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关键词： 陶粒   高盐废水   SBR   耐盐菌   粉煤灰   煤矸石  

摘要： 随着我国工业化进程的加快,高盐废水及工业废渣的排放量日益增多,据相关统计,近年来我国工业废渣年产量已超40亿吨,高盐废水年排放量已超35亿吨。为避免环境污染,国家对于工业废水废渣的处置要求愈发严格,因此探究固废资源化的有效途径和强化高盐废水的处理方法开始进入人们的视野,序批式活性污泥反应器(SBR)的应用价值已经被生产实践所证明,是一种在处理高盐废水方面具有明显成效的废水处理装置。本研究秉承固废资源化的理念,以煤炭产业链中产生的两种固体废物粉煤灰和煤矸石作为主要原料制备陶粒,考察焙烧温度、焙烧时间、预热时间对陶粒性能的影响,对陶粒制备工艺进行优化。运行了上流式厌氧污泥反应器(UASB)、SBR反应器,并对其进行驯化,在其运行稳定后使用陶粒填料强化其处理效果。具体研究如下:(1)采用粉煤灰、煤矸石为主料,添加适量膨润土,使用Ca O、Mg O为助熔剂,FeO为造孔剂可制备出性能良好的陶粒,制备陶粒的最佳原料配比为配比煤矸石45%、粉煤灰25%、膨润土20%、氧化铁5%、氧化钙4%、氧化镁1%,最佳工艺条件为干燥温度100℃,干燥时间30 min,预热温度400℃,预热时间20 min,焙烧温度1100℃,焙烧时间30 min。最终制得吸水率30.2%,表观密度1546.4 kg/m,抗压强度328.9 N,酸损失率0.25%,碱损失率0%的高性能陶粒,完全可以达到国标CJ/T299-2008标准;相关表征分析显示该陶粒具有较多的孔隙结构,宏观角度表现为其具有较大的比表面积和总孔容,这些特性有助于其对污染物的吸附及微生物的挂膜作用。(2)对UASB、SBR反应器进行耐盐驯化,UASB反应器最终在进水氯离子浓度达到12 g/L时,将反应器出水p H稳定在7.8左右,COD去除率控制在87%上下。SBR反应器经过周期为20 d的驯化,MLSS为4400 mg/L,SVI为54.2,MLVSS/MLSS也达到了76.9%,最终在氯离子浓度为12 g/L的盐度下,反应器对COD去除率可稳定在77%左右,出水COD浓度在180 mg/L以下,NH去除率可达82%。将两种耐盐菌株投加至反应器后,经过5 d的运行,最终反应器的COD去除率可稳定在83%左右。(3)通过陶粒的静态吸附实验确定了10 g/L和60 min为最佳的陶粒投加量和吸附时间,在投加陶粒之后,SBR反应器的NH去除率从82%提高至87%,且将填料层高度设置在40 cm以上,曝气量控制在3 L/min以上,即可获得较好的反应器运行效果。

