课程文献中心 更多>>

关键词： 膜污染控制   UASB   光催化   臭氧   紫外线   印染废水   陶瓷膜   DOM  

摘要： 微生物群体感应(QS)诱导膜表面形成生物膜,导致严重的膜生物污染,这是膜反应器应用于废水处理中的主要瓶颈。本文研究了光催化及UV/O两种原位高级氧化膜污染控制技术,用于外置式膜生物反应器的膜污染控制及废水的深度处理。实验分为两个阶段:(一)紫外光催化阶段:将纳米Ti O固定在由聚砜-海藻酸构建的聚合物载体内,制备形成多孔光催化珠。在上流式厌氧污泥床-光催化膜反应器(UASB-PMR)系统和在陶瓷膜反应器(CMR)中,分别利用合成废水和实际印染废水研究不同光照条件下的膜污染控制性能;(二)紫外/臭氧阶段:在UASB-CMR中,利用实际印染废水研究了原位紫外和(或)臭氧的膜污染控制和废水深度处理性能,探究了印染废水中溶解性有机质(DOM)的转化机制。主要结果如下:1、在紫外灯间歇开启的条件下(17%的时间开启紫外灯),膜污染时间为19.1±2.4天,比紫外光解模式的时间(2.7±1.0天)延长7倍,膜污染控制性能显著。激光扫描共聚焦显微镜(CLSM)和扫描电子显微镜(SEM)图像证实了紫外光催化对膜生物污染的高效抑制作用。2、由紫外光激发Ti O产生的活性氧(ROS)不仅能氧化膜表面的有机污染物,而且还能猝灭QS信号分子????N-酰基高丝氨酸内酯(AHLs),减少生物膜的形成。此外,紫外光催化处理具有高效的消毒功能,能使废水中的微生物灭活,从而最大程度地延缓了膜污染。3、原位臭氧(O)在陶瓷膜光反应器中显示了很强的脱色能力,但随着臭氧剂量的增加,膜污染速率随之增加。连续的紫外光(254nm)照射将膜污染时间延迟了16倍,展现了优异的膜污染控制性能,但出水的COD有所增加。而间歇式(15分钟开启:15分钟关闭)同步紫外光照射和臭氧氧化(UV/O)则具有显著的膜污染控制和深度处理协同效应:与单独应用UV或O相比膜污染速率分别降低了2.95倍和10.13倍,色度去除率高达94%。4、通过CLSM观察发现,蛋白质是O作用下的主要膜污染物,而在UV处理条件下,多糖在膜污染物中占主导。紫外-可见光谱和三维荧光光谱(EEM)分析表明,UV/O表现出最佳的UV和UV吸光度降解率及荧光DOM降解率,证实了紫外线和臭氧在废水深度处理方面的协同效应。本研究为外置式膜生物反应器(MBR)处理纺织印染等工业废水提供了新的思路,对降低MBR膜污染控制成本、提高废水深度处理效率具有重要意义。

关键词： 对虾抗菌肽   抗菌肽   转基因水稻   转基因作物  

摘要： 抗生素的发现为人类的健康作出了伟大贡献,但是伴随抗生素的滥用带来的“超级细菌”、水体污染等问题同时困扰着人类。抗菌肽因其具有抗菌谱广泛、热稳定性高、无耐药性、无残留不易富集等优点而成为抗生素的良好替代品。但是在实际生产应用中,抗菌肽的提取工艺复杂、生产成本高,产量难以满足食品、饲料加工业以及养殖业的需求。对虾抗菌肽是无脊椎动物特有的内源性抗菌物质,它的发现为水产生物的饲养提供了一条崭新的思路。本研究旨在通过水稻种子植物生物反应器方式尝试对虾抗菌肽的廉价生产,以解决上述需求。为了实现这一目的首先利用生物信息学手段通过对水稻种子中重要储藏蛋白Gliadin的基因家族成员的挖掘与分析,获得了具有水稻种子组织特异性高转录水稻潜力的启动子序列Pos G2(Os05t0329350-00基因启动子)及其驱动报告基因(GUS)的植物表达载体p G2M3301。然后将能够同时表达四种抗菌肽的人工编码基因PEN1234插入改造后的植物表达载体p G2M3301中,并成功构建其植物表达载体p G2M3301-PEN1234。最后通过农杆菌介导的水稻遗传转化、除草剂筛选、分子检测以及活性分析,最终获得了能高效表达的转基因水稻株系Pen Os017。其种子中Penaeidin 1、Pen2-1、Penaeidin 3和Pen4-1的含量约为251～300μg/g*FW,这使得该水稻转基因系具有商业应用潜力。而对转基因种子进行抗菌肽活性鉴定后发现,其在各种储藏条件下均可以保持较好的抗菌肽活性,即使在热水中煮沸种子后,种子中的对虾抗菌肽仍然能够保持着显著抑制耐甲氧西林金黄色葡萄球菌生长的抑菌活性。本研究结果表明,利用水稻种子生物反应器表达对虾抗菌肽可以避免昂贵的生产成本,可以将其直接作为无抗生素食品和饲料的理想候选原料。

