零价铁与磁铁矿促进半干式猪粪厌氧产甲烷的效能与机理研究

本实验探究了相同剂量（5 g·L^-1）的零价铁、磁铁矿和两者的混合物对半干式猪粪厌氧消化过程的影响,重点揭示了零价铁和磁铁矿对甲烷生产的协同促进效能与机理.结果表明,与无添加剂的对照组相比,零价铁、磁铁矿和混合添加剂分别使系统的甲烷产量提高了32.8%、21.8%和35.1%.与单独添加零价铁或磁铁矿相比,混合添加剂对产甲烷的提升效果更佳.零价铁与磁铁矿对厌氧消化的协同促进效应体现在以下4个方面：①能更好地维持低氢气分压环境,推动产甲烷种间电子传递;②可使反应器的总碱度维持在相对较高的水平,提高系统缓冲 能力;③能增加厌氧体系中溶解性铁离子浓度,进一步提高厌氧微生物的活性;④同时富集能够介导种间氢传递和种间直接电子传递的细菌和古菌,提高有机底物转化为甲烷的效率.     

A/O-MBBR工艺处理生活污水性能及菌群结构

采用设计规模为100m³/d的一体化缺/好氧-移动床生物膜反应器(A/O-MBBR)处理实际生活污水,通过265d的中试研究考察了该工艺在多因素扰动下的除碳和脱氮性能,并对不同运行阶段微生物群落结构的动态变化进行了研究.结果表明,一体化A/O-MBBR系统具有良好的COD去除效果和脱氮性能.当好氧池溶解氧(DO)浓度和进水碳氮比(COD/N)分别为2.5~3.5mg/L和(7.9±2.0)时,COD、NH₄⁺-N和TN去除率分别达到(93.3±5.4)%、(99.1±0.6)%和(67.9±10.5)%.Proteobacteria、Bacteroidetes和Chloroflexi在不同运行时期均有较高的相对丰度,保证了有机物的高效去除.A/O-MBBR系统脱氮功能菌在运行初期主要分布于活性污泥中,且相对丰度较低.长期运行后,生物膜与活性污泥中均同时检出大量硝化菌和反硝化菌.其中,相对丰度最高的硝化菌为Nitrospira,主要分布于生物膜上(19.48%~28.05%).反硝化菌则以Thauera、Terrimonas和Dokdonella等为主.     

生物酶对初沉污泥厌氧发酵产短链脂肪酸的调控研究

旨在通过生物酶调节(碱性蛋白酶、中性蛋白酶和α-淀粉酶)提高初沉污泥的厌氧发酵效率,并通过微生物群落结构解析,SCFAs (short-chain fatty acids,SCFAs)组分分析等揭示其调控机理.结果表明,3种生物酶均可增强初沉污泥水解和产酸作用,碱性蛋白酶调控系统对初沉污泥厌氧发酵的促进效果最为明显,发酵第4d SCFAs的产量和产率分别达到1508mg COD/L和0.174g COD/g VSS.对比控制组,SCFAs的产量和产率分别增加了1129mg COD/L和0.13g COD/g VSS.微生物群落结构分析表明,在碱性蛋白酶调控发酵系统中,Lentimicrobium、Proteiniphilum和Bacteroides等发酵相关菌群的相对丰度得到了改善,Methanosaeta、Methanospirillum等产甲烷古菌的活性受到了抑制.同时,生物酶调控对促进发酵过程乙酸占比也有促进作用.     

低温下废铁屑对厌氧氨氧化系统的影响

考察了在低温条件下(<20℃)废铁屑及其投加方式对厌氧氨氧化反应器脱氮性能和微生物群落的影响.结果表明,当废铁屑投加量为10g/L时,直接(R2)和间接(R3)投加方式均会对厌氧氨氧化反应造成短期抑制,总氮去除率分别降低4.7%和3.4%;30d连续运行后,2组反应器总氮去除率均提升至70%左右;反应器稳定运行阶段,R2的R_s(NO₂^--N与NH₄⁺-N去除量之比)和R_p(NO₃^--N生成量与NH₄⁺-N去除量之比)为1.57和0.22, R3的R_s和R_p为1.49和0.23,比R2更接近厌氧氨氧化反应理论值.废铁屑在水中发生腐蚀,降低DO并提高pH值,且R2,R3污泥中铁含量分别为对照组的1.64倍和1.93倍,废铁屑不仅改善了厌氧氨氧菌的生境,还满足了其对铁元素的需求.高通量测序结果显示,在20~50d的运行过程中, R1,R2,R3中优势厌氧氨氧化菌属Candidatus_Kuenenia的相对丰度分别增加-1.05%,0.14%和0.96%,废铁屑的投加促进了厌氧氨氧化菌在低温下的生长,且间接投加促进效果更为显著.     