关键词： 商场污水回用   一体式膜生物反应器   平板膜   膜污染  

摘要： 近年来,随着城市化进程的加快,大中型城市中的商场数量激增,商场污水的处理及回用成为环境工程污水处理领域新的热点问题。商场污水的处理面临着水量变化大、回用水量大、可提供用地面积少等问题,传统的城镇生活污水处理工艺无法很好的应对上述问题。一体式膜生物反应器(MBR)可实现对污染物高效去除以达到污水回用标准,同时减少占地空间,是处理商场污水的有效技术,但膜污染问题一直是困扰MBR技术推广应用的关键因素。本研究首先利用实验室小试A2O-MBR一体化装置研究了在模拟商场污水条件下的运行性能,比较了各类商用分离膜组件的使用寿命。结果发现在实验室小试A2O-MBR一体化装置中,在HRT为24 h,进水BOD5、NH4+-N的浓度分别为～300、～100 mg/L的条件下,运行稳定后出水平均浓度分别为5.07、4.26 mg/L,相应的平均去除率达到了 98.27%、95.56%。通过比较陶瓷平板膜(FS-TC)、聚偏氟乙烯平板膜(FS-PVDF)、聚砜中空纤维膜(HF-PS)、聚偏氟乙烯中空纤维膜(HF-PVDF),发现在相同运行条件下FS-PVDF的使用寿命最长。通过膜阻力测定发现,FS-PVDF的膜固有阻力和总阻力始终是最低的。同时发现,滤饼层阻力(Rf)是平板膜污染中的主要阻力类型,浓差极化作用引起的过滤阻力(Rp)是中空纤维膜污染的主要阻力类型。在运行终点时,通过测定膜表面的胞外聚合物(EPS)发现,FS-PVDF膜表面的溶解态胞外聚合物(S-EPS)浓度为7.34 mg/gVSS,均低于FS-TC、HF-PS和HF-PVDF膜表面的S-EPS浓度(分别为7.56、422.87、416.18 mg/gVSS)。通过膜表面的活死细胞研究发现,中空纤维膜(HF)表面死细胞比例远高于平板膜(FS)表面的相应值,可能是HF膜表面大量积累EPS的主要致因(p<0.05)。利用高通量16S rRNA基因测序技术发现,Proteobacteria、Bacteroidota 和Dependentiae是在膜表面积累较多的细菌,在属水平上,膜组件表面上的norankicroscillaceae和norankermiphilaceae等菌属积累较多。以FS-PVDF为膜组件搭建现场中试A2O-MBR一体化装置,采用上海某商场污水进行长期试验,在HRT为48 h,进水BOD5、NH4+-N浓度分别为200～400、60～100 mg/L的条件下,调试稳定后出水平均浓度分别为7.14、0.25 mg/L,平均去除率达到了 97.66%、99.51%,出水满足了《城市污水再生利用城市杂用水》(GB T18920-2020)中城市绿化、冲厕回用标准。在监测时间内,膜压始终保持在0.001 MPa左右,膜表面的S-EPS浓度为3.94 mg/gVSS仍处于较低水平,且膜表面死细胞分布较少。膜表面菌群分析发现与膜污染有关的微生物依旧是Proteobacteria、Bacteroidota、Actinobacteriota、Chloroflexi、Verrucomicrobiota 以及 Dependentiae 等细菌。

关键词： 诺如病毒   VLP   杆状病毒表达系统   家蚕生物反应器  

摘要： 诺如病毒(Norovirus)又称诺瓦克病毒(Noroviruses,NVs),该病毒属于杯状病毒家族,是一种无包膜的、单股正链的RNA病毒,是引起全球流行性急性胃肠炎散发病例和爆发疫情的主要病毒病原体。抵抗力弱的人群中有很高的发病率,如儿童、老年人以及免疫异常人群感染诺如病毒后容易出现死亡或转为慢性疾病。其中GII.4型诺如病毒在过去的几十年中一直处于主导地位。2014-2015年冬季一种新型的GII.17变异体的出现,成为中国的流行毒株,导致急性胃肠炎暴发显著增加。全球最重要的食源性疾病里,诺如病毒是公认的最重要的病原体之一。特异性的商品化的诺如病毒疫苗至今都没有在国内上市,因此为了人类的健康安全,研制出有效的诺如病毒疫苗是非常有必要的。诺如病毒可以自行组装成不含RNA的病毒样颗粒(virus-like particle,VLP),由于VLP在结构和抗原性方面与天然病毒粒子相似,可以诱导高水平的免疫应答,具有免疫原性和受体结合特性,是研发诺如病毒疫苗的有效方法。本研究拟利用本课题组高效的家蚕生物反应系统制备针对诺如病毒流行毒株的VLP疫苗,为诺如病毒的预防和控制提供有效保护手段。本研究首先选取了河南最新报道毒株GII.17型NV HN01/2015基因序列(KT992785)为研究对象。尝试在传统的杆状病毒昆虫细胞表达系统中表达VP1蛋白,进一步探索在家蚕生物反应器中生产诺如病毒VLP疫苗。将***1序列进行全基因合成,随后将其克隆至p YBDM-IM和p UCDM-XIGP两个杆状病毒转移载体上,进一步包装出具有双拷贝的重组杆状病毒,并感染Sf9细胞后,通过WB检测显示,在Sf9细胞中成功表达出诺如病毒VP1蛋白。随后用钴离子亲和层析纯化VP1蛋白,利用SDS-PAGE凝胶电泳检测,发现能够获得预期的阳性条带且显示的条带单一清晰亮度高的VP1蛋白,此蛋白具有较好的可溶性。进一步通过电镜观察,能够检测到大小约为32nm的病毒样颗粒,证明所表达的VP1蛋白能够自我组装形成VLP。随后将转移载体重组至家蚕Bm Mulit Bac感受态细胞,尝试在家蚕杆状病毒表达系统中对VP1蛋白进行了表达,成功的包装出家蚕Bm ***1重组杆状病毒,感染家蚕及Bm N细胞后,进行Western Blot检测,发现在家蚕细胞内成功表达出VP1蛋白。进一步对于本实验室表达的诺如病毒VLP进行了小鼠免疫,并检测其免疫原性,发现重组免疫蛋白可以引起小鼠机体的免疫应答并诱发小鼠产生针对诺如病毒VP1的特异性抗体。本研究率先利用昆虫细胞及杆状病毒家蚕生物反应器表达系统成功获得了诺如病毒VLP,为诺如病毒疫苗生产提供了新的方法。

