微量臭氧强化生物滴滤降解甲苯性能研究

生物滴滤(BTF)是目前废气生物处理研究和应用最多的工艺,其长期运行填料层堵塞和运行性能恶化是该技术工程应用面临的共性科学技术难题.本研究提出利用微量臭氧化调控生物膜相,进而强化反应体系长期稳定运行.结果表明,生物滴滤塔间歇通入40 mg·m-3的微量臭氧,可延长反应体系的运行周期(本实验运行180 d),并保证甲苯去除率维持在80%以上,最大去除负荷达到95 g·(m3·h)-1,矿化率达到87.1%.O3-BTF的上、下段最大AWCD值分别为0.90、1.08,明显高于BTF体系,表明微量臭氧在运行后期可明显改善生物膜的代谢活性.床层特性与平均生物量表明,BTF和O3-BTF运行后期,平均生物量分别为36.59 mg·g-1和29.12 mg·g-1,床层孔隙率分别为55%和60%,压降分别为103.2 Pa和44.1 Pa.上述实验结果表明,生物滴滤降解甲苯长期运行过程中,微量臭氧能有效控制填料层堵塞和运行性能恶化,维持生物滴滤塔长期高效运行,并且对甲苯的去除和矿化具有一定的强化作用.     

滴滤塔气液流动与微生物膜分布的相互影响

生物膜滴滤塔性能受多孔填料、生物膜和气液两相流体流动特性的共同影响,传质过程复杂,流体流动强烈地影响生物滴滤塔生物膜的形成和分布,同时生物膜在滴滤塔中的分布反过来影响填料层内气液两相流体流动。实验研究了生物滴滤塔挂膜前后填料层的孔隙率和不同气、液流量下压强降的变化,结果表明:滴滤塔内生物膜分布不均匀,填料层孔隙率随填料层高度增加而增加,填料层中下部,孔隙率低,生物量最大,填料层顶部,孔隙率与挂膜前相等,无生物膜生长;挂膜前气体流量对填料层压强降影响较液体流量影响大,挂膜后液体流量对填料层压强降影响较气体流量影响大;同时微生物挂膜成功后填料层气体压强降远大于挂膜前压强降。     

生物滴滤塔对疏水性VOCs气体的去除及其生物膜特性研究

利用正己烷降解菌Pseudomonas mendocina NX-1和二氯甲烷（DCM）降解菌Methylobacterium rhodesianum H13强化生物滴滤塔（BTF）同时净化不同疏水性的正己烷和DCM混合废气,研究了挂膜启动阶段及稳定运行阶段BTF对污染物的去除性能与限制因素及生物膜相的特性变化.结果表明,在正己烷和DCM浓度均为100 mg·m^-3,停留时间（EBRT）为60 s的条件下,运行25 d即可完成BTF的启动,正己烷和DCM的去除率分别可达到65%和100%.系统稳定运行时,正己烷和DCM的最大去除负荷分别为16.1 g·m^-3·h^-1和92.0 g·m^-3·h^-1.正己烷和DCM的去除过程分别受到传质限制与反应限制影响.BTF稳定运行后,塔内生物膜胞外聚合物（EPS）中蛋白质（PN）含量逐渐增加至启动时的2.7倍,蛋白质与多糖的比值（PN/PS）从0.28增加至0.96.生物膜表面相对疏水性从21%增加至66%,Zeta电位从-12.7 mV降低至-9.2 mV.压降的模拟结果与实验数据良好拟合（R²>0.96）.     

交替好氧/缺氧运行模式对生物脱氮效能及活性污泥胞外聚合物的影响

以实际生活废水为处理对象,考察了SBR工艺好氧/缺氧(O/A)和缺氧/好氧(A/O)运行模式对生物脱氮性能、胞外聚合物(extracellular polymeric substance,EPS)及其组分(蛋白质PN、多糖PS和核酸DNA)的影响.结果表明,O/A和A/O运行模式下,SBR工艺均获得了高效稳定的NH_4~+-N去除,去除率分别为97.5%和98.0%,且硝化速率与NH_4~+-N负荷呈现较好正相关性.交替缺氧/好氧运行模式对于EPS影响,A/O模式下EPS产量略高于O/A模式下,且运行模式对TB-EPS及其组分(PN、PS和DNA)产量无显著影响,但A/O模式下LB-EPS及其组分(PN和PS)产量均高于O/A模式下,倍数介于1.38~1.56之间.2种模式条件下,PS是TB-EPS和EPS的主要组分,而PN是LB-EPS的主要成分.EPS含量与污泥沉降性能具有良好的线性正相关.     

