不同处理方式污泥为燃料的微生物燃料电池特性研究

采用单室无膜悬浮阴极微生物燃料电池(MFC),对比分析了不同处理方式的污泥(直接污泥、微波预处理污泥和酶强化水解污泥)为燃料时MFC产电特性、污泥减量化效果和能源效率.研究表明,酶强化污泥为燃料的MFC(ESMFC)产电周期最长(41d),功率密度最大(775.21mW/m2),但库仑效率(CE)仅10.58%.采用微波污泥为燃料的MFC(MSMFC)CE最高(84.6%),而产电周期(30d)和功率密度(343.41mW/m2)居中.采用直接污泥为燃料的MFC(SMFC)产电周期(15d)、功率密度(294.53mW/m2)和CE(5.8%)均最小.采用直接污泥为燃料的MFC中TCOD去除率为26.2%,VSS去除率为32.5%.采用污泥预处理手段有利于促进污泥减量化,MSMFC和ESMFC中TCOD去除率分别增加到58.5%和63.2%,VSS去除率分别增加到73.9%和77.1%.     

以苯酚为燃料的微生物燃料电池产电特性

选取城市污水处理厂的好氧和厌氧混合污泥作为接种液,构建了双极室微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC),对以葡萄糖、葡萄糖和苯酚、苯酚为不同燃料的MFC进行了有机物降解和产能效果的研究.试验结果表明,以葡萄糖为单一燃料时MFC的启动时间最短,以苯酚为单一燃料时MFC启动时间最长.MFC在不同燃料来源条件下对苯酚去除率均大于85%,COD去除率超过80%.MFC的连续运行试验结果表明,在1000Ω外电阻条件下,以葡萄糖为单一燃料的MFC运行周期最长,可达400h,最大输出电压为551mV,功率密度为 121 mW·m-2(阳极);以葡萄糖和苯酚为混合燃料的MFC运行周期约200h,最大输出电压为208mV,功率密度为 16mW·m-2(阳极);而以苯酚为单一燃料的MFC运行周期仅约为100h,最大输出电压为121mV,功率密度为 6 mW·m-2(阳极).试验结果最终表明,MFC能够利用苯酚作为燃料,在实现高效降解的同时可稳定地向外输出电能,这为酚类难降解有机物的高效低耗处理提供了新的研究思路.     

微生物燃料电池处理苯酚废水运行条件研究

以传统厌氧消化(conventional anaerobic digestion,CAD)作对照,研究不同温度、底物浓度、盐桥管径以及有无接种微生物对微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)处理苯酚废水性能的影响.实验结果表明,MFC技术可以在获得电能的同时,强化有机废水的生物处理过程,MFC能够在较低温度(15℃)下运行.当苯酚初始浓度为0.15g·L-1,随着温度(15℃、25℃、35℃)的增加,苯酚的降解效率和MFC的产电性能也随着提高;MFC具有耐有机负荷冲击能力,即使在高负荷苯酚初始浓度3.5g·L-1条件下,去除率达60%;盐桥孔径并不与苯酚去除效率、电压、功率密度成正比关系.MFC在适合的管径条件下可以高效去除苯酚的同时,能有较高的产电效率;MFC的阳极反应需要微生物的催化.     

两种接种源微生物燃料电池同步降解刚果红与产电性能研究

分别以印染废水污泥和生活污水污泥接种微生物燃料电池(MFC-I和MFC-M),以刚果红为模型染料,研究了接种源对MFC同步脱色偶氮染料和产电性能的影响.结果表明,接种源对MFC同步降解刚果红与产电性能影响显著.产电方面,MFC-I的启动电压高于MFC-M,但稳定运行后二者最大输出电压差别不大.稳定运行阶段,MFC-M最大功率密度达到29.09 mW·m-2,比MFC-I高2.11倍;阳极极化阻抗(R ct)为748.9Ω,比MFC-I低38.0%.脱色方面,MFC-I对刚果红的脱色速率比MFC-M高14.4%~20.3%;但脱色产物一样,均为2-氨基—1,4-萘醌、2,2'-二氨基联苯、4,4'-二氨基联苯.经分离、纯化和鉴定,二者阳极均存在优势菌Pseudomonas sp.,但MFC-M阳极还存在优势菌Bacillus sp.,而MFC-I的阳极还存在优势菌Aquamicrobium sp..     