关键词： 好氧颗粒化   FeCl3-污泥基活性炭   污染物的生物降解   生物反应器   低浓度污水  

摘要： 好氧颗粒污泥作为一种由细菌自絮凝形成的特殊生物聚合体,其具有结构紧凑、高沉降性和生物活性强等优势。好氧颗粒的快速形成是污水处理领域的热点之一,然而利用活性炭作为载体诱导污泥颗粒化快速形成机制的研究尚缺乏。研究中利用槟榔废弃物与城市污水厂剩余污泥为原料制备了污泥基活性炭,优化了制备条件,通过负载FeCl,实现活性炭的正电化;利用制备活性炭作为内核,快速诱导出低碳源污水中好氧颗粒污泥的形成,并研究了好氧颗粒的稳定性以及污染物的降解效率,得出以下结论:(1)以污泥和槟榔为原料,制备了污泥基活性炭(Sludge activated carbon,SAC),通过单因素实验及正交试验优化了操作条件。结果表明:活化剂浓度3.0mol/L,活化时间60 min,活化温度700℃,SAC的碘值最高,达593.4 mg/g。(2)将SAC通过负载FeCl,得到FeCl-污泥基活性炭(FAC),利用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、X-射线光电子能谱及表面zeta电位进行了表征实验。结果表明,FAC较SAC的孔隙度和比表面积均有一定程度的减少,且其zeta电位从-33.40m V变化到+43.80m V。其中FAC的碘值最大吸附量(740.12 mg/g)远高于SAC(593.4 mg/g)。两种活性炭的吸附等温线符合Langmuir模型,且FAC最大吸附量为341.30,SAC为133.33 mg/g。根据吸附动力学模型结果得知,两种活性炭的吸附行为符合二级动力学模型。(3)投加FAC的反应器(R1)好氧颗粒污泥出现的时间较对照组(R0)常规培养时间缩短了25天。当30天左右,R0和R1反应器的好氧颗粒的粒径为0.5-1.0 mm和1.5-2.0mm,R1的好氧颗粒粒径较大,结构致密。FAC的添加会对好氧颗粒的沉降性能造成影响,R1的沉降效果最佳,其的SVI为28.56mg/L。(4)两个反应器对COD和NH的去除率都在90%以上。在整个运行期间,R0和R1反应器的TN去除率分别为60%和78.63%,且R1的出水硝态氮和亚硝态氮的浓度都显著小于R0;TP的去除率分别为95.13%和90.83%。(5)利用高通量测序技术观察FAC的添加对好氧颗粒污泥的微生物群落结构的影响。结果表明:反应器R1中的硝化细菌(Nitrosomonas)和反硝化细菌(Denitratisomas)的相对丰度分别为16.8%和12.28%,远高于R0样品的8.18%和7.5%。Nitrosomonas和Denitratisoma为反应器系统中重要的脱氮菌。而R1的Micropruina(22%)高于R0的19.3%,其中Micropruina是聚糖原菌,有利于好氧颗粒的稳定形成。Defluvicoccus是EPS产生菌,R1中的Defluviicoccus(13.7%)明显高于R0(5.85%),可能是FAC对微生物群落结构有较大的影响。