关键词： 菌藻共生   营养去除   光生物反应器   垃圾渗滤液  

摘要： 垃圾填埋导致大量垃圾渗滤液的产生。其含有较高浓度的COD、氮磷、重金属等复杂的污染物,未经适当处理而排放可能会导致水体富营养化。但渗滤液具有作为微藻培养介质的内在价值,微藻能够以垃圾渗滤液为营养源,为其生长提供充分的养分,同化无机物(氮、磷等)产生基于微藻的生物资源产品,同时实现渗滤液修复和生物资源生成。基于细菌和微藻协同作用的菌藻共生技术,通过菌藻之间的气体交换、代谢互补和物质循环,弥补了微藻工艺处理污水沉降性能差、影响出水水质的不足,被认为是一种缓解渗滤液污染和能源危机绿色有效的方法。本文利用生活污水稀释垃圾渗滤液以节约淡水资源和补充磷元素,并依次提高垃圾渗滤液比例,将微藻的光合作用与SBR系统耦合处理稀释后的渗滤液。首先以静态试验的方式探究了菌藻接种比例对系统的影响;随后构建菌藻共生光生物反应器(PBR),通过优化参数(曝气量、光照)以提高污水处理效能,考察藻菌协同处理渗滤液的效果;最后基于以上参数条件的优化,将反应器Rc只接种活性污泥并控制光照促进藻类的自发生长,将反应器Rs接种活性污泥和小球藻。考察两种不同接种条件的反应器长期运行效果。主要结论如下:(1)在4:1(藻类/污泥)培养观察到最高污染物去除效率,(COD)96.5%、(NH-N)97.4%和(PO-P)92.3%。促进了菌藻协同生长,总生物量浓度为2.32g·L。同时污泥有助于提高生物量的沉降性,降低出水浊度。(2)在曝气量为0.6L/min时污染物去除效果最好,去除率分别为(COD)72.7%、(NH-N)78.3%和(PO-P)62.5%。并且发现在较低的曝气量下,菌藻系统的协同优势更加明显,但出水叶绿素含量高影响反应器稳定性。而较高的曝气量打破了菌藻之间的协同与平衡,导致Chl-a/TSS比值降低。在光强为108μmol·m·s时,达到了(COD)82.6%、(NH-N)84.9%、(PO-P)75.9%的最大污染物去除率。同时发现了光照时间至24h并不能促使微藻光合作用代替外加曝气,相反去除效果有所下降。相比于活性污泥反应器,菌藻反应器的去除率和稳定性更高。(3)Rs系统的处理效果达到了《生活垃圾填埋场污染控制标准》,平均容积负荷为36.22mg·L·h(COD)、8.53mg·L·h(NH-N)、0.44mg·L·h(PO-P),Rc性能不及Rs。两者最终形成的菌藻生物量、群落结构也有明显差异,这是导致两者处理效果不同的主要原因。综上,通过构建适宜菌藻共生的生长环境,实现菌藻共生关系的建立和菌藻共生絮体的形成,从而实现碳氮磷强化降解和系统的稳定运行。为实现高效低耗绿色生物法处理垃圾渗滤液提供新的思路。

