乙酸/丙酸作为EBPR碳源的动力学模型研究(Ⅱ)——动力学模拟

以乙酸和丙酸作为混合碳源,采用2组序批式反应器(SBR)研究聚磷菌(PAO)和聚糖菌(GAO)代谢过程中的物质转化规律.PAO和GAO动力学模型共包含7个计量学参数和24个动力学参数.根据计量学方程,推导了PAO和GAO动力学模型中的计量学参数.结合试验结果,确定了动力学参数的取值.采用Matlab软件积分计算了PAO和GAO胞内物质的变化规律.SBR运行的实际值与模拟值相吻合,表明基于SCFAs代谢的动力学模型能够很好地模拟PAO和GAO的好氧/厌氧代谢过程.     

乙酸/丙酸作为EBPR碳源的动力学模型研究(Ⅰ) ——模型的建立

以活性污泥ASM2模型为基础,采用混合短链脂肪酸(SCFAs)作为基准物质,建立了增强生物除磷系统中聚磷菌和(PAO)的厌氧/好氧动力学模型.模型的显著特点是厌氧代谢过程中的糖原水解、聚羟基烷酸合成、以及聚磷水解速率由SCFAs的速率方程表示,并考虑了厌氧维持对动力学和计量学的影响.模型建立了过程计量学系数矩阵,包括3个溶解性组分、4个颗粒性组分,同时考虑了pH对代谢动力学的影响.最后,在PAO模型的基础上,建立了GAO的动力学模型,该模型包含7个过程,磷的浓度仅对其好氧生长有影响.     

发酵液作为EBPR碳源的动力学模拟

发酵液是一种优质的碳源,能够提高生物除磷系统(EBPR)的除磷效果.采用基于碳源代谢的修正ASM2模型,能够较好地模拟发酵液作为EBPR碳源的动力学变化规律.发酵液作为EBPR唯一碳源时,系统中的异养菌不仅不对聚磷菌(PAO)的生长构成竞争关系,反而促进PAO的生长.发酵液作为实际污水的补充碳源时,优化了污水中的碳源组成,创造了有利于聚磷菌生长的环境,使EBPR中聚磷菌达到微生物总量的40%以上,比实际污水作为碳源的EBPR中的PAO含量提高了3.3倍.     

不同碳源对EBPR启动期聚磷菌的影响研究

以实验室序批式反应器(SBR)为强化生物除磷工艺(EBPR)载体,接种具有初步除磷功能的污泥后,以乙酸∶丙酸=1∶1(按各自折算的COD计)为混合碳源(以下简称混酸),厌氧初始pH 7.6±0.1,富集聚磷菌(PAO)。启动30 d后,EBPR反应器中为PAO和聚糖菌(GAO)的混合菌属,此时从反应器中取泥样进行批式试验,分别考察乙酸、丙酸及混酸对聚磷菌的富集和厌氧释磷的影响。结果表明:在EBPR启动期内,乙酸作为单一碳源时释磷量最大,但混酸碳源释磷效率最高,最有利于PAO富集;丙酸作为单一碳源时降解率最大而释磷量最小,不适合EBPR启动期的PAO富集。     

聚磷菌厌氧时吸收乙酸和丙酸的代谢模型

水体中存在过多的磷是造成水体富营养化的重要原因之一,聚磷菌（polyphosphate accumulating organisms）因为能过量吸收磷而倍受关注。厌氧时,聚磷菌能大量吸收污水中的挥发性脂肪酸,经过一系列的生化反应,为好氧吸磷做准备。经过总结在厌氧条件下,聚磷菌Accumulibacter吸收乙酸和丙酸代谢转化的化学计量方程,并对模型中系数、还原力的产生、糖原降解途径以及厌氧条件下最终产物PHA的组成进行了讨论,得出挥发酸是通过主动运输进入细胞,且糖原经过ED途径提供还原力,多聚磷酸盐水解提供ATP和释放磷酸盐于体外,最终产生PHA的假设过程。但是,经过众多模型试验,一些假设仍没有得到最后的结论,所以应该进一步用富集程度较高的污泥进行精确研究。本文最终希望利用聚磷菌的代谢模型在工程运用中发挥最大效用。     