硫酸盐还原介导下土霉素的降解及其对微生物的胁迫效应

采用硫酸盐还原上流式厌氧反应器研究了土霉素(Oxytetracycline,OTC)的降解与脱毒.实验结果表明,经过40 d的驯化,在OTC初始浓度为10 mg·L^-1的条件下,在接种硫酸盐还原菌(SRB)的反应器中添加硫酸盐可将OTC的降解率从53.9%±0.6%提高到81.0%±0.5%,而且OTC降解产物显示出较低的毒性.3D-EEM荧光光谱和微生物电子传递系统活性测试结果表明,OTC的暴露可增强SRB中胞外聚合物(EPS)中类络氨酸蛋白的合成,促进甲酸脱氢酶活性进而提高烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)的产生量,而且腺苷三磷酸酶(ATP)活性和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)活性也有一定的增强.本研究可为硫酸盐废水中抗生素的去除提供理论指南.     

厌氧/好氧生物接触氧化工艺耦合微生物燃料电池技术处理农村生活污水

为研究微生物燃料电池(MFC)在农村生活污水处理工艺中对污染物去除效果的影响及其产电效率,在厌氧/好氧生物接触氧化反应器中构建了MFC,并进行实验研究。结果表明:增加了MFC构建可以使装置的COD去除率从87.67%提高到96.19%,总氮和悬浮物去除率也有一定提高,分别从61.6%和84.6%提高到64.7%和87.9%,但对氨氮和总磷的去除效果影响不明显。稳定期,当外接500 Ω电阻时,装置中MFC的输出电压可达到0.33~0.51 V,总产电功率和库仑效率分别为169.13~192.12 mW/m3和2.50%。微生物分析表明,装置中构建MFC可以提高整个装置中与产电和有机物去除相关的微生物(Trichococcus)、好氧区的脱氮微生物(Dokdonella和Rhodobacter)和除磷微生物(norank_f__Caldilineaceae和Anaerolineaceae)等的相对丰度,从而提高装置的污水处理效率。     

污泥与猪粪作为培养基微生物去除垃圾焚烧飞灰中的重金属

以污泥或猪粪代替常规的无机盐(SM)作为A.ferrooxidans和A.thiooxidans复合菌株的培养基,利用微生物淋滤法去除垃圾焚烧飞灰中的重金属.结果表明,重金属去除率大小顺序为:污泥+菌液>SM+菌液>猪粪+菌液.污泥+菌液的处理中,经过15d的微生物淋滤,Cd、Zn、Cu去除率最高分别达到88.1%、78.7%、69.6%,而猪粪+菌液的处理,3种金属的去除率分别为82.4%、73.5%、60.0%.试验也表明,相同浓度的猪粪DOM对硫杆菌复合菌株的抑制作用远大于污泥DOM.当污泥DOM和猪粪DOM中水溶性有机碳浓度分别高于400mg/L和150mg/L时,就表现出对硫杆菌的不可修复的抑制作用.猪粪DOM中小分子量组分较多是造成这一现象的主要原因.     

不同好氧颗粒污泥中微生物群落结构特点

为了探讨活性污泥好氧颗粒化过程对微生物种群的影响、不同底物及不同颗粒化方法培养的好氧颗粒污泥中微生物群落结构的差异,以接种污泥、模拟废水好氧颗粒污泥和分别投加粉末活性炭和硅藻土的实际生活污水好氧颗粒污泥为研究对象,利用PCR-DGGE对比分析了接种污泥和好氧颗粒污泥中的微生物群落结构.结果表明:活性污泥好氧颗粒化过程会减少微生物种群多样性,影响颗粒污泥稳定性的细菌被淘汰,而聚磷菌、反硝化菌、难降解有机物降解菌等污水处理功能微生物都在颗粒化过程中得到保留.活性污泥好氧颗粒化过程中能够实现亚硝化细菌(AOB)一定程度的富集.与接种活性污泥相比,好氧颗粒污泥中AOB的多样性指数与均匀性指数均有提高.好氧颗粒污泥中的优势菌群主要分布于变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和未培养菌(uncultured bacterium).其中AOB均属于β-Proteobacteria的亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas).     

牛粪混合液微生物燃料电池长期运行稳定性研究

长期运行稳定性是微生物燃料电池(microbial fuel cells,MFCs)技术的一项重要特征,是其能否走向实际应用的关键.生物阴极MFC利用牛粪产电的长期运行特征的研究表明,该MFC可长期、高效、稳定地产电.在100Ω外电阻下,171 d的运行期内,电池功率密度平均为6.77 W·m-3±2.11 W·m-3.第70 d的电池开路电压、内阻、最高功率密度分别为0.874 V、22.1Ω和14.1 W·m-3.随着运行时间延长,每30 d的总化学需氧量(total chemical oxygen demand,TCOD)去除量不断递减,而库仑效率(Coulomb efficiency,CE)不断递增,在121~150 d,CE可达17.5%±3.3%.阳极微生物群落结构分析表明,Proteobacteria(45%)、Bacteroidetes(22%)、Firmicutes(17%)、Actinobacteria(11%)在阳极生物膜中占有优势地位.Clostridium、Cellulomonas等已被证明具有产电能力或纤维素降解能力的细菌是阳极生物膜中的关键功能种群.     