关键词： 高盐印染废水   外源保护剂   甘氨酸甜菜碱   厌氧膜生物反应器   机器学习  

摘要： “盐”常被用于印染纺织行业，企业在生产过程中往往会产生大量的高浓度的含盐有机废水，排放进入水体由于其高毒性和致突变性，会对水生生物和人类健康造成极大的潜在危害。污水的厌氧生物处理具有有机负荷高、耐冲击能力强和出水水质好等优点，同时厌氧过程可以产生清洁能源甲烷以回收再利用，越来越多地被应用于高盐难降解废水的处理。但是，高浓度的钠离子对厌氧生物具有抑制作用，降低处理效率。因此，理清高盐环境对微生物的抑制机理，寻找缓解甚至解决高盐的抑制作用以提高微生物的厌氧生化效率的方法是当前高盐废水处理工艺中亟待解决的问题。　　外源保护剂是一类可以缓解高盐胁迫的物质，本研究首先评价了高盐条件下盐度对厌氧生物处理系统的影响，探究微生物对氯化钾及甘氨酸甜菜碱这两种外源保护剂的响应。为了减少生物处理中污泥流失及提高含盐有机废水的厌氧处理效率，构建了以陶瓷膜为核心的厌氧膜生物反应器（AnMBR），探究氯化钠浓度从0、5、10、20g/L逐步提高对有机物去除和膜污染的影响，分析梯度提高盐度对微生物群落演替造成的影响。此外，还根据AnMBR处理高盐印染废水的运行数据，基于Adaboost算法构建出水COD的预测模型的可行性进行研究。主要研究结果如下：　　（1）通过对30g/L盐度下外源保护剂对厌氧过程的影响研究发现，甘氨酸甜菜碱能够提升厌氧过程，而添加氯化钾对厌氧过程的促进作用有限。在有机物去除方面，添加甘氨酸甜菜碱促进了高盐胁迫下厌氧体系中乙酸的降解及抑制丁酸的累积，加快了产甲烷阶段进行，甲烷产量提高了262%。甜菜碱的添加有效减缓了盐胁迫对厌氧过程的不利影响，可能是由于在高盐胁迫作用下，甜菜碱会促进厌氧反应初期微生物产生胞外聚合物（EPS）的升高以抵御环境作用，其最高浓度达到21.8mg/gMLSS。　　（2）通过对比投加30g/L盐和添加甘氨酸甜菜碱和氯化钾后厌氧污泥的脱氢酶活性（ETS）、乳酸脱氢酶（LDH）和活死细胞比例可知，添加甘氨酸甜菜碱外源保护剂有助于提高细胞电子传递，维持细胞膜完整以保持较好的厌氧处理能力，并且提高了活细胞的比例。微生物群落分析发现甘氨酸甜菜碱的添加促进了群落中产生内孢子的Firmicutes以及产甲烷菌属Methanosarcina、Methanobacterium丰度增加，提高了高盐环境下微生物厌氧消化的能力。　　（3）通过逐步提高盐度的方式，探究AnMBR对不同盐度含偶氮的印染废水的处理效能的影响，结果表明COD去除率随盐度的升高逐步受到抑制，降解率从92%下降到78%，而甲基橙的去除率则均在90%以上。此外，盐度的升高还会促进微生物产生可溶性微生物产物（SMP）的分泌，尤其是大分子（＞0.45μm）蛋白质的分泌，从而加速膜污染。　　（4）盐度增加降低了AnMBR中微生物群落丰度与多样性，门水平下与膜污染有关的Proteobacteria与Chloroflexi菌的丰度随盐胁迫的增加而不断增加，是影响TMP变化的主要原因。当盐度高于10g/L时，属水平下与有机物降解有关的Trichococcus的丰度随盐度的增加而减少，揭示了COD随盐度增加而逐渐降低的原因。　　（5）基于Adaboost算法，根据AnMBR运行的39组数据，成功构建了一种能够根据不同的进水条件预测出水COD的机器学习回归模型，该模型的预测值与真实值相比，预测效果较好（R2=0.87）。