不同丙酸/乙酸对聚糖菌长/短期代谢的影响

在3个SBR反应器(即SBR-A,SBR-C和SBR-E)中,以3种不同比例的丙酸/乙酸中长期驯化活性污泥使之富集聚糖菌,对丙酸/乙酸对聚糖菌的长期和短期代谢的影响进行了研究.结果表明,长期高丙酸/乙酸驯化导致聚糖菌厌氧消耗的糖原量和合成的聚β羟基烷酸酯(poly-β-hydroxyalkanoates, PHA)的量都较少,在好氧段积累的糖原量和降解的PHA的量也较小,并且对聚糖菌的脱氢酶活性、生长速率及对有机酸的利用能力等都有抑制作用.当进水中的丙酸与乙酸的碳摩尔数相同时,单位生物量利用乙酸的速率较丙酸快.不同丙酸/乙酸对聚糖菌代谢的短期影响的研究表明,当进水中乙酸浓度突然提高时,长期以高丙酸/乙酸驯化的聚糖菌可以直接利用乙酸参与代谢,但长期以低丙酸/乙酸驯化的聚糖菌则无法快速利用丙酸.提高进水中丙酸/乙酸有可能成为有效抑制聚糖菌生长并提高增强生物除磷系统稳定性的一种策略.     

水温变化对EBPR系统除磷效果响应机制的数值模拟研究

大量研究表明,水温变化会影响聚磷菌和聚糖菌之间的竞争关系,是造成EBPR系统除磷效果波动的重要因素.温度的逐步升高导致聚磷菌在强化生物除磷(EBPR)系统中逐渐失去优势直至系统崩溃.然而,有关如何利用物理模拟和数值模拟手段恢复升温破坏后的EBPR系统除磷效果及其响应机制的研究甚少.本文基于全耦合活性污泥数学模型(FCASM3),对EBPR系统进行数值建模和模拟试验,研究温度变化对EBPR系统的影响,旨在用模型预测及验证水温变化对EBPR系统除磷效果响应机制及适宜聚磷菌生存的极限条件,通过升温破坏及温度恢复的试验与模拟研究,进一步分析不同温度对EBPR系统中聚磷菌和聚糖菌的影响.通过对比FCASM3与国际水协的除磷代谢模型ASM2d在不同运行温度(20℃,25℃,30℃,35℃)下,对EBPR系统出水COD、PO43--P等污染物质的模拟变化趋势,结果表明FCASM3能更好地模拟EBPR系统中聚磷菌和聚糖菌的行为,且随着温度的升高,EBPR的除磷效率下降.在水温升高和恢复的过程中发现,温度升高到35℃,会导致EBPR的崩溃,短时间内不能恢复升温前的除磷效率.     

DO浓度对EBPR耦合SND处理低C/N污水的影响

为了解厌氧/好氧运行的序批式反应器（SBR）中,强化生物除磷（EBPR）与同步硝化反硝化（SND）的耦合脱氮除磷特性,以实际低C/N （约为3.5）生活污水为处理对象,先通过调控进水C/N考察其对EBPR启动和聚磷菌（PAOs）富集情况的影响,再通过调控好氧段DO浓度考察其对系统脱氮除磷性能、SND率及碳源转化特性的影响.结果表明,DO浓度为2.0mg/L,当进水C/N由3.2提高至7.5并降至3.8时,反应器出水PO₄^3--P浓度由3.9mg/L逐渐降至0.5mg/L以下,且厌氧释磷量（PRA）由3.3mg/L逐渐升高至约30mg/L.此后,当DO浓度逐渐降至约1.0mg/L时,SND现象愈加明显,且其与EBPR耦合使得系统总氮（TN）和PO₄^3--P去除率分别提高至85%和94%.但当DO浓度约为0.5mg/L时,硝化过程进行不完全,亚硝酸盐积累较为明显,耦合系统中存在同步短程硝化反硝化现象.DO浓度为约1.0mg/L时,系统具有最高的脱氮除磷性能.此外,当DO浓度由2.0mg/L降至0.5mg/L时,PAOs较聚糖菌（GAOs）在厌氧内碳源储存中的贡献逐渐减小（P_PAO,An由30.3%逐渐降至20.2%）,PRA降低约7mg/L.DO浓度为1.0~1.5mg/L最有利于系统厌氧段内碳源PHA的合成.     

