足癌症患者的迫切需求。近年来,通过构建新型生物材料来直接杀死肿瘤细胞或通过对肿瘤微环境进行调控来增强肿瘤治疗的疗效,已经成为目前癌症治疗领域的一个重要研究方向。酶作为一种天然的生物催化剂,在维持正常生命活动中发挥着不可替代的作用,其异常表达也是诸多疾病发生的诱因之一。鉴于其丰富的、特异性催化活性,多种酶在肿瘤等疾病的治疗中表现出了良好的应用前景。然而,绝大多数酶因对周围环境敏感而容易变性失活。如何在生理条件下保持高效、持久的酶的催化活力,是推进酶在肿瘤等疾病治疗中应用的核心科学技术问题。因此,在本博士论文研究中,本人根据酶的不同催化性质,设计构建了多种具有不同功能的生物反应器用于肿瘤治疗增效研究,揭示了其与肿瘤微环境、肿瘤治疗增效之间的相互影响机制,为实现安全高效的肿瘤联合治疗开发了多种具有创新作用机制的生物催化活性材料。本博士论文的主要研究内容和结果概括如下:1、温敏可注射型反应器用于肿瘤细胞裂解与氧化应激放大联合治疗研究。在该项研究中,以温敏型壳聚糖-β甘油磷酸钠可注射水凝胶为载体,将磷脂酶(Phospholipase1,PLA1)和胆固醇氧化酶(Cholesterol oxidase,COD)固定在肿瘤部位,构建了一种具有级联催化能力的生物反应器。其中,PLA1能够通过水解磷脂分子来破坏细胞膜的完整性并促进胆固醇氧化酶与底物胆固醇的接触,胆固醇在胆固醇氧化酶的作用下分解为具有细胞毒性的胆甾-4-烯-3-酮和过氧化氢。将该生物反应器固定在肿瘤部位后,可以通过破坏肿瘤细胞膜的完整性并放大肿瘤部位的氧化应激水平,进而协同抑制小鼠皮下CT26肿瘤的生长。2、微酸响应性纳米级联反应器增效肿瘤射频免疫联合治疗的研究。在该部分研究中,本人利用碳酸钙的微酸响应性分解以及对蛋白质、血红素等分子的高效吸附能力,通过碳酸钙辅助的双微乳法将脂肪氧化酶(Lipoxidase,LOX)和血红素(Hemin)共同装载在碳酸钙-PLGA纳米颗粒中,成功构建了一种肿瘤微酸响应性纳米级联反应器——HLCaP NRs。进一步研究发现,HLCaP NRs在弱酸性条件下能够以亚油酸、肿瘤细胞残渣等为底物,催化产生具有细胞毒性的脂质过氧化物自由基并诱导癌细胞发生铁死亡。利用可粘附性水凝胶将其固定在经不完全射频消融后的残余肿瘤部位,发现HLCaPNRs不但能够高效诱导残余肿瘤细胞发生铁死亡来抑制残余肿瘤细胞的生长,还能够激活机体的抗肿瘤免疫反应,并通过联合anti-PD-1免疫疗法,在进一步抑制原位肿瘤生长的基础上高效抑制远端转移肿瘤的生长,实现了对肿瘤的序贯性射频免疫联合治疗。3、生物发光的减毒沙门氏杆菌增效肿瘤光动力治疗与免疫治疗的研究。在该部分研究中,本人通过将含有萤火虫荧光素酶基因的质粒转化至减毒的鼠伤寒沙门氏杆菌中,成功构建了一种生物发光细菌。进一步研究发现,该生物发光细菌与其底物D-荧光素孵育后产生的生物发光可以激发光敏分子二氢卟吩e6(Chlorine6,Ce6)产生有细胞毒性的单线态氧分子,这不仅可以诱导癌细胞死亡并释放肿瘤相关抗原、钙网蛋白(Calreticulin,CRT)、高迁移率族蛋白(High mobility group box 1,HMGB1)等损伤相关模式分子,还能导致部分细菌死亡并释放病原相关模式分子,进而同时激活机体的先天性免疫反应和适应性免疫反应并减少肿瘤内多种免疫抑制性细胞的浸润。与传统的光动力治疗和细菌治疗相比,该策略不仅能够高效的抑制小鼠皮下CT26、强吸光的B16、以及大体积的新西兰兔皮下VX2等多种原位肿瘤的生长,还能够通过激活机体的抗肿瘤免疫反应来抑制远端转移肿瘤的生长,以及诱导机体产生特异性的免疫反应来防止肿瘤的复发。总之,在本博士论文中,充分利用生物材料丰富的理化性质,设计构建多种具有不同催化功能的生物反应器,探索了其在肿瘤微环境调控与肿瘤治疗增效方面的机制,发展了多种具有创新作用机制的序贯性肿瘤联合治疗新策略,揭示了酶介导的生物催化反应在肿瘤治疗方面的广阔应用前景。