关键词： 厌氧膜生物反应器   城市污水   低温   COD平衡   生物炭  

摘要： 随着我国城市化进程的快速推进,城市污水排放量逐年增加。传统的污水处理工艺存在能耗高、污泥产量大、温室气体排放量大等问题。厌氧发酵技术在解决传统工艺问题的同时,也面临着厌氧微生物保留能力差这一困难。如果将厌氧发酵技术与膜分离技术相结合构成厌氧膜生物反应器(AnMBR),即可通过膜组件的高效截留作用保留厌氧微生物,实现水力停留时间(HRT)与污泥停留时间(SRT)的分离,达到良好的运行效能。但是在生物处理工艺实际运行过程中,往往会受到季节性温度变化的影响,造成处理效果出现波动。就AnMBR而言,温度变化一方面会影响微生物活性,另一方面会改变污泥混合液性质从而影响膜污染特性。基于此,本研究考察了三种典型温度(25℃、20℃、15℃)对AnMBR长期处理实际城市污水效能的影响,结合活性实验、高通量测序、膜阻力实验以及COD平衡分析,探究了不同温度条件对AnMBR微生物活性以及群落变化、膜污染情况和COD转化路径的影响,在此基础上提出了生物炭强化AnMBR低温运行效果的调控策略。得到以下主要结论:(1)考察了AnMBR在三种温度(25℃、20℃、15℃),以及同一温度下不同工况(HRT 12h、HRT 8h)的运行效果,结果表明随着温度的降低,甲烷产率及COD去除率从0.20 LCH/g COD、81.18%(25℃),降至0.07 LCH/g COD、73.56%(15℃);通过COD平衡分析可知,15℃相较于25℃的COD转化为溶解性甲烷含量增加9.8%,沼气含量减少38.7%,出水增加7.3%,污泥产量增加20%,表明15℃时处理实际城市污水的降解能力较低。在25℃和20℃条件下,HRT缩短(有机负荷从0.61 g COD/L/d增至1.01 g COD/L/d)强化了运行性能,15℃低温下提升负荷反而对厌氧发酵系统产生了抑制,说明较长的HRT能够一定程度缓解低温下较差的运行效能。(2)乙酸钠和H/CO为基质的比产甲烷活性实验结果表明,25℃反应器内污泥的乙酸钠和H/CO活性分别为0.29、0.12 g COD/g VSS-day;随着温度降低,乙酸钠和H/CO活性分别降低了41.3%、9.1%(20℃)和60.1%、52.9%(15℃);乙酸营养型产甲烷菌甲烷丝菌(Methanothrix)相对丰度分别为58.94%、58.35%、50.67%,氢营养型产甲烷菌甲烷细菌属(Methanobacterium)相对丰度分别为4.12%、5.37%、10.84%,Smithella菌属与氢营养型产甲烷菌具有协同作用,但相对丰度较低,三种运行温度下,甲烷化均以乙酸路径为主,H/CO路径为辅。厌氧绳菌属(Anaerolineaceae)相对丰度分别为38.83%、22.10%、9.84%,在25℃及20℃条件下相对丰度更高,说明降解蛋白质及碳水化合物能力更强,因此对于有机物的降解率更高。(3)比较膜污染速率可知,相同工况下25℃时的膜污染速率为0.05 kPa/d,20℃和15℃时的膜污染速率分别加快了2.2倍、5.8倍;相较于25℃膜阻力分布,15℃膜孔内有机物阻力(R)显著增加19.3%,泥饼层阻力(R)减少19.5%;其主要原因是温度下降后,微生物为了抵抗外界环境的改变,将会分泌出更多的胞外物质。溶解性微生物代谢产物(SMP)以及胞外聚合物(EPS)总含量分别增加61.9%、56.2%,且荧光峰更强,高激发波长类色氨酸占主导地位也是导致膜污染速率加快的原因之一,15℃污染膜组件泥饼层含量减少,对应原子力显微镜观察膜表面相对粗糙度较低(64.4 nm)。(4)为改善低温条件下AnMBR运行效果,本研究将生物炭投加至系统(投加量为5g/L),结果表明,生物炭的投加使COD去除率提高7.3%,乙酸钠活性提高1.05倍,H/CO活性提高1.24倍,膜污染速率从2.97 kPa/d减缓至1.05 kPa/d,污泥混合液中SMP及EPS总含量分别减少27.6%、16.1%;由于生物炭为厌氧微生物提供了良好的富集环境,促进直接种间电子传递(DIET)过程;同时生物炭通过对膜表面的冲刷作用以及吸附作用一定程度上能够缓解膜污染,AnMBR运行效果得到改善。

