基于微电极技术的反硝化滤池生物膜特性分析

为研究反硝化滤池中溶解氧对反硝化作用的影响,制备性能良好尖端直径在30μm以内的氧(O2)以及硝酸盐(NO3-)微电极,以此为测试工具,对反硝化滤池中生物膜内部O2、NO3-微环境分布进行测试,通过建立扩散-反应方程,获得生物膜微环境耗氧及反硝化活性特征.研究结果表明,溶解氧在生物膜内部呈明显的下降趋势,从主体溶液氧浓度约1mg/L下降至生物膜300μm深度处约为0.生物膜内部反硝化活性区域发生在300~600μm深度范围内.该条件下反硝化滤池生物膜的氧利用速率常数以及反硝化速率常数之间的比值为1.46,溶解氧对反硝化过程的影响是显著的.     

Biodegradation of high concentration phenol containing heavy metal ions by functional biofilm in bioelectro-reactor

Functional microorganisms to high concentration phenol containing Cr^6＋ and Pb^2＋ were cultured and biofilm was formed on polypropylene packings in bioelectro-reactor. It was found that the biodegradation capability of such biofilm to phenol changed with the applied voltage. Under the optimal electric field conditions （voltage of 3.0 V, electric field of strength 17.7 V/m and current density of 1.98 A/m2）, biodegradation efficiency of phenol aof concentration of 1200 mg/L increased 33% compared to the instance without applying electric field. However, voltage had inverse effect on biodegradation, as microorganisms were killed under strong electric field. Voltage had little effect on heavy ions elimination. Higher absorption rate of Cr^6＋ and Pb^2＋ was observed when changing pH fi＇om acidic to neutral. The experiment results indicated that, after treatment, 10 L phenol of 2400 mg/L was biodegraded completely within 55 h and concentrations of Cr^6＋ and Pb^2＋ dropped to less than 1 mg/L within 12 h and 6 h, fi＇om initial values of 50 mg/L and 30 mg/L, respectively.     

Disruption of biofilms from sewage pipes under physical and chemical conditioning

Biofilms grown inside two sewage collecting pipes located in industrial and residential areas are studied. Bacterial biomass inside three layers of biofilms was evaluated. Biofilm cohesion under different mixing rate and ionic strength was also investigated. Effects of physical and chemical parameters in the biofilms were evaluated by monitoring turbidity, chemical and biochemical oxygen demands. Extracted organic matter from biofilms was partitioned to polar, aromatic and saturated fractions using activated silica column chromatography. Results revealed that bacterial biomass growth depending on biofilm thickness and stratification. The most loaded stratum in bacterial biomass was the sewage-biofilm interface stratum that represented 51% of the total bacterial biomass. Stirring rate and ionic strength of mono and bivalent salts showed a major influence in biofilm disruption. The stirring time enhanced the exchange dynamic and matter capture between biofilm fragments at the critical stirring rate 90 r/min. Sodium chloride showed the dispersing effect on biofilms in suspension, and decreased the BOD5 (biochemical oxygen demand) beyond the physiological salt concentration.     

不同水力条件下排水管道生物膜中氮元素分布特性

在壁面剪切力为1.0,1.5,2.0Pa条件下培养排水管道生物膜,利用微电极测试技术对生物膜进行生长过程及成熟生物膜内部DO、NH4+、NO2-、NO3-分布规律进行研究.结果表明:1.0,1.5,2.0Pa条件下培养的生物膜厚度分别为(2.3±0.1),(1.9±0.1),(1.6±0.1)mm;1.0,1.5Pa条件下的生物膜内存在好氧、缺氧环境,在其中发生了硝化和反硝化反应,而2.0Pa条件下的生物膜内只存在好氧环境,只发生了硝化反应.生物膜厚度影响着溶解氧在膜内的分布,继而影响着N在膜内的迁移转化过程.     

利用序批式生物膜反应器启动厌氧氨氧化研究

研究了在缺氧条件下利用序批式生物膜反应器(SBBR)快速启动厌氧氨氧化过程,并考察了该过程中反应器的脱氮效率、厌氧氨氧化现象、生物膜性质及微生物群落的变化.从第60d开始出现ANAMMOX现象,经过100多天的启动,最高总氮负荷达0.67kg-N/m3×d,总氮去除率达到87.3%.生物膜厚度和污泥颜色、形态发生明显变化,厌氧氨氧化菌的相对含量达到40%以上,成为反应器的优势菌种.本研究表明SBBR是一种高效启动厌氧氨氧化的生物反应器.     