降解乙苯生物滴滤塔稳定运行期生物膜特征及微生物多样性研究

通过检测降解乙苯生物滴滤塔(BTF)长期稳定运行过程中生物量积累、塔内压降改变、生物膜显微结构特征、微生物种群分布及优势菌株分子测序,探讨BTF稳定运行期间生物膜相结构、特征及菌群多样性协作作用的规律.结果表明,生物滴滤塔运行95 d期间的降解性能稳定,降解效率保持在90%以上,最大去除负荷为62.4 g·m~(-3)·h~(-1);BTF稳定运行期间生物膜形态、颜色和厚度沿着BTF塔内废气的流向呈现不均匀分布和梯度改变的特征.生物量和生物膜的致密度沿气流方向逐步递减;塔内压降随着反应时间延长逐渐增加,但未出现堵塞现象;生物膜种群营养结构复杂,食物链长且相互交叉,高端营养级微生物种群所占比例较高;采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)和分子测序技术研究降解乙苯生物滴滤塔填料表面菌群的分布特征,结果表明,在BTF不同塔层上菌群分布稍有差异,表现出明显的空间多样性,但是整个BTF生物膜具有一定的稳定性,主要的优势菌群为变形杆菌,其中优势菌包括3种伽马变形杆菌和4种贝塔变形杆菌.     

聚磷生物膜的快速启动及微生物特性研究

在同步去除并富集磷的基础上,探究采用前期不排泥、后期排泥的挂膜方式对聚磷生物膜反应器的运行效能、微生物特征及群落结构的影响.结果表明,经过驯化运行,聚磷生物膜的蓄磷能力明显提升.在挂膜阶段,生物膜厚度及EPS含量出现一定程度的增长;PN/PS上升至3.12,PN/PS比值增加有利于微生物粘附在填料上.在好氧出水达标的情况下,富集液中磷酸盐浓度提升至89.5 mg·L~(-1),达到了鸟粪石回收标准.高通量测序结果表明,经过富集培养,微生物群落多样性呈下降趋势,群落组成变化明显.优势菌门为变形菌门(Proteobacteria),其丰度从33.6%增长至75.3%;反应器中的聚磷菌属丰度明显增加,从11.8%上升至23.2%,红环菌属(Rhodocyclaceae)、UKL 13-1为反应器中的优势聚磷菌.     

温度对SBR生物脱氮效能及胞外聚合物的影响

本实验以人工模拟废水为研究对象,采用3组SBR反应器(R_(15℃)、R_(25℃)、R_(35℃)),重点考察了温度对生物脱氮效能、胞外聚合物(EPS)含量及其组分[蛋白质(PN)、多糖(PS)和核酸(DNA)]的影响.结果表明,高温条件有利于促进亚硝酸型生物脱氮体系的建立,显著提高氨氮去除性能.温度对EPS及其组分具有显著影响.随着温度的升高,EPS和TB-EPS含量逐渐降低,而LB-EPS含量逐渐升高,EPS以TB-EPS为主(占69.0%~79.5%),但TB-EPS/LB-EPS比值随着温度升高逐渐降低[3.8(15℃)→3.6(25℃)→2.2(35℃)].在EPS,LB-EPS和TB-EPS中PN和DNA含量随着温度升高而降低,LB-EPS和EPS中PS含量随温度升高而增加.而TB-EPS中PS含量随温度升高而降低,且25℃是各组分浓度变化重要折点.在15℃和25℃时,PN为TB-EPS和LB-EPS的主要成分,PS次之,DNA最少,35℃时,PS成为主要成分,PN次之,DNA最少.此外,本研究也发现,在15℃和25℃时,EPS含量在硝化过程中逐渐增大,反硝化过程中逐渐降低.     