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

摘要： 近年来,我国餐厨垃圾的产量不断增加,在能源回收需求驱动下,厌氧发酵成为餐厨垃圾能源化的主流技术。传统完全混合式的发酵系统在水力停留时间(HRT)较低情况下易造成功能微生物流失,影响沼气产量。将厌氧发酵与膜过滤结合的厌氧膜生物反应器(AnMBR),能够通过HRT和污泥停留时间(SRT)的有效解耦,实现功能微生物的高效截留,从而为高效的能源回收提供可能。但是,对于餐厨垃圾等高含固废弃物,目前的研究多采用每天一次或几次的低频进料方式,极易造成高负荷条件下进料冲击过大,加剧产酸和产甲烷的不平衡,导致甲烷转化效率下降,甚至酸败。此外,低频的进料方式由于其较大的冲击负荷还可能对膜污染速率造成影响。因此,本研究提出了基于高频进料以缓解负荷冲击从而提升AnMBR处理餐厨垃圾效能的技术思路。研究了0.25小时一次、0.5小时一次、1小时一次和2小时一次的4种进料频率下AnMBR运行效率和稳定性的变化,解析了高频进料下AnMBR的膜污染特性;同时,分析了高频进料下AnMBR系统中的生化动力学特性和微生物演变规律,最终提出了基于高频进料的AnMBR系统构建思路。主要结论如下:(1)AnMBR稳定运行至有机负荷(OLR)为5.34g COD/(L·d)(HRT15天,SRT 37.5天)时,进料频率从0.25小时一次逐渐减少至2小时一次。各项指标的测定结果表明,随着进料频率的降低,甲烷发酵性能变化较小,仅在进料频率2小时一次时出现轻微抑制现象。但系统稳定性和大分子有机物的去除能力随着进料频率的减少而明显降低。反应器对蛋白类物质的去除率从98.11%逐渐降低至94.65%;COD去除率从97.30%逐渐减少至90.37%。同时VFAs的浓度不断升高,p H从7.70逐渐降低至6.96,体系内总碱度和出水氨氮浓度也持续减少,缓冲能力下降。至进料频率2小时1次时,TVFA的值达到1.67g COD/L,丙酸/乙酸比骤升至1.17,碳酸氢盐碱度/总碱度降低至0.59,VFA/碱度比增长至0.42,此时发酵系统稳定性较差,抗酸化能力较低。(2)AnMBR跨膜压差(TMP)的连续监测结果表明,OLR为5.34g COD/(L·d)(HRT15天)时,膜污染速率比随着进料频率的降低而明显增加,至进料频率2小时一次时,膜污染速率进入快速增长阶段,d TMP/dt的值达到1.23k Pa/d。这可能是因为随着进料频率的降低,瞬时负荷增加,混合液中有机物浓度快速增高,截留的大分子蛋白类物质变多。此外,通过对膜表面污染层的分析,可以发现AnMBR的膜表面污染层主要由较多的蛋白质和少量腐殖酸以及其他有机酸组成,污染膜表面存在较大的污泥颗粒,粗糙度达93.4nm。(3)通过计算不同进料频率下AnMBR的四阶段转化率(包括水解率、酸化率、乙酸化率、甲烷化率)可以看出,OLR为5.34g COD/(L·d)时,进料频率的降低与酸化率和甲烷化率的差值呈明显的相关关系。进料频率从0.25小时一次降低至1小时一次时,这两者的速率差从0.046逐渐增加至0.128,随着进料频率进一步降低至2小时一次,酸化率和甲烷化率的差值增加至0.172,同时甲烷化率从0.840迅速降低至0.746。说明此时基质在酸化过程中产生的VFAs已经无法被及时转化为甲烷,出现明显的VFAs积累,并且开始明显抑制甲烷化阶段的反应。(4)通过在不同工况下取AnMBR内污泥混合液进行VFAs甲烷化特性实验和比产甲烷活性实验发现,OLR为5.34g COD/(L·d),进料频率为0.25小时一次时,反应器对应的以乙酸、丙酸、丁酸为底物的比产甲烷活性均在8g COD/L浓度下取得最大值,其值分别为0.368、0.304、0.445 g COD/g VSS·d,其甲烷化速率较快且几乎没有延滞期,此时发酵系统内VFAs降解能力较强。进料频率降低至2小时一次后,以乙酸、丙酸、丁酸为底物比产甲烷活性均有所降低,其最大比产甲烷活性分别降低至0.263、0.249、0.339 g COD/g VSS·d,与此同时甲烷化速率降低,产甲烷延滞期明显增加。表明此时VFAs的甲烷化过程受到抑制,系统内VFAs无法被及时利用。此外,嗜氢活性结果表明,随着进料频率的降低,氢营养型产甲烷途径的微生物活性明显增强。(5)不同进料频率下微生物群落结构分析表明,OLR为5.34g COD/(L·d)(HRT15天)时,随着进料频率从0.25小时一次降低至2小时一次,促进VFAs的降解的互营氧化细菌Candidatus Cloacamonas菌的相对丰度从21.13%增加至32.7%,这是因为此时AnMBR内需要降解的VFAs浓度升高。能够降解大量单糖和多糖,同时产生乙酸盐、乙醇和丙酸盐的Defluviitoga菌的相对丰度从0.47%增加至32.04%