污泥基生物炭结构的共焦显微拉曼技术应用

采用共焦显微拉曼光谱仪探索不同热解温度(500~900)℃条件下所制备的污泥基生物炭结构变化的表征方法.结果表明,拉曼信号的荧光干扰与生物炭的理化特性有较强的相关性.随着热解温度升高,拉曼漂移系数减小,这与污泥基生物炭挥发分含量、H/C和O/C比变化趋势一致.其中,漂移系数与挥发分含量和H/C的相关性指数分别是0.97和0.94,其变化规律可用来准确评估生物炭挥发分含量和H/C的变化.同时,生物炭在拉曼光谱中的特征峰强度比D/G随着热解温度升高而增强,代表了污泥基生物炭无序化程度增加的过程.谷区域(V)与D峰强度比IV/ID随热解温度升高而减小,表明具有缺陷的稠合芳环结构的比例增加;另外,经分峰拟合后得到的ID1/IG1变化较小,而ID2/IG2呈增加趋势,证实了小分子侧链基团断裂形成的化合物部分沉积在炭表面,形成缺陷和非晶结构;IG1/IG2随着热解温度升高而减小,表明了炭基材料键角有序与无序比随着热解温度的升高而降低.因此,拉曼光谱可用于表征污泥基生物炭的微观结构变化,反映其结构演变规律.     

厌氧水环境中噬菌体MS2的存活和团聚特性及理化因素的影响

为探究病毒在厌氧水环境中的存活特性,以噬菌体MS2为模式病毒,采用双层平板法进行噬菌体MS2的定量检测,研究温度、pH值、悬浮颗粒物、乙酸等理化条件对噬菌体MS2的影响,分析其衰减动力学特征,并通过测定Zeta电位和噬菌斑直径考察噬菌体颗粒在不同条件下的聚集状况.结果表明,在厌氧水环境中,噬菌体MS2的衰减符合一阶指数衰减模型.在众多研究因素中,温度是影响噬菌体MS2存活的最主要因素.噬菌体MS2在4,17,25和35℃时的T₉₀分别为20.36,6.14,5.15和0.46d.35℃条件下12h后噬菌体失活率高达2.44lg,而4℃条件下7d后噬菌体失活率仅有0.78lg.增加乙酸浓度能明显提高噬菌体MS2的衰减速率.低pH值和悬浮颗粒物条件会促进噬菌体的团聚,使噬菌体颗粒Zeta电位降低,水力学直径增大,但悬浮颗粒物浓度过高会影响颗粒间的静电作用.噬菌体的团聚也增加了噬菌斑的直径,pH=6和20mg/L的悬浮颗粒物条件下,直径1.0mm以上的大噬菌斑数量占比分别达到了45.61%和57.74%.明确厌氧水环境中各种理化因素对噬菌体MS2的影响,可为水环境病毒控制提供科学依据.     

EDTA-2Na/Fe(Ⅱ)对自养生物体系下硝酸盐还原过程的影响

采用厌氧序批式生物膜反应器(ASBBR),以固定浓度的硝酸盐和硫酸亚铁为基质,按不同梯度条件添加EDTA-2Na,进行长时间的培养驯化,研究铁盐脱氮的启动过程,同时探究不同EDTA-2Na/Fe (Ⅱ)对铁自养反硝化过程以及硝酸盐异化还原为铵(DNRA)的影响.结果表明:经过65d的培养驯化,反应器成功稳定运行.当EDTA-2Na/Fe (Ⅱ)<1.50时,反应器只进行铁自养反硝化过程,NO₃^-—N去除率最高仅为71.70%;当EDTA-2Na/Fe (Ⅱ)≥ 1.50时,反应器同时进行铁自养反硝化与DNRA过程,NO₃^-—N去除率最高为99.70%.值得注意的是,在EDTA-2Na/Fe (Ⅱ)=1.50时,铁自养反硝化速率达到最大值1.63mg/(L·h)的同时,DNRA的产氨量也达到最大值9.75mg/L.Visual MINTEQ模拟结果表明:EDTA-2Na与Fe (Ⅱ)的摩尔比会影响进水中EDTA-2Na与Fe (Ⅱ)的存在形态,物质的量比越大,FeEDTA^2-浓度越高,Fe (Ⅱ)的生物可利用性越强.通过对不同样本进行微生物种群分析,发现优势菌属有Brucella、Castellaniella、Ochrobactrum、Pseudomonas、Citrobacter,前4种菌属均与反硝化过程有关,Citrobacter菌属与DNRA过程有关,且该菌属只在EDTA-2Na/Fe (Ⅱ)=1.50和1.75两个条件下出现.上述研究结果可为更深入探究DNRA与反硝化之间的作用关系提供参考.     

