启动炭管膜曝气生物膜反应器实现全程自养脱氮

启动包裹无纺布的多微孔炭管为膜组件的膜曝气生物膜反应器(MABR),实现基于短程硝化和厌氧氨氧化的完全自养脱氮.首先接种普通硝化污泥启动反应器,在温度35℃, pH为7.9条件下,通过对膜内腔压力的适当控制逐步降低反应器溶解氧浓度,实现亚硝酸盐的积累.然后再次接种厌氧氨氧化污泥,使无纺布上形成好氧氨氧化菌与厌氧氨氧化菌稳定共存的膜曝气生物膜,从而实现全程自养脱氮结果表明,经过120 d连续运行,在膜内压力为0.015MPa,水力停留时间6 h,进水NH 4-N为200 mg/L±10 mg/L条件下, NH 4-N转化率达到88.7%,出水总氮平均为48.65mg/L,总氮去除率达到83.77%.荧光原位杂交(fluorescent in situ hybridization, FISH)分析表明,好氧氨氧化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌作为主要功能菌群分别控制着靠近炭管膜/生物膜界面区域和靠近生物膜/液体界面区域.     

曝气压力对MABR中同步硝化反硝化脱氮的影响

以模拟生活污水为研究对象,探讨膜曝气生物反应器(MABR)推流运行时不同曝气压力下不同点位分布的溶解氧值特征;利用MABR可形成好氧/缺氧/厌氧的环境特性,针对曝气压力对MABR同步硝化反硝化脱氮效果的影响进行研究,借助微生物鉴定手段对MABR的群落结构进行分析。研究结果表明:相同曝气压力下的DO值,轴向上波动较大,径向上以曝气膜为中心向外部逐渐降低;随着曝气压力的增加,不同点位分布的DO值均提高,同步硝化反硝化效率先升高后降低。当曝气压力为0.04MPa时出水的同步硝化反硝化脱氮效果最佳为74.67%。在此曝气压力下,微生物群落鉴定证明生物膜内出现了好氧-兼氧的分层现象,生物膜内由好氧菌、兼氧菌共同完成硝化、反硝化过程,主体液料由厌氧菌作为优势菌群进行反硝化作用,并且根据未检测出厌氧氨氧菌的鉴定结果排除发生厌氧氨氧化的干扰。     

SPG膜曝气-基因工程菌生物膜反应器处理阿特拉津废水研究

膜曝气-生物膜反应器(MABR)是一种新型的膜-生物废水处理工艺,在MABR中采用基因工程菌生物膜可以强化难降解污染物的生物去除.本研究在SPG膜表面形成基因工程菌生物膜,运行SPG膜曝气-生物膜反应器(SPG-MABR)处理阿特拉津废水,考察了气压、挂膜生物量和液体流速对SPG-MABR运行性能的影响,以及基因工程菌生物膜的变化.结果表明,提高气压可以增大透氧系数,从而提高阿特拉津和COD的去除速率以及复氧速率.提高挂膜生物量能够加快阿特拉津和COD的生物去除,但生物膜厚度增加使得氧传质阻力增大,复氧速率降低.层流状态下减小SPG-MABR中的液体流速,有利于污染物向生物膜扩散传质,从而提高污染物去除速率.气压为300 kPa、生物量为25 g·m-2、液体流速为0.05 m·s-1时,SPGMABR反应器对阿特拉津5 d的去除率可以达到98.6%.在SPG-MABR运行过程中,基因工程菌生物膜呈现微生物多态化趋势.生物膜表面逐渐被其他微生物细胞覆盖,基因工程菌分布减少,生物膜内部仍以基因工程菌细胞为主.     