三段式硝化型生物接触氧化反应器的启动及特性

采用实际生活污水,研究了三段式串联的硝化型生物接触氧化反应器的挂膜启动及各段的硝化特性.试验结果表明:利用中间沉淀池出水作为生物接触氧化反应器的进水进行自然挂膜,在无需投加接种污泥的情况下,20d挂膜成熟,NH4+-N的去除率达到98%以上.反应器中随着沿程推流,三段的生物量和生物膜厚度逐渐降低,最大的生物量和生物膜厚度分别为1271.25mg/L和119.45μm.分析各段的硝化特性,发现三段在低温15℃条件下仍具有较高的比硝化速率,并且在同一温度下(15,23,32℃),第2、3段的比硝化速率均大于第1段.针对上述现象,根据比耗氧速率SOUR粗略估计了AOB和NOB在各段中的相对比例.3段AOB的百分比分别为(25.64+4.89)%, (34.59+5.02)%, (42.50+1.57)%,而NOB的百分比为(23.52+3.35)%, (39.65+4.26)%, (40.69+2.19)%. 此外,系统运行125d的FISH结果表明,3段的微生物菌群分布确实存在差异.与第1段相比,后2段的AOB和NOB更容易成为优势菌.     

微藻生物膜营养环境对微藻生长和油脂积累影响

以琼脂凝胶作为微藻营养物质的供给源层,微孔滤膜作为微藻生物膜吸附基质,构建了源层/基质层双层结构光合微藻生物膜反应器,研究了微藻生物膜营养环境对微藻生长和油脂积累的影响,实验表明：当琼脂浓度从0.125%（W/W）升高到8%时,生物膜含水量从0.62减少到0.25g,微藻细胞直径从3.87减小到3.35μm,微藻生物膜厚度从91.23降低到62.33μm,单位厚度生物膜内含水量降低40.49%,CO₂和光向生物膜内部传递阻力减小,为光合反应提供充足碳源和光照,微藻生物膜密度从40.56提高了45.86%至59.16g/m²,微藻油脂产量提高了63.39%.     

不同EPS组成生物膜对Cu2+吸附的研究

采用自行设计的反应器,通过调节培养液的配比对载体进行挂膜,得到蛋白质和多糖含量比分别为7:1、5:1和10:1的3种生物膜作为吸附剂,用其对Cu2+进行吸附试验,同时对吸附机理进行探讨.结果表明,培养8d后,生物膜可挂膜成熟,在C/N=12时,生物膜上的菌落数较C/N=4和C/N=37条件下多.PN/PS值越小,生物膜对铜的吸附量越高,EPS3对Cu2+的吸附量分别高出EPS1 7.37 %, EPS2 7.62%.在生物膜吸附Cu2+后,溶液中Ca2+、Mg2+、K+含量明显升高,表明离子交换对生物膜吸附Cu2+起主要作用,且Cu2+更易与Ca2+和Mg2+产生离子交换作用.当KNO3浓度在0.1~0.6mol/L之间,随着离子强度的增加,生物膜吸附Cu2+的量迅速减少,当KNO3浓度大于0.6mol/L时,生物膜对Cu2+吸附量的变化趋于平缓,说明生物膜对Cu2+的吸附同时包括离子交换吸附和化学吸附.     

蛋白核小球藻生物膜对镉胁迫的生理响应及去除效果分析

为研究镉胁迫下蛋白核小球藻生物膜的生理响应及其去除效果,实验设计了不同的镉初始浓度梯度,分析镉胁迫下蛋白核小球藻生物膜的叶绿素a、硝酸还原酶、胞外多聚糖（EPS）等生理特征指标,并比较了蛋白核小球藻生物膜在不同的镉初始浓度下对镉的去除效果。结果表明:镉会抑制蛋白核小球藻生物膜的生长及其硝酸还原酶的产生,并且抑制程度随着镉初始浓度的增大而增加,20 mg/L的镉还会导致部分藻类生物膜的死亡;另外,镉会抑制蛋白核小球藻生物膜EPS的产生,但随着接触时间的增加,镉会刺激藻类生物膜分泌少量EPS来阻止镉离子进入藻细胞;镉初始浓度为15 mg/L时,蛋白核小球藻生物膜对镉的去除效果最好,达到89.83%。以上成果可为藻类生物膜去除重金属镉的后续研究奠定基础。     