关键词： 膜光生物反应器   蛋白核小球藻   污水处理   深度脱氮   膜污染  

摘要： 针对城市化和工业化进程不断加快,工业、市政和农业废水排放量日益增加,导致出现的大范围水污染及水资源短缺的现状,利用微藻净化污水的同时回收生物质能源的能力,并结合膜生物反应器的高效截留优势,本研究采用微藻-膜光生物反应器(Membrane photo bioreactor,MPBR)对城市污水进行梯度处理与资源回收。利用MPBR对生活污水和二级出水分别进行了连续性实验,系统地研究了不同环境参数下,微藻生长、污染物去除和膜污染情况,评价MPBR工业化应用和规模化生产的可行性。铁添加对不同水力停留时间(Hydraulic retention time,HRT)条件下两个平行运行的MPBR污水处理效果的研究结果表明:铁添加提高了 MPBR微藻高密度集约化培养的能力,强化了微藻对污水中污染物质的吸收,同时能够缓解膜污染压力。在连续性实验中,当HRT为12 h时MPBR中最佳平均微藻生物量生产速率为266.04±36.89 mgL-1d-1,较未加铁对照组提升了 248%。铁对不同HRT条件下MPBR对不同营养物质去除的影响略有不同,具体表现为:对于COD,在运行全部阶段COD的去除效率均达到了 90%以上,排藻和缩短HRT均能提高COD的去除速率。HRT为12 h时,加铁膜光生物反应器的最大氨氮和总氮去除速率分别为21.27 mgL-1d-1和39.92 mgL-1d-1,比未加铁对照组分别提高了 36.0%和45.4%。通过对实验组和对照组连续实验时跨膜压差和悬浮液中可溶性藻产物(Soluble algal product,SAP)含量的测量可知,加铁能够减少悬浮液中SAP含量,进而缓解膜污染压力,减轻膜污染程度。不同HRT对MPBR处理二级出水的脱氮效果、膜污染及系统稳定性的影响研究表明:MPBR处理二次出水的最佳HRT为8 h。缩短HRT会增加膜通量,使悬浮液中的SAP更快地向膜迁移,加剧膜污染。但降低HRT可以提高系统的稳定性,降低悬浮液中的SAP含量和竞争菌,提高小球藻的生长速度,从而提高污染物的去除率。当MPBR反应器HRT为24 h时,藻类生物量产量为5.74～6.03 mgL-1d-1,MPBR反应器缩短至12 h和8 h,反应器内微藻产量分别增加至12.66～13.25 mgL-1d-1和19.69～20.57 mgL-1d-1。在整个运行时间内,MPBR对营养物的去除效果较好,出水氨氮和COD浓度较低。此外,HRT时间越长,营养物质去除效果越好,较长的保留时间有利于营养物质去除。结果表明:HRT为8 h时,总氮、氨氮和COD的去除速率最高,分别为19.7 mgL-1d-1、23.8 mgL-1d-1和105.4 mgL-1d-1。通过研究系统中微生物群落和细菌结构的动态变化可知,Gammaproteobacteria在所有处理中都是优势物种,其次是Bacteroidia。从功能预测来看,较低的HRT通过氮相关的功能菌的逐步淘汰降低了蛋白核小球藻生长的氮限制。综上所述,采用MPBR处理生活污水和二级出水具有较好的效果,通过调整HRT和投加铁等优化MPBR运行,可以提高其污水处理效果和系统稳定性,同时改善膜污染情况,从而进一步提高了 MPBR工业化应用和规模化生产的可行性。