关键词： 冈比亚藻   聚醚类毒素   雪卡毒素中毒   光生物反应器   转录组  

摘要： 冈比亚藻（Gambierdiscus）是一种广泛分布于全球热带和亚热带海洋的底栖甲藻,来自该属的许多种类可合成和生产高毒性的梯形聚醚类神经毒素,俗称雪卡毒素,随食物链富集进而引发人体中毒,威胁到人类的健康。冈比亚藻引发的雪卡毒素中毒是世界范围内与鱼类消费密切相关的最严重的海产品传播疾病之一。近几十年来,由于人类活动和全球气候变化,雪卡毒素中毒事件发生的概率和地理分布显著增加,这引起了人们对雪卡毒素引发的人类疾病、公共健康及经济损失的高度关注。冈比亚藻及其毒素已成为全球关注的焦点。但是由于冈比亚藻难于人工培养、毒素标准品制备困难,全基因组信息缺乏等原因,目前对冈比亚藻生理代谢特性及产毒机制的了解非常有限。 本研究以冈比亚藻（Gambierdiscus caribaeus）为研究对象,设计了适用于冈比亚藻培养的高效光生物反应器,构建了冈比亚藻的规模化培养体系。同时,综合运用生理生态学、分子生物学和转录组学等方法,比较研究了有毒和无毒***指数和平台期细胞的基因表达模式及其异同,重点研究了与冈比亚藻毒素合成密切相关的潜在基因及生物学过程,探究了冈比亚藻聚醚类毒素合成的分子机制。论文取得的主要结果如下: （1）设计了一款适用于培养底栖甲藻—冈比亚藻的插板式抽屉型光生物反应器,并优化了培养条件,构建了冈比亚藻的规模化连续培养体系。冈比亚藻插板式抽屉型光生物反应器包括内侧壁竖向设置光源、底部设置移动轮的培养箱以及可置于培养箱内的透明亚克力材质的培养柜,培养柜设有多层培养抽屉,每个培养抽屉均设有外把手和排液阀。整体采用立体式抽屉型的结构,可有效增加底表面积以适应冈比亚藻的附着生长特性,大幅提高培养效率。同时培养柜为全透明亚格力材质,在保持其透光的情况下尽可能减轻重量。该光生物反应器可灵活调节冈比亚藻的培养温度、培养基添加比例、光照条件等参数以适合不同种冈比亚藻的生境需求,从而获得较高的培养密度。通过比较研究筛选出光生物反应器中***培养最适培养温度为25℃,最适的L1培养基与灭菌海水的比例为1:900,最适光照强度在45～70 μmol photons/m2/s间。 （2）相同培养条件下***有毒株细胞比无毒株细胞生长速率更快,但随着培养时间的推延,有毒株细胞的光系统Ⅱ最大光化学效率较无毒株更早呈现下降趋势。同时发现不论在指数生长期还是平台期有毒株藻细胞中叶绿素a含量均高于无毒株。转录组测序共组装得到88,839个Unigenes,相比于无毒株平台期组（NTS）,有毒株平台期组（TS）中4,593个基因表达显著上调,1,937个基因表达显著下调;与无毒株指数生长期组（NTE）相比,有毒株指数生长期组（TE）中1,406个基因表达显著上调,1,331个基因表达显著下调;有毒株平台期组（TS）与指数生长期组（TE）相比,差异基因总数为5,579个,其中2,337个基因表达显著上调,3,242个基因表达显著下调。上述差异表达基因主要参与卟啉和叶绿素代谢、光合作用、糖类代谢、细胞生长、氮代谢、信号传导和氨基酸代谢等生物学过程。 （3）***有毒株细胞中显著上调的基因主要参与TCA循环、磷酸戊糖途径、氧化磷酸化和氨基酸代谢等过程,推测有毒株细胞可能生产更多的能量和还原力（NADPH）用于支持细胞生长和毒素合成。同时有毒株中部分与光合作用中光反应和卡尔文循环调控相关基因的表达显著下调,而与ATP合成酶和叶绿素a的合成的相关编码基因的表达则显著上调,推测有毒株细胞中光合作用生产的部分能量可用于毒素的合成,聚醚类毒素可能为冈比亚藻细胞光合作用的副产物。此外相较于指数生长期,有毒株平台期细胞主要下调了糖酵解、氮同化与利用、碳固定、细胞周期调控、钙离子信号传导及热休克蛋白等编码基因的表达水平,上调了谷胱甘肽S-转移酶编码基因的表达水平,表明平台期细胞对营养物质的吸收利用能力下降,调控细胞周期的编码基因低水平表达导致了细胞数目增长停滞。钙离子信号传导能力减弱以及热休克蛋白低表达可能是导致平台期细胞活力显著降低的原因之一,谷胱甘肽S-转移酶的高表达可能是有毒冈比亚藻细胞的一种保护机制,以保证细胞不受其自身合成的聚醚类毒素的毒性作用。 （4）本研究共鉴定到17个PKS基因,其中11个在有毒株中表达上调,Ⅰ型PKS基因表达均显著上调。此外,与烷基化、碳删除、醚环形成的相关基因SAM、HMG盒蛋白、黄素单加氧酶以及三种类型环氧化酶的表达均在有毒株中均显著上调,推测上述基因与冈比亚藻中聚醚类毒素的生物合成密切相关。同时发现有毒株中参与脂肪酸降解途径的各种酶的编码基因的表达显著上调,而参与脂肪酸合成途径相关酶的编码基因表达未呈现相同的变化趋势。此外有毒株中磷酸戊糖通路显著上调,表明细胞合成代谢旺盛,推