土霉素和磺胺二甲嘧啶对堆肥过程中酶活性及微生物群落功能多样性的影响

为了探讨抗生素对堆肥过程中酶活性及微生物群落功能多样性的影响,将添加土霉素(OTC)和磺胺二甲嘧啶(SM_2)的猪粪与小麦秸秆进行好氧堆肥发酵试验.试验设置3个处理,分别为CK处理(不添加抗生素)、L处理(10 mg·kg~(-1)OTC+1 mg·kg~(-1)SM_2)、H处理(140 mg·kg~(-1)OTC+30 mg·kg~(-1)SM_2).结果表明,各处理堆体温度在55℃及以上持续了4 d,发芽指数大于85%,均达到了腐熟标准;堆肥35 d后,L和H处理中OTC残留率分别为2.8%和4.2%,SM_2均未检出;抗生素降解符合一级动力学方程,半衰期为0.56~1.24 d.H处理对堆肥过程中脱氢酶活性呈先抑制后促进的作用,而对脲酶活性则在堆肥后期表现出显著抑制作用.Biolog数据表明,在堆肥腐熟期H处理AWCD值、Shannon指数和Simpson指数显著大于CK;主成分分析得出,H处理改变了堆肥过程中微生物群落结构,起分异作用的碳源主要为糖类、羧酸类及氨基酸类.综上所述,添加OTC和SM_2对堆肥过程中酶活性和微生物群落功能多样性有显著影响,且经堆肥处理后SM_2被完全降解,而OTC仅有少量残留,说明好氧堆肥是一种快速有效去除抗生素的方法.     

电极活性菌分离过程中微生物群落结构动态特征解析

为探讨培养过程对微生物的选择性作用及电极活性菌在生物膜中的功能地位,采用亨氏厌氧滚管稀释培养技术,以氧化铁为指征,自微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)阳极生物膜中分离电极活性微生物,并对纯菌分离过程中微生物群落结构动态特征进行跟踪监测.结果表明,以乳酸、乙酸和甾体药物生产废水为底物的MFC最高电压分别可达0.57、0.60和0.40 V.种泥以及乳酸、乙酸为底物的阳极膜分离出的优势菌种均为变形杆菌,而甾体废水为底物的阳极膜分离出的优势菌包含变形杆菌、厚壁菌和拟杆菌,种类丰富.经过富集培养最终分离获得2株电极活性菌,16S rDNA测序鉴定为路德维希肠杆菌(Enterobacter ludwigii)和弗氏柠檬酸杆菌(Citrobacter freundii).以乳酸为底物,两株纯菌可分别获得0.10V和0.17 V的最大电压.该研究表明,应用氧化铁为指征的厌氧梯度稀释培养技术可分离到电极活性微生物,但由于分离过程的选择作用,微生物群落结构动态变化特征显著.     

反硝化悬浮填料适用性及其微生物群落结构解析

为研究温度及处理负荷对缺氧挂膜悬浮填料的活性恢复效果的影响,将填料分别置于低负荷、冲击负荷和低温环境中进行活性恢复适用性实验.结果表明在填料活性恢复过程中起关键作用的是EPS中多糖的增加,冲击负荷和低温条件下多糖含量增加比蛋白质更为明显.而低负荷下多糖和蛋白质含量均高于另外两者.缺氧挂膜悬浮填料的活性恢复对冲击负荷条件的适用性较好,低温条件次之,对低负荷环境适用性较差.另外,低负荷、冲击负荷和低温环境中Proteobacteria菌门的相对丰度分别由15 d时的72.23%、78.66%和76.35%上升至25d时的83.17%、84.30%和80.46%,15 d时低负荷下Proteobacteria菌相对丰度低于其他反应器,缺氧悬浮填料不能作为污水处理厂低负荷下总氮快速达标的备选方案.反硝化功能菌属Dechloromonas相对丰度的增加可能是引起填料生物膜反硝化脱氮能力提高的重要原因.Flavobacterium菌属的存在可能促进了低温下填料生物膜反硝化脱氮能力的恢复.不同恢复环境对缺氧生物膜恢复完成时的生物多样性影响较小.     