聚丙烯环生物滴滤塔去除实际市政污水厂硫化氢性能及微生物群落分析

在非稳态条件下,采用AAO剩余污泥为种泥、聚丙烯环为填料启动生物滴滤塔,处理实际市政污水厂细格栅H2S恶臭气体.研究了生物滴滤塔的启动、稳定阶段的运行模式,在空床停留时间为14 s,进气浓度2. 02～319. 19 mg·m-3,环境温度为7. 8～32. 5℃条件下,平均出气浓度为13. 08 mg·m-3,平均去除率达到91. 8%,最高去除负荷达到78. 37 g·(m3·h)-1.在247d运行中,监测到生物滴滤塔压降在长期运行中维持稳定在96 Pa·m-1.高通量测序表明,生物滴滤塔内的微生物群落发生了改变,Shannon指数由4. 99降低至3. 75,但Pseudomonas和Thiobacillus等功能菌的存在解释了生物滴滤塔较好的去除性能.结果表明,在非稳态条件下,以AAO剩余污泥为种泥的生物滴滤塔可实现H2S的高效去除;聚丙烯环作为填料可以在长期运行中维持稳定的压降;微生物群落在长期高浓度的H2S环境中,多样性降低,但降解性能可以得到提高.     

新型生物滴滤填料性能评价

填料是微生物附着生长、水分保持的支撑体,填料的性能直接关系到污染物的最终去除效果.研究开发了3种新型生物滴滤填料:纹翼多面球、改性毛刺球和空心多面柱.测试表明3种填料中,空心多面柱和纹翼多面球的结构特性参数均优于普通的生物滴滤填料,特别是比表面积,达到了200 m2·m-3左右.纹翼多面球的阻力系数ζ在挂膜前后几乎没有变化,而毛刺球的阻力系数ζ增长明显.生物滴滤塔(BTF)实验表明,采用空心多面柱的BTF挂膜启动的时间明显快于其他两种填料;稳定运行阶段实验结果表明,当甲苯和乙醇进口浓度分别为687.37 mg·m-3和651.17 mg·m-3时,采用纹翼多面球的BTF去除效果较好,对于两者的去除率分别达到了76.78%和99.23%.生物量测试表明,3种填料湿生物量也均高于普通的聚丙烯鲍尔环.纹翼多面球填料易实现生物膜的更新与剥落,稳定运行后期单位填料层压降维持在51.6 Pa·m-1,而毛刺球平均压降显著升高(193.3 Pa·m-1),出现了严重堵塞现象.     

生物滴滤塔处理苯酚气体研究

采用生物滴滤塔处理苯酚气体,考察了苯酚去除性能的影响因素.结果表明,生物滴滤塔能高效处理苯酚气体,苯酚去除效率可达99.5%,长期运行平均去除效率在98%左右.适宜的运行条件为:停留时间20.6 s,循环液pH值7.0,喷淋密度1.67 m3·(m2·h)-1.采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术研究处理苯酚气体的生物滴滤塔填料表面的微生物,结果表明,生物滴滤塔内有5种降解苯酚的优势菌种:Polaromonas sp.、Acinetobacter sp.、Acidovorax sp.、Veillonella parvula和Corynebacterium sp..采用GC-MS分析出口气样,结果表明丙酮酸(CH3COCOOH)为生物降解苯酚的中间产物,并推测了苯酚生物降解的可能途径.     