关键词： 生物反应器   木片   反硝化   水质   稻壳  

摘要： 在过去几十年里,中国的农业生产得到了极大的发展。然而,由于管理不善,作物对于氮(N)和磷(P)的利用效率相对较低[1],农业氮磷流失过多,造成了一系列水环境污染问题[2],如地下水水质退化和地表水富营养化[3]。氮素循环(N)是一个日益重要的全球问题,因为流经生态系统的氮对陆地,水生态和大气环境具有多重影响。在农业系统中,超过植物和动物需求的氮可以渗入浅层地下水,最终通过集中或扩散排放进入地表水。农业系统中氮素的集中排放通过农田排水沟渠[4]扩散,污染源常常通过浅层地下水汇入地表水体。生物量中捕获的氮通过食物链最终进入生活污水排入地表水体。因此,迫切需要寻找一种经济、环保的技术来减少这些氮素流失对水体的负面影响,以改善水环境和生态系统的状况。为了减少水环境中的氮负荷,正在实施几种策略。先进的技术已被开发用于去除废水中的氮,并用于市政污水处理厂和化粪池系统[5]。在农业生态系统中,人们提出了许多土地管理方法来减少氮损失,例如提高作物的氮利用效率,通过土壤测试,土地管理计划,控制排水和反硝化生物反应器来管理氮输入[6,7]。将湿地和河岸缓冲区整合到农业景观中也被证明是减少地表水氮损失的一种潜在有效方法[8,9]。从陆地和水生生态系统中永久性去除氮的最广为人知的过程是异养反硝化,它使用碳(C)源作为电子供体并为生长[10,11]将硝酸盐(NO3)转化为N2气体。反硝化生物反应器是减少地下排水系统中硝酸盐的最佳管理实践之一。建造的环境有助于反硝化的生化过程,需要有效的碳,富含硝酸盐的水和厌氧环境。在这种厌氧环境中,异养细菌有机体从氧化离子化合物(即硝酸盐NO3-)中还原氮,通过从可用碳中提供的电子获得所需的能量,直到化合物完全还原为氮气(N2)[12]。反硝化生物反应器的不同物理形式包括反硝化壁,上流式生物反应器,流内生物反应器,反硝化层和反硝化床,世界各地的研究人员已经对其进行了现场测试[13]。反硝化生物反应器的类型取决于场地特征,成本要求,可用材料,排水面积和排水沟的大小。碳介质,地下温度和进水硝酸盐浓度等参数及其对硝酸盐还原的影响已相对较好地公布。(一)研究内容及技术路线氮素流失是一个日益重要的全球问题,因为流经生态系统的氮对陆地,水生和大气环境具有多重影响。在农业系统中,超过植物和动物需求的氮可以渗入浅层地下水,最终通过集中或扩散排放进入地表水。为了设计一种经济高效,环境友好的反硝化生物反应器,我们在控制条件下开展了实验室实验,在不同的水力停留时间下使用不同的进水浓度和不同的碳介质组合。在采样时进行现场测量,并使用紫外分光光度计测量硝酸盐浓度的变化。分析结果有助于了解各种参数对生物反应器性能的影响。本研究将作为研究生物反应器动力学的试点项目,并将展示在不同参数下反硝化生物反应器的机理。研究结果将被纳入生物反应器的设计中,并将有助于了解木屑和稻壳组合用作碳基质时的反硝化性能。通过增加实验持续时间,可以监测季节性温度对不同水力停留时间(HRT)下生物反应器去除硝酸盐效果的影响。具体目标包括:·不同碳介质反硝化生物反应器的水力传导率。·水力停留时间对不同碳介质生物反应器脱氮的影响。·环境因素对不同碳介质生物反应器脱氮的影响。图1研究路线简图本研究采用实验室试验方法,在不同控制条件下测试生物反应器填充介质的水力特性和生物反应器的硝酸盐去除率。本研究的技术路线可通过图1显示的流程图来描述。为了探索生物反应器对硝酸盐氮的去除机理及其性能的影响因素,本研究主要采用了实验室试验。本试验主要包括生物反应器在动态水条件下的实验研究。(二)实验装置和数据分析方法利用反硝化生物反应器对农田排水进行反硝化,将农田排水中的硝态氮(NO3-N)转化为惰性气态氮(N2)。这一过程是在农田排水排入周围水体之前利用微生物完成的,以便去除水体中的硝酸盐氮。这可以大大降低水体生态氮负荷,控制农业面源污染。反硝化作用是在微生物作用下,将土壤中的硝态氮(NO3-N)还原为(N2)的主要途径之一。反硝化需要氮氧化物(NO3-,NO2-)作为电子受体,反硝化细菌,碳源和合适的溶解氧条件。方程式(a)是该过程中涉及的主要反应。5C+4NO3-+2H2O→2N2+4HCO3-+CO2(1)动态水试验由以下装置进行。首先,使用“KN03”在供水罐中制备相应浓度的硝酸钾溶液(1,5,15mg/L),并在供水装置上安装一个上水位传感探头和一个下水位传感探头。供水装置连续向定水头装置供水,定水头装置自下而上连续向五个生物反应器塔供水,多余的水排回给水箱。每根柱子由树脂玻璃制成,内径10厘米,柱长30厘米。反应塔出口与蠕动泵相连,以控制流速。当供水装置的水位低于下水位探头时,水泵开始工作,直到水位高于上水位探头。在3种不同进水浓度(1,5,15mg/L)下测试了 4h,8h和12h的水