关键词： 家蚕   人源NT-4蛋白   遗传改良   生物反应器   蚕丝材料  

摘要： 种桑养蚕在我国有悠久的历史,该产业一直都在我国农业经济中占有较大比重。家蚕(Bombyx mori)经济作用的存在主要源于家蚕丝腺,该器官是家蚕大量合成丝蛋白来吐丝营茧的场所。随着家蚕基因组图谱的绘制完成,家蚕丝腺蚕丝蛋白的化学组成结构与合成分泌机理也被进一步研究。近年来,以家蚕丝腺为核心的生物反应器的遗传改良工艺技术得到进一步发展,成功地生产出了许多富有生物学活性的功能性外源蛋白,并衍生出将蚕丝蛋白与丝腺表达外源蛋白相结合构建功能型蚕丝的新研究方向,这不仅为蚕桑产业带来了新方向,也扩展了蚕丝的应用领域。为了更好利用家蚕丝腺生物反应器,本研究在丝腺中重组表达了具有生物活性的人源神经营养因子-4(Human neurotrophic factor-4,NT-4),创制出了具有促细胞黏附与增殖分化作用的新型蚕丝水凝胶。主要研究结果如下:1.家蚕丝腺表达NT-4家蚕品系的获得与分子检测NT-4是神经营养因子家族的一员,在生物体发育过程中具有调控神经元的生长和生存,并维持成年神经元存活,促进受损轴突损伤后再生等功能。本研究通过人工合成NT-4基因并构建在家蚕丝腺中、后部特异性表达NT-4蛋白的转基因载体,将这两种载体显微注射入家蚕胚胎中,通过荧光筛选得到转基因品系;基因组PCR与实时荧光定量结果表明,NT-4基因己成功插入家蚕基因组当中并发生转录;WB实验成功检测到重组蛋白的表达;将转基因家蚕与872实用种杂交,获得的杂交蚕茧中外源蛋白表达量提高了两倍。2.转基因家蚕蚕茧中NT-4蛋白的生物活性检测NT-4蛋白具有促进神经细胞增殖与调节细胞分化的活性,为了验证家蚕表达NT-4蛋白的生物活性,对转基因蚕茧中NT-4蛋白进行提取及蛋白活性检测。研究结果显示:采用表达NT-4蛋白的家蚕蚕茧提取液培养新鲜取材获得的鸡胚背根神经节(DRG)24 h,与野生型蚕茧提取液相比,重组NT-4蛋白可以有效促进DRG细胞向外迁出;NT-4家蚕蚕茧提取液培养小鼠海马神经元前体细胞(HT22细胞)48 h,与对照组相比,重组蛋白NT-4可以有效促进HT22细胞向神经类细胞分化,以及促进髓鞘相关基因的表达;另外进行CCK-8细胞增殖检测与Ed U染色实验,结果表明NT-4能够有效促进HT22细胞增殖。3.家蚕表达NT-4蚕丝材料的构建与功能研究神经干细胞等神经类细胞在体外培养时会出现细胞增殖活性低、细胞黏附性差等问题,而NT-4蛋白可促进神经细胞增殖以及蚕丝蛋白可增加细胞黏附性,本研究将二者结合起来构建功能性蚕丝材料。研究结果显示:通过提取上蔟期家蚕丝腺腔内容物,溶解内容物获得丝素-丝胶再生溶液,并在4℃静置形成自组装水凝胶,将HT22细胞接种于丝素-丝胶水凝胶上培养,与普通细胞培养板相比,丝素-丝胶水凝胶可有效促进HT22细胞黏附;利用CCK-8试剂盒检测细胞增殖,结果显示,含NT-4蛋白的水凝胶可以促进HT22细胞增殖;Q-PCR检测HT22细胞髓鞘相关基因,含NT-4蛋白水凝胶显著上调HT22细胞髓鞘相关基因表达,表明含NT-4蛋白蚕丝材料可促进细胞分化。综上所述,本研究通过利用本实验室现有家蚕转基因技术与丝腺表达系统,构建出可以在中、后部丝腺表达具有生物活性NT-4蛋白的转基因家蚕品系,通过直接利用家蚕丝腺腔内容物提取获得含NT-4蛋白的蚕丝溶液,构建了可促进HT22细胞增殖、分化的丝素-丝胶自组装水凝胶。合理利用与改进该新型蚕丝材料,有望低成本制备促进神经类细胞增殖与神经损伤修复的再生蚕丝材料,从而应用于神经组织工程领域,具有较大应用价值。