生物强化方式对生物转盘处理养殖废水效果及生物多样性的影响

畜禽养殖废水污染物浓度高、生物毒性大,导致传统生物处理工艺难以满足达标排放要求.为探究高效的畜禽养殖废水处理工艺,采用生物转盘作为主体工艺,利用异养硝化-好氧反硝化菌（简称"HN-AD菌"）为生物强化菌剂,对比了强化污泥挂膜和菌剂挂膜两种不同生物强化方式下该工艺在启动时间、碳耗、能耗、真实废水处理效果及微生物多样性方面的差异,以确定最佳生物强化方式.结果表明:①模拟废水试验中,菌剂挂膜反应器启动时间（19 d）明显短于强化污泥挂膜（33 d）,参数优化后发现,在相同处理效果下,前者碳耗、能耗较后者分别低48.22%、33.33%.②真实废水处理试验中,菌剂挂膜反应器的COD_Cr、NH₄+-N、TN平均去除率较后者分别高7.11%、26.97%、29.14%.③在微生物多样性方面,菌剂挂膜体系中Comamonas（丛毛单胞菌属）相对丰度是强化污泥挂膜体系的10倍左右,推测Comamonas可能是在异养硝化好氧反硝化过程中发挥关键作用的菌属.④SEM观察发现菌剂挂膜生物转盘盘片上的生物膜更薄,但HN-AD优势菌富集程度更高.研究显示,菌剂挂膜反应器对模拟废水、真实废水的处理效果均优于强化污泥挂膜反应器,且效果更稳定.      

基于高通量测序的流化床生物滤器细菌群落结构分析

为了解流化床生物滤器内部细菌群落组成及其净水机制,通过高通量测序方法,研究了不同时期滤器中表层和底层滤料的细菌群落结构,分析了滤器不同床层的营养盐变化情况及水处理性能.结果表明,滤器的硝化作用主要发生于床层下部,表层对其的贡献率不显著.稳定工况下,流化床生物滤器对NH_4~+-N、TN、BOD_5和SS的去除率达到(68.3±2.24)%、(49.54±3.56)%、(60.35±4.98)%和(45.21±2.11)%,对氨氮的去除负荷达到(343.28±75.5)g·(m~3·d)~(-1),其硝化性能优于常规生物滤器.试验共筛选31个门,490个细菌属,其生物多样性显著高于常规生物滤器.自清洗装置的启停对滤器中不同区域载体表面细菌的多样性没有影响,对各样品的优势菌群略有影响.在滤器稳定运行时,表层区域的优势细菌基本维持不变,主要包括厌氧绳菌科、黄杆菌科、红杆菌科、硝化螺菌属、暖绳菌科.而底层区域的优势细菌随着时间的推移有所变化,主要包括硝化螺菌属、微丝菌属、Muricauda、Defluviimonas、红杆菌科.     

单室空气阴极微生物燃料电池硝酸根去除系统的建立和性能研究

本文以单室空气阴极微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)处理含不同浓度硝酸根的模拟废水,研究了NO~-_3-N初始浓度和开闭路培养方式对单室MFC的启动、硝酸根去除性能和产电性能的影响.结果表明,随着NO~-_3-N初始浓度的提高,MFC的NO~-_3-N平均去除速率达到稳定值所需时间增加,NO~-_3-N平均去除速率提高.当NO~-_3-N初始浓度为200 mg·L~(-1)时,闭路组MFC的NO~-_3-N平均去除速率达到(3.52±0.28) kg·m~(-3)·d~(-1),高于相近条件下许多传统生物反应器的NO~-_3-N平均去除速率.硝酸根去除过程主要发生在MFC运行周期的前期.硝酸根对阳极生物膜中主要产电菌Geobacter的生物量没有影响.当基质充足时,所有闭路组MFC的最大功率密度相近(～27 W·m~(-3)).闭路组MFC比开路组MFC具有更高的NO~-_3-N去除速率,可能与其阳极生物膜具有电化学还原亚硝酸根能力和Thauera易在其阳极上富集有关.     

剩余污泥为底物的微生物燃料电池处理含铜废水

以剩余污泥作为阳极底物,CuSO4溶液为阴极溶液构建了双室有膜微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC),研究了MFC的启动,污泥的降解,Cu2+的去除和阴极还原产物的性质.结果表明,Cu2+可作MFC的阴极电子受体,在外电路电阻为1 000 Ω,Cu2+浓度为6 400 mg/L的条件下获得的稳...     