孔隙介质中生物膜空间分布及其对渗透性影响研究

孔隙介质地下水污染的生物修复过程中,微生物附着在介质颗粒表面,造成生物堵塞,影响生物修复的效率.对二维砂箱中的生物堵塞实验数据进行了统计分析,统计结果表明生物膜厚度在空间上服从正态分布.现有的定量刻画多孔介质生物膜与渗透率的模型一般均假设生物膜均质等厚地覆盖在颗粒表面,与实验结果不符.为探讨多孔介质中生物膜厚度变化对渗透率计算结果的影响,本文选择常用的Taylor模型中二大类六种模型进行比较分析研究.计算结果表明:生物膜厚度参数对模型计算结果影响显著,利用最小生物膜厚度计算得到的相对渗透率比利用最大生物膜厚度计算时的结果大1～4个数量级;不同模型对生物膜厚度参数的敏感性不同,其中Mualem模型最为敏感;Mualem Model利用平均值计算所得相对渗透率与实验测量结果相符,基于正态分布的生物膜厚度统计均值具有一定的代表性;Mualem模型更适用于计算孔隙介质中生物堵塞时对渗透率的影响.     

通风管道内负离子传输的数值模拟及试验验证

为能有效去除通风管道系统内颗粒及气溶胶微生物,解决通风空调系统因长期使用而缺少维护和清洁,造成气溶胶微生物在系统里滋生进而形成对人体有害的生物气溶胶病原体细菌等问题,采用欧拉方法建立模拟通风管道内负离子输运过程及分布的数值模型.通过数值模拟和试验测量VI-2500型负离子发生器安装在0.2 m×0.2 m通风管道内送风速度为3～6 m/s时的负离子浓度,验证数值模型的准确性并分析负离子在通风管道内的分布规律.结果表明,负离子的模拟预测值与试验测量值误差很小.送风速度为3 m/s时,风管内负离子浓度的最低值和平均值分别为9.15×109和2.39×109 ions/m3,送风速度为6 m/s时,相应为2.37×1010和6.83×109 ions/m3.通风管道内负离子浓度随送风速度的增加而升高,送风速度一定时,通风管道内负离子浓度沿风速方向逐渐降低.当送风速度低至3 m/s时,风管内负离子浓度最低或平均值仍然可以达到有效净化细菌的负离子浓度最低数量级的推荐值(108～1010 ions/m3).研究显示,负离子数值模型能准确预测VI-2500型负离子发生器在0.2 m×0.2 m风管中产生的负离子浓度,并且发生器产生的负离子浓度能满足4.5 m长风管的净化要求.      

悬浮生物膜载体强化氨氮降解研究

为了缩短氨氮降解时间,提高氨氮转移速率,利用新型悬浮载体对氨氮降解进行了研究.将生物膜培养分成3个阶段,每个阶段采用不同的运行条件,提高了膜上硝化菌的附着量,在载体上培养形成了以丝状细菌为附着体的蜂窝状微生物薄膜,增加了微生物附着的比表面积,薄膜的形成有利于氧气的扩散和基质的转移,为硝化菌提供了有利的生存环境.试验在pH值7.8～8.2,温度为24～29℃的条件下,在曝气90min时,氨氮从78 mg/L降解到2 mg/L以下,COD从140～300 mg/L降解到50mg/L以下;在曝气180min时,氨氮浓度从80～130 mg/L降解到3.5 mg/L以下,COD浓度从150～350 mg/L降解到46 mg/L以下.试验实现了同步去除COD和氨氮,与传统的活性污泥法相比,缩短了氨氮的降解时间,提高了氨氮降解速度.从微生物学和动力学理论对悬浮生物膜载体高效的氨氮降解和硝化机理进行了分析.     

代谢产物积累对二氯甲烷生物降解的影响

研究了代谢调节产物(NaCl)浓度积累对生物法降解二氯甲烷效率的影响。试验表明,一定浓度的NaCl对二氯甲烷降解菌(GD11)的生长有不同程度的抑制作用。摇瓶试验中NaCl对二氯甲烷降解菌的抑制浓度为35.1g/L;当空塔气速91.7m/h、二氯甲烷进口浓度2.02g/m3、温度28.5℃、循环液流量0.06m3/h、pH值6.5～7.5时,生物滴滤塔中NaCl对二氯甲烷降解菌的抑制浓度为23.4g/L,两者相比有一定差异。NaCl浓度对生物膜的厚度有一定影响,这从侧面反映了NaCl浓度对微生物活性的影响。     