关键词： 气-液-固三相流   膜生物反应器   计算流体力学   污泥沉降  

摘要： 膜生物反应器（MBR,Membrane bioreactor）是一种新型污水处理系统,具有优质稳定的出水、较小的占地面积、处理效果好等优势,在污水处理领域得到了广泛的应用,但是在处理污水的过程中存在着膜污染、能耗高等问题,一定程度上限制了MBR的发展。计算流体力学（CFD,Computational Fluid Dynamics）方法能与理论、实验相结合,可以描述反应器的流体力学特性,探究操作参数、结构参数等对反应器的影响,大大降低了实验成本,提高了工作效率。因此,本论文采用CFD技术对曝气膜生物反应器进行模拟,对反应器内流体力学特性进行分析。首先对二维、内有三根纤维膜束的曝气膜生物反应器进行气-液两相流模拟。随着气泡直径的增大,气体通过反应器中膜束部分的时间变长,但对气体分布影响不大;气泡直径的增加使液速增大,加强了气液混合。随着曝气速度的增大,反应器内水流速度增大,进一步促进空气在膜生物反应器内的扩散,但过大的进气速率并不能更有效的强化反应器内的流动和混合。随着膜束长度增加,反应器上部的气含率明显上升,膜束太长会导致气含率降低,综合考虑,纤维膜束的长度在70mm较佳,有助于气体与液体充分接触,提高气体利用效率。其次,对三维膜生物反应器中的气-液两相流进行模拟,液体为水与污泥组成的混合物。文献中从层流模拟开始,逐步添加模型,多次计算得到结果。本论文一次性将湍流模型、非牛顿流体、多孔介质模型等纳入到气-液两相流的模拟中,计算结果与文献结果基本一致,并大大缩短了计算时间。模拟还探究了不同的进气速度以及气泡大小对流场的影响,得到较优的操作条件。结果表明,随着曝气速度的增加,膜单元内气含率明显增加,反应器顶部气体的聚集也更加严重,大量的气体未经过反应器内的循环就被排出。在研究范围内,曝气速度为3m/s时,可最大程度减少气体的浪费,提高曝气效率。随着气泡直径的增加,膜单元上方的液体速度先增加后减小,在气泡直径为6mm时,膜单元上方和膜单元外的液体平均流速均最大。综合考虑,在气泡直径为6mm时,曝气效率最高,膜单元能更好地发挥作用,处理效果加强。最后,利用CFD首次对MBR中的气-水-污泥三相流动进行了模拟,首次将污泥作为单独的一相处理,模拟得到了污泥在MBR内的流动和沉降特性。污泥相的引入,使三相模拟中液体的流动跟气-液（污泥水的混合物）两相模拟中的明显不同:三相模拟中,部分液体会绕过膜单元向上流走,而不是跟两相流一样流入膜单元;膜单元内外区域液体速度有着明显差异,而两相流中膜单元内外速度差别不大。随着曝气气泡直径增大,液体进入膜单元的流速会减小,增大污泥沉积的可能性。本文研究范围内,气泡4-6mm,曝气面宽度为2mm时,出现膜污染的可能性较低,曝气效率较高,有利于膜生物反应器的稳定运行。曝气面与膜单元的距离适当增大,绕过膜单元向上流走的液体会增多,带走的污泥也增多,膜污染的可能性会变小,结合低速区分析,文中曝气面初始位置产生污染的可能性最小。本论文采用欧拉多相流模型,结合湍流模型、非牛顿流体模型和多孔介质模型,分别对膜生物反应器中的气-液两相流和气-水-污泥三相流进行模拟,获得了反应器内的流场、污泥分布等流体力学特性,并从进气速度、气泡直径、曝气面积及曝气位置等方面分别对MBR内的流动进行分析,对结构进行优化,从而达到降低膜污染的风险、提高曝气效率及降低能耗的目的。