双室微生物燃料电池利用乙酸钠和淀粉产电研究

研究了厌氧活性污泥接种的双室微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs) 分别供给以乙酸钠和淀粉为底物的人工配水的产电情况和有机物去除效果. 结果表明,MFCs中能量的输出与底物的种类有关,使用乙酸钠和淀粉达到的最大输出电压分别为0.43和0.39 V,最大功率密度分别为36.03和 6.32 mW/m2,简单底物的输出电压和功率密度高于复杂底物. MFCs在产电同时还可有效去除水中的有机物,288 h时以乙酸钠和淀粉为底物的MFCs中TOC的去除率分别为91.15%和83.20%,NH₃-N的去除率分别为90.31%和86.20%. 扫描电镜发现,2种底物下MFCs阳极表面的微生物形态差异显著,以乙酸钠为底物的MFCs阳极表面生物相主要为杆菌和弧菌;以淀粉为底物的阳极表面主要是球菌,表明不同底物条件下MFCs中所形成的微生物优势种群也不同.      

Performance of low temperature Microbial Fuel Cells (MFCs) catalyzed by mixed bacterial consortia

Microbial Fuel Cells(MFCs) are a promising technology for treating wastewater in a sustainable manner. In potential applications, low temperatures substantially reduce MFC performance. To better understand the effect of temperature and particularly how bioanodes respond to changes in temperature, we investigated the current generation of mixed-culture and pure-culture MFCs at two low temperatures, 10°C and 5°C. The results implied that the mixed-culture MFC sustainably performed better than the pure-culture(Shewanella) MFC at 10°C, but the electrogenic activity of anodic bacteria was substantially reduced at the lower temperature of 5°C. At 10°C, the maximum output voltage generated with the mixed-culture was 540–560 m V, which was 10%–15% higher than that of Shewanella MFCs. The maximum power density reached 465.3 ± 5.8 m W/m~2 for the mixed-culture at10°C, while only 68.7 ± 3.7 m W/m~2 was achieved with the pure-culture. It was shown that the anodic biofilm of the mixed-culture MFC had a lower overpotential and resistance than the pure-culture MFC. Phylogenetic analysis disclosed the prevalence of Geobacter and Pseudomonas rather than Shewanella in the mixed-culture anodic biofilm, which mitigated the increase of resistance or overpotential at low temperatures.     

双室微生物燃料电池不同接种条件下处理薯蓣素废水

比较了在5种不同接种条件下,利用双室微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs)处理薯蓣素生产废水的污染物去除和产电效果. 结果表明,该种废水可以用作微生物燃料电池的底物,在去除有机物的同时能够获得电能;采用全混合接种对污染物的去除效果最好,在350 h时COD_Cr去除率达到90%;采用污水处理厂厌氧污泥和薯蓣素废水驯化菌液混合接种的产电效果最好,在1 000 Ω的外电阻下得到了370 mV的输出电压,最大输出功率密度达到10.32 mW/m2;不同菌属在MFCs中的作用差别显著,产电与去污功能可能由不同优势菌属承担;初步富集到优势菌菌b,菌d和菌e;PCR-DGGE和DNA序列分析结果显示,菌d和菌e与β-变形菌具有较好的同源性.      

贵州某规模化养猪场废水中抗生素的污染特征及去除效果

为了解贵州某规模化养猪场废水处理过程中抗生素的污染特征及废水处理工艺对抗生素的去除效果,使用固相萃取-液相色谱-串联质谱仪(SPE-LC-MS)技术,对2家规模化养猪场(猪场A和猪场B)废水处理工艺各处理单元进出水中10种兽用抗生素的去除进行调查研究.结果表明, 2家规模化养猪场废水处理工艺对常规污染物(COD、NH~+_4-N、TN和TP)的去除率在88.10%以上. 2家养猪场废水处理工艺各处理单元进出水中均有多种抗生素检出,检出浓度范围在ND～120 842.74 ng·L~(-1)之间.其中,主要的污染单体为磺胺间甲氧嘧啶(SMM)、磺胺对甲氧嘧啶(SMD)、土霉素(OTC)和氧氟沙星(OFL),最高单体污染浓度达120 842.74 ng·L~(-1)(SMM).调查的10种抗生素在处理工艺中的去除效果较好,总去除率为99.23%～100.00%,在猪场A的废水处理工艺中,"USR+2级A/O+消毒池+氧化塘"组合工段能有效去除废水中残留的抗生素,其中对SMM、SMD和OTC的总去除率达100.00%;在猪场B的废水处理工艺中,"超滤(UF)+纳滤(NF)"组合工段能有效去除废水中的抗生素,最终废水中99.23%以上的抗生素被去除.但最终出水中大部分抗生素的浓度高于欧盟水环境抗生素阈值(10 ng·L~(-1)).通过冗余分析发现废水中常规指标(COD、NH~+_4-N、TN、TP和pH)与部分抗生素的降解具有相关性.