鼠李糖脂强化生物滴滤塔去除乙苯废气效能及菌群结构研究

对添加表面活性剂鼠李糖脂后生物滴滤塔(BTF)去除乙苯废气的效能及滴滤塔中微生物16S r DNA高通量测序结果进行分析,探讨了鼠李糖脂对生物滴滤塔处理有机废气效能的影响机理.结果发现:鼠李糖脂在浓度为21.6 mg·L~(-1)时对微生物生长的促进作用尤为明显,BTF2(添加鼠李糖脂)和BTF1(对照)在挂膜启动期间生物量都呈现出逐渐增加的趋势,添加鼠李糖脂的BTF2在第35 d时生物量比BTF1增加了39.62 mg·g-1.BTF2的挂膜启动时间比BTF1缩短了5 d,并且系统挂膜稳定后对乙苯废气的去除率提高了12%.BTF1和BTF2的微生物群落组成基本相同,主要优势菌群是变形杆菌门.在BTF1系统中,变形杆菌门占62.3%;在BTF2系统中,变形杆菌门占81.9%.在属水平上,BTF1下层系统的主要优势菌属占45.7%,在BTF2下层系统主要优势菌属占73.4%.研究表明,在BTF系统中添加鼠李糖脂可以促进优势菌的富集生长,缩短系统启动挂膜时间,强化BTF系统对乙苯的降解,并提高BTF的去除效率和稳定性.     

微气泡曝气对生物膜反应器启动运行性能影响

比较了微气泡曝气(MB)与传统气泡曝气(CB)流化床生物膜反应器启动运行性能,以及生物膜形成过程与组成特性.结果表明,启动运行中,MB反应器的COD、NH4+-N和TN平均去除率分别达到90.3%、92.7%和43.4%,而CB反应器的COD、NH4+-N和TN平均去除率分别为79.4%、86.3%和29.3%,MB反应器污染物去除性能优于CB反应器.同时,MB反应器的氧利用率高达94.3%,显著高于CB反应器.MB反应器中生物膜形成速率和稳定生物膜生物量均高于CB反应器,并且所形成的生物膜VSS/SS比值较高而EPS含量较低.因此,微气泡曝气能够加速生物膜形成并获得更高的活性生物量,从而提高生物膜反应器的启动运行性能.     

挂膜方式对模拟河道生物反应器启动与稳态运行的影响

对比研究了自然挂膜和改进型闷曝排泥挂膜2种启动方式对模拟河道生物反应器修复微污染水源水过程特性的影响.结果表明,采用改进型闷曝排泥挂膜法有效缩短了弹性填料的挂膜周期,该反应器的NH3-N去除率比自然挂膜组提前1周达到70%以上.挂膜成熟后,闷曝排泥挂膜组附着的生物膜量和胞外多聚物含量分别为自然挂膜组的1.38倍和1.41倍,生物膜结构亦较为致密,2组反应器的NH3-N、CODMn平均去除率最终分别稳定在92%和82%以上.通过改变曝气强度和方式开展系统运行工况研究,发现2组反应器的NH3-N和CODMn去除性能呈现不同程度的波动,相比而言,采用闷曝排泥挂膜法启动的反应器对工况变化具有较强的适应能力, P(NH3-N)为0.001,一定程度上说明不同挂膜方式对填料附着的生物膜群落结构以及微污染水源水修复系统稳态运行性能影响显著.     

生物滴滤塔同步降解多组分挥发性有机物的实验研究

采用定向驯化活性污泥接种生物滴滤塔(BTF)同时处理甲苯、甲醇、丙烯酸乙酯挥发性有机化合物(VOCs)混合废气,考察BTF的长期稳定运行性能及微生物平均代谢活性.结果表明,混合气进口浓度低于910mg/m3时,BTF对VOCs混合废气总去除率可维持在80%以上,BTF可高效同步净化中低浓度VOCs混合废气;当进气负荷>120g/(m3·h)时,去除负荷趋于稳定,为100g/(m3·h)左右;CO2的生成量与混合废气的去除负荷的比值为1.731,表明BTF对此3种混合废气有较高程度的矿化;BTF对甲苯、甲醇、丙烯酸乙酯的降解行为符合Michaelis-Menten动力学模型,单位体积最大降解速率rmax分别是为90.9,50.5,58.5 g/(m3·h).平均吸光度(AWCD)值分析结果表明塔内微生物具有较高的代谢活性.     