关键词： 硫酸盐还原菌   生物反应器   影响因素   微生物多样性   污水深度处理  

摘要： 我国北部地区砂岩铀矿酸法地浸开采已成为国内天然铀产品的主要来源。但是,地浸开采过程中注入硫酸导致矿区地下水发生硫酸盐污染,与开采前的背景值相比,地下水硫酸根浓度显著升高。因此,脱除地下水中的硫酸根成为矿区退役治理的关键难点。为获取具有实际应用价值的硫酸盐还原微生物反应器运行条件,本文以硫酸盐还原菌培养液模拟硫酸盐废水,通过硫酸盐还原微生物反应器进行接种培养、批次实验和连续运行,探究硫酸盐还原效果的影响因素、反应器内微生物群落、反应器出水深度处理等,确定了微生物反应器异位处理铀矿山地下水硫酸盐污染的可行性、稳定性和最佳条件,为后续修复酸法地浸采区的硫酸盐地下水污染的工业应用提供参考与依据。主要结论如下:（1）反应器在批次运行试验阶段,探究了不同种类填料和循环上升流速对硫酸盐还原效果的影响,得出海绵+K3混合填料、循环上升流速1.5 m/h条件下去除硫酸盐效果较好的试验结果;反应器连续运行方式上,对比水力停留时间（HRT）、进水SO42-浓度、进水COD/SO42-值对硫酸盐还原效果的影响,得出HRT=12 h、进水SO42-浓度0.8 g/L左右、C/S=2条件下能经济高效去除硫酸盐污染的结论;按最佳条件长期连续运行反应器104 d,可将SO42-浓度从进水0.8 g/L降低至0.1 g/L,SO42-去除率达到87.9%。但反应器处理性能受温度影响较大,30℃及其以上为最适温度,当温度降低时可动态延长水力停留时间使出水达标。（2）SEM图像、EDS和XRD等表征显示了海绵填料上生长菌群多为球状,K3填料上多分布短杆状细菌;随反应器深度增加,载体上的菌群与沉淀产物粘合越紧密,反应器内黑色沉淀为硫化亚铁和其他的铁的氧化物,且硫化亚铁多分布在K3填料;混合填料、反应器中下部群落丰富度更高;Tuzzerella、Lentimicrobium、Desulfovibrio是硫酸盐还原的优势菌属,反应器的硫酸盐还原能力是多种微生物协同作用的结果;长期连续培养后的反应器内的主要功能基因丰度、菌群活性和硫酸盐还原能力均高于短期接种培养的反应器。（3）硫酸盐反应器出水的黑色浑浊和高COD问题,可通过混凝沉淀和好氧曝气深度处理;混凝试验最佳条件为采用阳离子型PAM作为絮凝剂、PAC浓度为25 mg/L、PAM浓度为2 mg/L、快速搅拌转速100 r/min、慢速搅拌转速30 r/min;20天曝气COD从2.24 g/L降至0.34 g/L,COD去除率达84.8%,但还原产物会被重新氧化导致曝气过程SO42-浓度升高,需关注浓度变化并控制好曝气时间。