关键词： 动物细胞培养肉   生物反应器   计算流体动力学   微载体   反应器放大  

摘要： 近年来,通过体外培养动物肌肉细胞生产人造肉受到广泛关注。目前相关报道主要集中于动物肌肉细胞的分离提取、分化调控等,而对在生物反应器中增殖培养没有太多报道。生物反应器的流场特性决定了传质、混合、剪切及能量耗散等情况,这些环境参数会影响细胞生理代谢,限制了动物细胞培养密度提高和生产规模放大,但尚未有文献报道。本论文基于实验室规模转瓶反应器,研究传质及流体动力学性质,并构建100 m L微载体悬浮培养猪骨骼肌细胞缩小模型体系,探究动物干细胞大规模培养的可能性。主要研究内容和结果如下:1.结合冷模实验与计算流体动力学(CFD)模拟获得转瓶反应器的流场参数,为培养动物肌肉细胞提供流体力学基础数据。通过亚硫酸钠氧化法和动态溶氧法测量不同操作条件下的传质系数,分析了转瓶传质机制,得出在转瓶中适于动物细胞培养的体系中ka为1.5～4.5 h。通过CFD单相流及双相流模型计算不同条件下仿真混合时间并模拟微载体悬浮过程,利用示踪剂法和Python-Opencv机器视觉算法获得冷模实验混合时间,检验了CFD模型的准确性。在培养动物细胞的条件下混合时间为5～10 s,微载体浓度为5～30 g·L时在30 rpm搅拌转速下可以完全悬浮。通过经证实的CFD模型计算得出在培养动物细胞的条件下平均能量耗散速率(?)为2×10～1.5×10 W·kg,Kolmogorov长度η约160～253μm。2.通过自主改造的Corning转瓶对体系的温度、溶氧、CO浓度等参数进行监测和控制,利用经Fe修饰的CytodexⅠ微载体悬浮培养永生化猪骨骼肌细胞。在37℃恒温、5%CO浓度恒定的环境下,100 m L体系最佳批次培养条件为30 rpm间歇搅拌24 h,60 rpm连续搅拌至96 h,微载体浓度为4 g·L,细胞接种密度为1×10 cell·m L,经96 h培养细胞增殖3.64±0.28倍。经胰酶消化后的细胞恢复平面培养后仍维持正常的增殖能力和细胞特异性。另外,还发现在细胞生长代谢旺盛期加入新微载体并间歇搅拌有利于细胞在微载体间的迁移。基于转瓶的缩小模型结合流场环境与细胞生理特性,得出了在实验室规模反应器中适于动物肌肉细胞培养的流场信息,可用于指导后续反应器的放大设计。3.理性放大设计并优化20 m搅拌釜反应器模型,在不同条件下进行Eulerian气液固三相流CFD模拟。当搅拌转速为20 rpm,气体体积流速为0.12 vvm时,20%体积分数微载体可完全悬浮,反应器平均气含率为2.6%,DO为40%～50%,ka为8.4 h。结合缩小模型体系的流场性质分析,理论上能满足动物细胞高密度培养对微载体悬浮及传质的需求,但由搅拌桨输入的平均Kolmogorov长度为88.1μm,引入气相后剪切环境更为严峻。通过流场模拟与细胞反应动力学相耦合的模型为实际工艺放大过程提供了基础流场数据,指出了减缓反应器内机械和流体剪切的重要性。

关键词： 厌氧膜生物反应器   膜污染   电场   微生物群落  

摘要： 厌氧膜生物反应器(AnMBR)耦合了厌氧消化系统和膜分离系统,具有出水水质高、占地面积小、低能耗和能源可回收等优点,是一种很有应用前景的污水处理技术。但是,膜污染严重是限制其大规模商业化运行的主要障碍。针对其膜污染严重的问题,本研究通过引入微生物电解池构建了新型AnEMBR反应器,考察了AnEMBR反应器的运行效果以及膜污染控制效果,分析了外加电场对悬浮污泥性质变化、膜表面泥饼层变化以及膜上微生物群落结构变化影响,探究了外加电压下膜污染控制的机理。与传统AnMBR相比,AnEMBR-0.5 V、AnEMBR-1.0 V和AnEMBR-2.0 V对COD的去除率分别提高了6.73%、13.15%、21.48%,外加电场的引入刺激了微生物的活性,提高微生物对COD的去除效果。在运行周期上,AnEMBR-0.5 V、AnEMBR-1.0 V和AnEMBR-2.0 V的运行周期分别是AnMBR的1.33倍、2.44倍、3.89倍。电压的引入使膜污染得到了有效的缓解,且随着电压的升高膜污染缓解效果较好。此外,电场作用下,上清液以及膜出水中的色氨酸类蛋白质和芳香类蛋白质也获得了较好的降解效果。但在对氮、磷污染物的去除上,四组反应器几乎无法有效去除,未来还需添加后续处理工艺使氮磷达标排放。进一步对膜污染控制机理的研究表明,外加电压的引入,使得悬浮污泥的平均粒径由703 nm增加到1612 nm,Zeta电位由-21.2 mv增加到-12.2 mv,悬浮污泥中SMP和EPS中蛋白质和多糖浓度含量大大减少。与AnMBR和AnEMBR-0.5 V对照相比,AnEMBR-1.0 V和AnEMBR-2.0 V泥饼层更疏松多孔,其上存在大量蜂窝状结构,膜表面附着少量的污染物。外加电场促进了膜表面微生物的代谢活性以及电活性菌的生长繁殖,加速了对膜表面的EPS和SMP的分解。此外,外加电压的引入加大了膜上污泥间的静电斥力,使得造成膜污染的物质不易附着在膜表面。最后,外加电场的引入对AnMBR膜表面和反应器底部厌氧污泥的微生物群落在属水平上的分布有显著影响,且会促进一些具有胞外电子传递能力的产电菌(如不动杆菌Acinetobacter等)的生长。