Performance of biotrickling filters packed with structured or cubic polyurethane sponges for VOC removal

Two identical bench-scale biotrickling filters (BTFs), BTF 1 and BTF 2, were evaluated for toluene removal at various gas empty bed contact times (EBCTs) and organic loadings. BTF 1 and BTF 2 were packed with structured and cubic synthetic polyurethane sponges, respectively. At a constant toluene loading of 16 g/(m3 hr), toluene removal efficiencies decreased from 98.8% to 64.3% for BTF 1 and from 98.4% to 74.1% for BTF 2 as gas EBCT decreased from 30 to 5 sec. When the toluene loading increased from 35 to 140 g/(m3 hr) at a gas EBCT of 30 sec, the removal efficiencies decreased from 99.1% to 77.4% for BTF 1 and from 99.0% to 81.5% for BTF 2. The pressure drop for both BTFs increased with increased air flow rate, and did not significantly vary while the toluene loading was increased under similar operation conditions. BTF 1 and BTF 2 could start up successfully within 19 and 27 days, respectively, when packed with fresh sponge media, and the performances could be restored in 3–7 days after biomass was removed and wasted from the media. BTF 2 displayed higher removal efficiency even under shorter EBCT or higher loading rate than BTF1 when other operation conditions were similar, while it showed lower pressure drop than BTF 1 during the whole period of operation. These results demonstrated that both BTFs could treat waste gas containing toluene effectively.     

低温下AHLs对多级A/O工艺中好氧生物膜特性的影响

针对低温条件下多级A/O工艺出水氨氮容易超标问题,进行外源添加酰基高丝氨酸内酯类信号分子（AHLs）对低温下多级A/O工艺好氧段生物膜特性的影响研究.结果表明:添加100nmol/L的己酰基高丝氨酸内酯（C6-HSL）后生物膜硝化效率提高了22.34%,十二烷酰基高丝氨酸内酯（C12-HSL）则将生物附着量提高了24.47%,且C6-HSL和C12-HSL对生物膜硝化效率和生物附着量的提高作用均具有长期性.这是因为C6-HSL能够将低温下好氧段生物膜硝化活性提高17.56%,而C12-HSL可以将胞外聚合物（EPS）中蛋白质（PN）的含量提高67.37%.此外,C6-HSL和C12-HSL均能促进对应信号分子的内源释放,因此对生物膜硝化活性和附着性能具有长期积极影响.高通量测序分析表明C6-HSL可提高Nitrosomonas（亚硝化单胞菌）的丰度,故能提高R2中生物膜硝化活性;而外源添加C12-HSL对Rhodobacter（红杆菌属）丰度影响较大,这是实验组R5生物膜EPS中PN含量增加的重要原因.     

异养菌与新型填料成膜性及BTF处理屠宰H2S废气

以新型填料上生物膜的微生物种群结构为研究对象,将异养脱硫细菌蜡状芽孢杆菌ZJNB-B3接种到含活性污泥和LEVAPOR新型填料的小试曝气液体反应器,研究此菌在活性污泥及在填料生物膜中的微生物多样性.在属分类水平上的物种分析结果表明,芽孢杆菌属在接种后的填料中相对丰度较高,而在活性污泥样品中相对丰度较低,其在培养了第10d的填料样品中已经达到最大相对丰度.因此该菌与新型填料的亲和性和成膜性较好.将该菌与新型填料应用于生物滴滤塔（BTF）处理屠宰污水站排放的H₂S恶臭废气,风量处理能力为2000m³/h.结果表明,经该菌强化的BTF完成启动的时间比使用普通活性污泥接种的BTF缩短7d.强化的BTF在30d的稳定期试验中,当H₂S进气浓度为4.92~9.54mg/m³时,对H₂S去除率为98%~99%.当进气H₂S在1.0~10mg/m³范围波动时,空床停留时间（EBRT）为10,21,30s时,去除率分别为94%、98%、99%以上,且受进气H₂S浓度波动的影响不大.当进口负荷为0.60~1.14g/（m³·h）时,H₂S去除率稳定在98%以上,H₂S气体排放量低于恶臭污染物排放国家标准.