关键词： 膜生物反应器   膜污染   层层自组装   二氧化钛   氢氧化铁  

摘要： 膜生物反应器(MBR)将膜分离技术和活性污泥法有机结合起来,在水处理和回用领域受到广泛关注,被认为是具有良好的经济、社会和环境效益的节水技术。然而,膜污染问题始终是限制MBR发展应用的关键性难点,膜的表面改性可以实现对膜污染的有效控制。将改性膜应用在新型MBR系统中处理城市生活污水,可以得到品质更高的出水。采用静电层层自组装法将带正电的二氧化钛(TiO)和带负电的氢氧化铁(Fe(OH))交替沉积在磺化后的聚偏氟乙烯(PVDF)膜表面,制备PVDF/TiO-Fe(OH)改性膜。通过红外光谱仪、X射线衍射仪、能谱仪和扫描电子显微镜对PVDF膜和改性膜表面的化学组成和形貌进行表征,确定TiO和Fe(OH)被沉积在PVDF表面,并观察到改性膜的孔径逐渐减小,膜孔内存在颗粒物质。通过测定PVDF膜和改性膜的水接触角可以得知改性膜的亲水性均比原膜好,且接触角随着组装层数的增加逐渐减小。此外,采用终端过滤装置测定PVDF膜和改性膜的纯水通量和对牛血清蛋白(BSA)的抗污染性,结果显示水通量随组装层数增加呈现先增大后减小的趋势,抗污染性逐渐增大。以亚甲基蓝为目标污染物考察改性膜的光催化氧化效果,PVDF/6TiO-5Fe(OH)改性膜具有良好的光催化性能。综合具有不同组装层数的改性膜的亲水性能、抗污染性能和光催化性能,得出PVDF/6TiO-5Fe(OH)改性膜具有最佳的综合性能。以PVDF膜和PVDF/6TiO-5Fe(OH)改性膜为膜组件,分别构建移动床膜生物反应器(MBMBR)和具有紫外灯间歇照射的移动床膜生物反应器(MB-UVPMBR),考察MBMBR和MB-UVPMBR在相同运行条件下对城市生活污水的处理效果。两系统对有机物的去除效果优异,其中MB-UVPMBR对总有机碳(TOC)、化学需氧量(COD)去除率分别为96.66%、94.13%,高于MBMBR的95.37%、90.78%,表明TiO的光催化氧化作用协同微生物降解有机物的去除效果更好。对比MBMBR对氮和磷的去除效果,MB-UVPMBR中同样有提升。通过对比两系统对污染物的去除率可知,MB-UVPMBR对城市污水的处理效果更好,出水水质更高。两系统平行运行26天后,分别对MBMBR中的PVDF膜和MB-UVPMBR中的PVDF/6TiO-5Fe(OH)改性膜进行了膜阻力分析。结果显示PVDF的膜污染总阻力为11.25×10m,远高于MB-UVPMBR中的5.04×10m,且改性膜的各部分阻力均低于PVDF膜。改性膜的孔隙堵塞阻力占总阻力的比例从25.51%减小至21.23%,而改性膜的滤饼层阻力所占总阻力的比例从55.54%升高至62.30%,膜的不可逆阻力比例减小,可逆阻力比例增大,延长了膜的使用寿命。对膜进行扫描电镜表征发现PVDF膜上覆盖的污染层明显比改性膜更致密,所以膜表面TiO的氧化作用和Fe(OH)的絮凝作用能减少膜污染,增大膜通量。相同运行条件下,改性膜的膜污染速率比PVDF膜更慢,且改性膜清洗周期为PVDF膜的2.74倍,延长了清洗周期。清洗膜表面污染层后,改性膜的水通量恢复率为PVDF膜的1.72倍;紫外光照射后改性膜的通量恢复率提升达81.82%,而原膜几乎没有变化,说明改性膜具备一定的自清洁能力。因此,通过静电层层自组装法在膜上沉积TiO和Fe(OH)不仅能实现膜的功能化改性,还能有效缓解膜污染。