进水氨氮浓度对强化生物除磷(EBPR)系统除磷特性及微生物群落结构的影响

以富集聚磷菌的活性污泥为基础,研究了不同进水氨氮浓度对强化生物除磷(EBPR)系统的除磷效果、微生物胞内聚合物(PHA)代谢过程及微生物群落结构的影响.结果表明,SBR反应器运行6 d后,进水氨氮浓度为1、5、10、15和20 mg·L-1的系统除磷效率最终分别稳定在0、4%、80%、98%和65%左右.试验前后各系统...     

C/P对EBPR系统PAOs与GAOs竞争及PHAs代谢过程影响研究

以富含聚磷菌(PAOs)活性污泥为基础,基于FISH技术研究了SBR工艺不同C/P(25∶1、20∶1、15∶1和10∶1)对EBPR系统中功能菌变化特征与微生物胞内聚合物(PHAs)代谢过程的影响.结果表明,经过10 d运行处理,C/P分别为25∶1、20∶1和15∶1系统磷酸盐去除率88%,而C/P为10∶1系统磷酸盐的去除率为0%.FISH检测结果显示,随着C/P从25∶1下降到10∶1,EBPR系统中PAOs的含量相应从(76.42±1.24)%减少到(10.40±0.97)%,而聚糖菌(GAOs)则从(16.36±3.41)%增加到(34.25±2.59)%.在厌氧段,不同C/P条件下EBPR系统中PHB和PHV的合成动力学系数大小分别为K25∶1K20∶1K15∶1K10∶1和K15∶1K20∶1K25∶1K10∶1.随着C/P从25∶1下降到10∶1,合成PHB在PHAs中所占的比例从85%下降到24%,而PHV则从15%上升到76%;在好氧段,不同C/P系统消耗PHB和PHV的动力学系数大小均为K20∶1K25∶1K15∶1K10∶1,且C/P为25∶1、20∶1和15∶1时系统消耗主要成分是PHB(占PHAs 71%～75%),而C/P为10∶1时系统消耗主要成分是PHV(占PHAs 71%).由此表明,随着C/P的降低,EBPR系统内GAOs增加而PAOs减少,从而导致系统内PHB合成与消耗比例逐渐减少,而PHV合成与消耗比例逐渐增加.     

水中As(Ⅲ)的氧化动力学研究

文章以空气作为氧化剂进行了氧化A(sⅢ)的相关实验,探讨水中A(sⅢ)的氧化动力学过程。实验结果表明:pH对曝气氧化水中A(sⅢ)的影响不明显;室温条件下避光曝气8 h时A(sⅢ)的氧化率为9.24%,阳光下曝气8 h时,氧化率达到17.92%,阳光下曝气氧化水中As(Ⅲ)的效果明显比避光曝气时的好,氧化过程均符合一级动力学过程。结论:曝气能对水中的A(sⅢ)起到一定的氧化作用,光照对于水中的A(sⅢ)的氧化起到了重要的作用。     