微米级聚苯乙烯对铜的吸附特性

以铜为目标污染物,系统地研究了微米级聚苯乙烯（PS）微塑料对溶液中铜离子的吸附能力.测定了吸附时间、铜离子浓度、PS浓度、粒径以及共存离子对吸附量的影响.结果表明：0.5μm PS比6.0μm PS吸附能力强,饱和吸附量分别达到（0.1638±0.0204）和（0.1091±0.0133）mg/mg;吸附在720min后达到平衡,吸附动力学可用伪二级动力学模型和Elovich模型较好地拟合（R²分别为0.929、0.904和0.866、0.885）;吸附等温线可用Freundlich模型和Langmuir模型很好地拟合（R²分别为0.974、0.976和0.966、0.977）.此外,随铜离子浓度的增加,PS吸附量增加,但吸附速率减小;而随PS浓度的增加,吸附量减小,吸附速率增加;当溶液中存在其他离子时,PS对铜的吸附量增加.本文中微米级PS对铜的吸附行为研究结果,可为深入探究海洋中微塑料吸附铜的环境行为及其对污染物迁移的影响提供理论基础.     

威海市广播电台电磁辐射环境影响的研究

通过理论分析计算和实地的模拟测试,探讨场源辐射场强Ｅ随距离ｒ的一次反比衰减规律。对１０ｋＷ中波长射天线,在ｒ＞７５ｍ的区域内,地面附近（距地面２ｍ处）,场强Ｅ＜２５Ｖ／ｍ,不会超过国标ＧＢ９１７５－８８中对长中短波规定的卫生要求的“二级标准”;在ｒ＞１５０ｍ的区域内,地面附近场强Ｅ＜１００Ｖ／ｍ,符合国标卫生要求的“一级标准”;但在ｒ＞２００ｍ范围内的高层建筑的外部（例如楼顶平台）则有可能超过国标     

渗滤液中Na+对生物膜形成初期吸附特性的影响

为了探究渗滤液微生物生物膜形成初期吸附特性, 设置4种Na⁺浓度采用耗散型石英晶体微天平(QCM-D), 结合刚性模型和黏弹性模型拟合分析, 探究吸附质量和黏弹性随时间变化.结果表明: 生物膜初期吸附存在可逆吸附和不可逆吸附过程, 150mmol/L的Na⁺促进了不可逆吸附的形成.Na⁺增加了溶液Zeta电位, 细菌表面所带净电荷量减小; 随Na⁺浓度由2.5mmol/L增加至50mmol/L, 表面吸附速率逐渐增加, 符合静电双层理论, Na⁺继续增加至150mmol/L, 吸附速率无显著变化.在不同浓度Na⁺溶液中, 吸附膜柔性大小顺序为: 150mmol/L>2.5mmol/L>10mmol/L≈50mmol/L.模型拟合结果表明, 膜黏弹性随吸附过程逐渐增加; 随Na⁺浓度增加, 吸附膜质量增加, 膜黏弹性先升高后不变.     

Denitrification and biofilm growth in a pilot-scale biofilter packed with suspended carriers for biological nitrogen removal from secondary effluent

Tertiary denitrification is an effective method for nitrogen removal from wastewater. A pilot-scale biofilter packed with suspended carriers was operated for tertiary denitrification with ethanol as the organic carbon source. Long-term performance, biokinetics of denitrification and biofilm growth were evaluated under filtration velocities of 6, 10 and 14 m/hr. The pilot-scale biofilter removed nitrate from the secondary effluent effectively, and the nitrate nitrogen(NO_3-N) removal percentage was 82%, 78% and 55% at the filtration velocities of 6, 10 and 14 m/hr, respectively. At the filtration velocities of 6 and 10 m/hr, the nitrate removal loading rate increased with increasing influent nitrate loading rates, while at the filtration velocity of 14 m/hr, the removal loading rate and the influent loading rate were uncorrelated.During denitrification, the ratio of consumed chemical oxygen demand to removed NO_3-N was 3.99–4.52 mg/mg. Under the filtration velocities of 6, 10 and 14 m/hr, the maximum denitrification rate was 3.12, 4.86 and 4.42 g N/(m~2·day), the half-saturation constant was 2.61, 1.05 and 1.17 mg/L, and the half-order coefficient was 0.22, 0.32 and 0.24(mg/L)1/2/min,respectively. The biofilm biomass increased with increasing filtration velocity and was 2845,5124 and 7324 mg VSS/m~2 at filtration velocities of 6, 10 and 14 m/hr, respectively. The highest biofilm density was 44 mg/cm~3 at the filtration velocity of 14 m/hr. Due to the low influent loading rate, biofilm biomass and thickness were lowest at the filtration velocity of 6 m/hr.     