污泥基生物炭提升活性污泥系统处理性能

对污泥基生物炭提升活性污泥系统处理性能进行探讨,将活性炭和污泥基生物炭分别投入A²O工艺厌氧池活性污泥,发现其对COD削减率最高分别为72.9%和41.1%,均能有效削减,生物炭对TN削减率最高为74.1%,优于活性炭.表征显示污泥基生物炭上更易附着活性污泥且比表面积更大.在A²O小试厌氧池中以"1次/污泥龄"为频率投加活性炭、污泥基生物炭和脱脂污泥基生物炭,结果发现:投加污泥基生物炭对COD、TN、TP的削减均优于活性炭,投加脱脂污泥基生物炭对COD、TN的削减与投加活性炭相当,对TP平均削减率高达85.6%,优于活性炭,表明生物炭处理(BT)工艺比粉末活性炭处理(PACT)工艺处理生活污水能力更强,脱脂污泥基生物炭作为污泥脂质提取后的副产品更经济.     

pH值调控柠檬酸污泥厌氧发酵产酸及碳源潜力研究

以柠檬酸废水厌氧颗粒污泥为接种物,在不同pH值调控条件下开展柠檬酸生产废水剩余活性污泥厌氧发酵产酸研究。通过对发酵液挥发性脂肪酸(VFAs)、有机质、氮磷和污泥脱水性能的分析,探讨了柠檬酸污泥厌氧产酸机制。结果表明,pH³10的碱性条件更有利于有机质的溶出从而促进VFAs的产生。三维荧光光谱分析发现在恒定pH值下腐殖酸(HA)和富里酸(FA)会大量溶出降低VFAs的产量。初始pH=10是柠檬酸污泥厌氧产酸的最佳pH值,发酵4d的VFAs浓度最高达(6681.47±126.82)mg COD/L,是文献报道中市政污泥产酸量的近2倍,其中乙酸占比49.8%,发酵后产酸功能菌Chloroflexi、Bacteroidota的相对丰度分别由初始的9.52%、10.87%增至16.84%、14.39%,污泥归一化毛细吸水时间(n_CST)为(11.34±0.27)s×L/g,脱水性能良好,发酵液TP浓度为(20.45±0.33)mg/L。研究表明,利用柠檬酸剩余活性污泥碱性厌氧发酵产酸作为污水处理过程中的外加碳源具有较大潜力。     

铁盐浸渍强化污泥活性炭-甲醇热质传递特性

针对以市政污泥为核心的炭素前驱体开展原位铁盐浸渍磁修饰,通过响应曲面试验设计优化并制备了新型原位浸渍炭IM-WNC;以成品炭的后浸渍磁修饰炭PM-WNC为参比,考察了原位浸渍与后浸渍磁修饰过程对污泥活性炭-甲醇工质对的吸附/解吸速率、吸附等温线、吸附床传热性能、制冷量及制冷功率等方面的影响。结果表明:与后浸渍过程相比,原位铁盐浸渍有利于保持污泥炭总孔容积(0.6608cm³/g)及比表面积(1122m²/g)水平,能显著提升致密化污泥炭IM-WNC的导热系数(600kg/m³,4.586W/(m·K))、甲醇Sokoda&Suzuki平衡吸附量((528.74±15.86)mg/g)和Langmuir最大吸附量((673.99±13.52)mg/g)。升温脱附与冷却吸附循环体系内,IM-WNC致密化吸附床中心温度峰谷差值可达到69.07℃。当循环时间为76min,解吸温度为100℃时,IM-WNC吸附制冷床的制冷量和制冷功率分别达到501.43kJ/kg和799.06kJ/(kg·h),较PM-WNC分别提升了15.61%和18.69%。