聚糖菌的化学计量学与动力学的研究

根据国内外文献的有关报道,介绍了在强化生物除磷(EBPR)系统中聚糖菌(GAOs)的化学计量学和动力学的特征,并指出了今后研究的重点。     

CTN-4降解百菌清的条件优化及动力学模型的研究

选用已筛选出的以百菌清为唯一碳源的降解菌株Pseudomonas sp. CTN-4作为百菌清降解菌.采用CCD设计试验,以响应面法优化CTN-4降解百菌清的条件,并建立了降解模型.结果表明,CTN-4降解百菌清的最优条件为:百菌清浓度为102.66mg/L,葡萄糖量为0.40%,初始pH值为7.05.在该条件下理论预测百菌清降解率可达93.89%,与在该条件下测定的实际值95.07%基本吻合.实验表明温度, pH值以及百菌清的初始浓度对百菌清的降解过程都有较大影响.百菌清的降解动力学模型与Compertz模型较为相似,可以用修饰过的Compertz模型进行拟合.     

灭幼脲(Ⅲ)在模拟大气条件下光解动力学的初步研究

本文初步研究灭幼脲(Ⅲ)在模拟大气条件下的光化学行为,测定定在不同气体气流环境中灭幼脲(Ⅲ)的反应速率。结果表明,灭幼脲(Ⅲ)在氮气及空气中的光解反应表现为动力学一级形式,而在氧气中则近似为二级反应。     

丙酸/乙酸比例对生物除磷系统的影响研究

在5个SBR反应器(1#～5#)中,用乙酸、丙酸/乙酸(以C计)比例为0.5、2、10和丙酸的合成废水,通过厌氧/好氧工艺驯化活性污泥使之富集聚磷菌,研究了丙酸/乙酸比例对强化生物除磷系统(EBPR)中COD降解、溶解性正磷酸盐(SOP)的释放、吸收及其去除率的影响。结果表明,PAO对COD的降解符合一级动力学过程,PAO对丙酸的利用速率较乙酸快,因此,增加丙酸/乙酸比例有助于EBPR系统的稳定性。随丙酸/乙酸比例增加,SOP的释放与吸收量减少,SOP的代谢速率降低,但SOP的去除率依次为88.2%,89.8%,92.2%,94.2%和95.2%,去除率增加了7%,因此增加丙酸/乙酸比例有助于提高EBPR系统除磷效率。     

两种生物除磷系统活性污泥中除磷菌的甄别——淀粉-缺氧/好氧交替与乙酸盐-厌氧/好氧交替系统

为了直接识别出污泥中的聚磷细菌和其种属,本研究采用4',6-二脒基-2-苯基吲哚(DAPI)染色和流式细胞荧光分选技术(FACS)对以淀粉为唯一碳源的缺氧/好氧序批式活性污泥(SBR)系统(R1)的缺氧末期和好氧末期以及以乙酸盐为唯一碳源的厌氧/好氧SBR系统(R2)的好氧末期污泥的聚磷细菌进行了原位分选,并通过16S rRNA高通量测序技术鉴定了分选后细菌的种属.结果表明,在R1中,缺氧期和好氧期均进行生物除磷,且缺氧期吸磷量大于好氧期. R2中发生着厌氧期释磷、好氧期大量吸磷的传统生物除磷.利用FACS在R1和R2污泥中均分选得到10⁶个相对纯度为85%的具有聚磷颗粒的细菌.测序结果表明,在R1系统中,缺氧段优势的聚磷菌属为Halomonas(37.75%)、unclassified Brucellaceae(14.15%)、Pseudomonas(6.49%)、unclassified Chlamydiales(0.027%)和Sphingopyxis(0.007%);好氧段优势聚磷菌属为Halomonas(19.72%)、unclassified Brucellaceae(14.62%)、Pseudomonas(14.28%)、unclassified Comamonadaceae(0.046%)、unclassified Acidobacteria Gp3(0.036%)和Ferruginibacter(0.026%).R1系统中unclassified Chlamydiales和Sphingopyxis仅仅在缺氧条件下具有聚磷功能,而unclassified Comamonadaceae、unclassified Acidobacteria Gp3和Ferruginibacter仅在好氧条件下才具有聚磷功能.在R2系统中,优势聚磷菌群为Dechloromonas(11.06%)、unclassified Anaerolineaceae(9.29%)、unclassified Bacteroidetes(7.44%)、unclassified Gammaproteobacteria(7.34%)以及Acinetobacter(0.31%).这意味着在新型的除磷系统(R1)中,参与除磷过程的细菌包括好氧,缺氧和兼性缺氧聚磷细菌,而在传统的除磷系统(R2)中,参与除磷过程的细菌仅为好氧聚磷细菌.     