关键词： 布洛芬   环丙沙星   联合效应   序批式活性污泥反应器   脱氮  

摘要： 本论文以序批式活性污泥反应器(SBR)作为废水生物脱氮处理系统,选取布洛芬(IBP)与环丙沙星(CIP)作为研究对象,考察IBP与CIP浓度变化以及IBP和CIP共同胁迫下水力停留时间(HRT)变化对SBR脱氮性能、活性污泥硝化与反硝化活性、胞外聚合物(EPS)的结构与组成以及微生物群落结构的丰度与多样性的影响。(1)IBP与CIP浓度变化对SBR反应器脱氮性能的影响:当混合IBP/CIP浓度由5 mg/L+10 mg/L增加至15 mg/L+30 mg/L的过程中,SBR工艺COD和NH-N平均去除率由91.32%和86.66%分别降至76.81%和79.08%。混合IBP/CIP胁迫下,COD和NH-N平均去除率低于单独IBP胁迫时,而高于单独CIP胁迫时,表明IBP和CIP的联合作用对COD和NH-N的去除表现出拮抗效应。随着IBP和/或CIP浓度的增加,在混合15 mg/L IBP和30 mg/L CIP下,活性污泥比氨氮氧化速率(SAOR)、比亚硝酸盐氮氧化速率(SNOR)和比硝酸盐氮还原速率(SNRR)分别降低了56.71%、47.78%和62.96%。混合IBP/CIP胁迫下,SAOR、SNOR和SNRR降低率总是高于单独IBP胁迫时,而低于单独CIP胁迫时,表明IBP和CIP的联合效应对硝化细菌活性和反硝化细菌活性的抑制表现出拮抗效应。硝化细菌活性较反硝化细菌活性对混合IBP/CIP更具耐受性,氨氧化细菌活性对于混合IBP/CIP的耐受性弱于亚硝酸盐氧化细菌活性。随着IBP和/或CIP浓度的增加,活性污泥EPS中蛋白(PN)与多糖(PS)比亦增加,表明活性污泥EPS中PN较PS有更重要的保护作用。三维荧光光谱显示,随着IBP和/或CIP浓度的增加,活性污泥EPS的PN中色氨酸类蛋白是主要响应物质,并且IBP和/或CIP浓度变化对EPS中羧基、氨基、羰基和烷氧基等官能团以及链结构中的共轭键、芳香环数和π-电子体系有明显的影响。随着IBP和/或CIP浓度增加,细菌群落丰富度降低、多样性减少。与硝化菌群相比,反硝化菌群对IBP、CIP和混合IBP/CIP的浓度增加更为敏感。(2)IBP和CIP共同胁迫下HRT变化对SBR反应器脱氮性能的影响:在IBP和CIP共同胁迫下HRT由17h缩短至9h的过程中,SBR工艺COD平均去除率由96.27%降至83.47%,NH-N平均去除率由88.26%降至81.07%。在IBP和CIP共同胁迫下HRT由17h缩短至9h的过程中,活性污泥的SAOR、SNOR和SNRR分别下降了46.92%、43.53%和31.49%,表明在IBP和CIP共同胁迫下,硝化细菌活性对HRT的缩短较反硝化细菌活性更敏感,氨氧化细菌活性对HRT的缩短较亚硝酸盐氧化细菌活性更敏感。在IBP和CIP共同胁迫下,随着HRT的缩短,活性污泥EPS中PN/PS比增加,表明在IBP和CIP共同胁迫下,随着HRT的缩短,活性污泥EPS中PN较PS有更重要的保护作用。三维荧光图谱显示,在IBP和CIP共同胁迫下,活性污泥EPS的PN中芳香类蛋白是应对HRT缩短的主要响应物质,并且在IBP和CIP共同胁迫下HRT的缩短对活性污泥EPS中羧基、氨基、羰基和烷氧基等官能团以及链结构中的共轭键、芳香环数和π-电子体系有明显的影响。在IBP和CIP共同胁迫下,随着HRT的缩短,细菌群落的丰富度降低、多样性减少,硝化菌群在属水平上的相对丰度降低率较反硝化菌群更为明显。