关键词： 农村生活污水   厌氧膜生物反应器   导电聚苯胺   膜污染   吸附  

摘要： 厌氧膜生物反应器（Anaerobic membrane bioreactor,AnMBR）作为厌氧处理技术与膜分离技术的耦合,同时集合两者的优点,具有污水处理效果好、占地面积小、适应性强、操作简单等优点,是一种高效处理农村生活污水的方法。但由于AnMBR中膜易被污染,由此带来的高运行成本限制了其实际应用。针对膜污染问题,本文通过向AnMBR中投加具有表面正电性的导电材料聚苯胺（Polyaniline,PANI）,来吸附减缓污水处理系统中蛋白质和多糖等有机物对膜的污染。考察了水力停留时间（Hydraulic retention time,HRT）和有机负荷率（Organic loading rate,OLR）等参数对AnMBR处理农村生活污水性能及膜污染情况的影响,解析了PANI材料对AnMBR膜污染特征的影响;考察了PANI材料吸附AnMBR反应器中典型大分子有机污染物的特征,为导电PANI强化AnMBR处理农村生活污水提供技术支持。构建了PANI强化的AnMBR系统,研究发现AnMBR可有效处理农村生活污水中的有机污染物,且投加PANI可明显降低AnMBR的跨膜压差,缓解膜污染。在不同的HRT（4 h、6 h、8 h）和OLR（2.7 kg/m/d、5.4 kg/m/d）条件下,AnMBR均可稳定运行,其内部p H在6.93-7.05中性范围内保持稳定,有利于厌氧生物降解有机污染物,出水COD浓度可达到32.04 mg/L。投加PANI材料的AnMBR中氧化还原电位更低,有利于有机物经厌氧生物转化为甲烷实现能源化。不同运行条件下PANI材料均可降低AnMBR的跨膜压差。这些说明导电PANI是一种有效地强化有机物的降解和缓解AnMBR膜污染的功能材料。投加导电PANI可明显影响AnMBR中微生物群落结构,PANI材料提高了厌氧污泥中Levilinea和Thermomarinilinea等菌属细菌及Methanobacterium等古菌的丰度,降低了氢营养型产甲烷菌丰度。同时也分析了AnMBR内上清液与膜组件污垢有机污染的特征,结果表明,反应器中上清液与膜组件污垢中蛋白质比多糖含量高,故蛋白质对膜结垢带来的威胁更大,且PANI对小分子胶体的荧光蛋白质具有明显的去除效果,投加PANI可减慢AnMBR中过滤膜表面滤饼层形成,从而实现缓解AnMBR膜污染的问题,可见PANI对AnMBR中有机物的吸附去除是缓解膜污染的关键。为了进一步理清导电PANI去除AnMBR中典型溶解性有机物的特征,本文采用静态实验的方法,考察了PANI基材料吸附蛋白质和多糖污染物的性能和特征。结果表明,PANI基材料对多糖和蛋白质均具有良好的吸附去除效果,去除率分别达到69.43%和65.25%。进一步考察了PANI材料吸附蛋白质和多糖过程的动力学和等温线特征,结果表明,PANI材料吸附蛋白质和多糖过程均符合一级动力学,且该过程采用更符合Langmuir等温线特征,PANI材料对蛋白质和多糖的最大吸附量分别可达到104.65 mg/g和196.85 mg/g。PANI材料具有正电性的表面,可通过静电吸引实现对污水中蛋白质和多糖的吸附去除,这是PANI去除蛋白质和多糖的主要机理。