采用生物亲和聚氨酯处理污水的原理与应用

作为生物膜法的核心,生物载体在污水处理中起着关键作用. 然而,传统的商用生物载体存在生物亲和性差、挂膜困难等固有缺陷,因此,开发新型载体用以提高废水处理效率对生物膜反应器的应用与发展具有重要意义. 通过物理涂覆方法制备得到BPU(生物亲和性聚氨酯),对载体的表观特性和化学组分进行表征,并将其作为移动床生物膜反应器的填料处理模拟生活污水,初步评价BPU的生物亲和性和污水处理效果,之后通过比较生物膜生长情况差异和微生物群落结构变化对其增效机理进行分析. 结果表明:①改性增加了载体表面的粗糙度和比表面积,载体表面Zeta电位由(?31.70±1.93) mV变为(2.14±0.14) mV,接触角由44.50°±0.14°降至24.88°±1.46°. ②投入生物膜反应器使用后,BPU表面附着的生物量和胞外聚合物(EPS)分泌量增加,生物膜组成结构得到改善,TN和NH₄+-N的去除率分别增加了6.27%±0.30%和13.74%±0.68%. ③微生物分析表明,BPU丰富了微生物群落多样性,脱氮功能菌数量增加,从而促进了污染物的去除. 研究显示,BPU具有良好的生物亲和性,能够有效提高生物膜反应器的性能.      

氯/氯胺和紫外顺序消毒对管网抗性基因的去除

为探究供水系统中氯/氯胺与低压紫外顺序消毒对抗生素抗性基因(ARGs)分布特征的影响,采用生物膜反应器模拟供水管网,对管网出水和生物膜进行60mJ/cm²低压紫外线(254nm)消毒,并利用高通量定量PCR技术检测模拟管网进、出水及生物膜内的典型ARGs和遗传原件(MGEs).结果表明,管网反应器运行150d,氯和氯胺管网出水ARGs总相对丰度分别为0.13和0.137,生物膜ARGs分别为2.45和0.277,表明供水管网中低剂量的氯或氯胺可有效降低水相和生物膜相中ARGs的相对丰度达90%,且氯胺消毒对生物膜中的ARGs控制作用更显著.氯和氯胺消毒后管网出水再经低压紫外线照射后,ARGs相对丰度分别为0.0682和0.0537,管网生物膜中ARGs的相对丰度分别为2.01和0.194.ARGs与MGEs间的相关性发生显著变化,转座子与strB和mepA的相关性增强,与ermX和tetM相关性减弱,而整合子与acrF、cmlA1-01、oprJ及tolC-01的相关性增强.研究表明,将紫外线消毒工艺设置在用水终端可以显著降低氯和氯胺管网水中ARGs丰度,但对管网生物膜中的ARGs影响较小.     

微生物燃料电池恒电流预培养阳极生物膜分析表征

阳极性能是影响微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs)性能的关键因素之一,同时阳极的接种挂膜过程是影响微生物燃料电池启动效率的关键因素.因此,本课题组提出了预培养阳极作为微生物燃料电池的一种新型阳极的概念,在三电极体系下,通过外加恒定电流预培养阳极,在不同条件下对阳极表面进行电化学选择和生物膜驯化以丰富生物膜结构和厚度.结果表明,阳极的性能与预培养电流大小密切相关,预培养阳极CF-4i(外加4 A·m-2电流密度)通过循环伏安法、塔菲尔曲线、电化学阻抗谱测试,性能好于其他测试组及对照组,装配阳极CF-4i的微生物燃料电池能实现最大功率密度968.20 m W·m-2,是对照组的2.53倍.同时,通过共聚焦显微镜观察发现,生物膜大体分两层,外层的活细胞及内层的死细胞,外层活细胞长在内层死细胞之上.这种结构分布表明,阳极生物膜中的活细胞部分绝大多数都分布于生物膜的外侧,而不是均布于整个阳极生物膜中;同时这也表明不是整个阳极生物膜都具有新陈代谢活性,但死亡的细胞可以继续积累在电极表面附近,活的外层膜负责电流的产生,而内层的死细胞作为一种导电基质.