活性污泥中硝化螺菌(Nitrospira)的富集及其动力学参数

采用连续进水的进水方式对污水处理厂活性污泥系统中的Nitrospira富集培养并对其相关动力学参数进行研究.结果表明,在控制反应器亚硝酸盐浓度不高于2 mg·L~(-1)的条件下可以成功富集出以Nitrospira为优势种属的活性污泥,其最大比亚硝酸盐氧化速率(以N/VSS计)为48.72 mg·(g·h)~(-1).荧光原位杂交结果显示Nitrospira占活性污泥总微生物量的75%左右,而Nitrobacter仅占总微生物的0.1%.此外通过对Nitrospira在20℃时的动力学参数进行测定,结果表明Nitrospira的最适生长温度为30~35℃,温度修正系数τN为1.046,其基质半饱和常数KS和氧半饱和常数KO分别为(0.32±0.03)mg·L~(-1)和(1.52±0.09)mg·L~(-1).Nitrospira动力学参数的研究为污水处理厂的设计运行及工艺优化提供理论参考.     

Fe(Ⅲ)掺杂Mg/Al-LDO作为氮磷吸附剂的研究

针对污水厂尾水脱氮除磷问题,采用共沉淀法制备了镁铝铁类水滑石（Mg/Al/Fe–LDHs）,在450℃下焙烧3h得到焙烧态类水滑石（Mg/Al/Fe–LDO）.研究了Fe（Ⅲ）掺杂对Mg/Al-LDO吸附氮磷的影响及吸附特性.结果表明,当Mg/Al/Fe物质的量比为3：0.6：0.4时,Mg/Al/Fe-LDO对氮磷吸附性能较好,最大吸附容量分别为28.57mg/g和231.46mg/g.吸附过程均符合Langmuir吸附等温模型,拟合相关系数（R²）达到0.99以上.根据XRD、FTIR的表征结果可以推断,Mg/Al/Fe–LDO是通过“记忆效应”、静电引力作用完成对氮磷的吸附,对磷的吸附还包括离子交换作用.     

氨法脱硫工艺S(IV)氧化动力学模型研究

目前,有关氨法脱硫技术对S(IV)氧化的研究未考虑HSO-3及离子强度等因素的影响.因此,本文根据氨法脱硫反应机理建立实验装置对S(IV)氧化动力学进行了研究,考察了SO2-3浓度、SO2-4浓度、pH值、温度和氧化空气量对S(IV)氧化速率的影响.结果表明,S(IV)的氧化速率与SO2-3浓度呈-0.5级关系,与SO2-4浓度之间的关系为r(IV)=0.00121exp(-0.89CSO2-4);HSO-3较SO2-3更容易被氧化,保持较低pH值时对S(IV)的氧化有利;S(IV)的氧化速率随氧化空气量和温度的升高而增大,反应的表观活化能约为28.0 kJ·mol-1.利用数学模型对S(IV)氧化过程进行了数值模拟,结果表明,该模型能够较好地反映氨法脱硫S(IV)氧化过程.     

超临界流体萃取固体物料动力学模型的研究进展(英文)

文章总结与讨论了超临界流体萃取固体物料的动力学模型。这些动力学模型包括经验模型,基于热传递类推的模型以及基于微分质量平衡的模型。所有这些都有助于实现过程的数学模拟放大,有助于投资前的经济预算,有效减小投资风险,也可作为超临界流体萃取过程的研究手段,减少实验探索的工作量。