膜曝气-生物膜反应器生物强化处理阿特拉津废水运行性能

在疏水SPG(shirasu porous glass)膜表面形成基因工程菌生物膜,构建SPG膜曝气-生物膜反应器(MABR)生物强化处理阿特拉津废水,考察MABR反应器稳定运行过程中污染物去除性能及其影响因素.结果表明,增大SPG膜孔径和曝气压力,能够提高曝气供氧能力,改善COD和阿特拉津生物强化去除效能.1.5μm疏水SPG膜在70 k Pa曝气压力下的最大供氧能力约为22.4 g·(m~2·d)~(-1).曝气压力为70 k Pa、水力停留时间(HRT)为1.5 h时,1.5μm膜MABR反应器COD平均去除率为80.1%,平均去除负荷为1.86 kg·(m~3·d)~(-1);阿特拉津平均去除率为62.5%,平均去除负荷为0.18 kg·(m~3·d)~(-1).进一步缩短HRT、增加进水负荷后,MABR反应器DO浓度显著下降,COD和阿特拉津去除效率大幅降低.DO浓度对阿特拉津去除的影响更为显著.随着MABR反应器的稳定运行,SPG膜表面单一基因工程菌生物膜逐渐演化为复杂微生物群落,但基因工程菌可以较好地存在于生物膜内,从而保持阿特拉津生物强化去除能力.     

膜曝气生物膜反应器数学模型的研究进展

污(废)水处理与资源化是控制水体污染、缓解水资源短缺的重要手段。高效的污水处理工艺是实现污水处理与资源化的关键。膜曝气生物膜反应器(membrane-aerated biofilm reactor, MABR)是一种集膜技术和生物膜技术于一体的新型污水处理技术,具有氧传质效率高、同步除碳脱氮等优势,因此在污(废)水处理领域得到广泛研究与应用。MABR数学模型是依托于数理逻辑方法的系统定量描述,对于深入解析MABR系统运行机理、优化工艺参数具有重要意义。通过回顾MABR数学模型的发展历程,从底层逻辑出发归纳概括了MABR数学模型涉及的主要过程(包括MABR传质过程模型和MABR反应过程模型);分析了MABR模型研究中的关键影响参数;总结了现有MABR模型研究中存在的问题,并对今后MABR数学模型的研究方向进行了展望。     

氨氮负荷对膜曝气生物膜反应器部分亚硝化性能的影响

对不同进水氨氮负荷下中试膜曝气生物膜反应器(MABR)部分亚硝化性能进行了考察,旨在确定在MABR中启动、优化和维持稳定亚硝化的控制策略.在进水氨氮表面负荷由(4.9±0.4)g·m-2·d-1(以N计,下同)升至(9.1±0.5)g·m-2·d-1的过程中,MABR氨氮去除负荷可以达到(5.7±0.5)g·m-2·d-1.当进水氨氮负荷为7.4 g·m-2·d-1时,本试验MABR部分亚硝化效果最佳,亚硝化率可达96.3%.部分亚硝化的维持需要控制合适的生物膜厚度,当生物膜厚度在110~170μm之间时,MABR亚硝化率在90%左右,能够有效实现对亚硝酸盐氧化菌(NOB)的抑制和亚硝酸盐的积累.利用微生物比氧利用率(SOURAOB)来反映生物膜中氨氧化菌(AOB)的活性,发现MABR生物膜的SOURAOB可达(133.9±31.1)mg·g-1·h-1(以每g SS利用的O2量(mg)计).实时定量PCR结果也表明AOB为MABR生物膜中的优势菌群,其微生物丰度比接种污泥高出3个数量级.通过调控进水氨氮负荷和生物膜厚度,维持AOB的种群优势和高活性并同时抑制NOB的活性,可以实现MABR的稳定部分亚硝化.     

探究C:N对MABR处理水产养殖废水水质影响

为探究膜曝气生物反应器(MABR)处理水产养殖废水时的最佳C∶N,文章以疏水性聚偏氟乙烯中空纤维膜为曝气膜组件的原材料,在40 d连续运行的时间内,考察C∶N对MABR处理模拟水产养殖废水同步硝化反硝化效果的影响。结果表明:在水力停留时间48 h、NH_4~+-N和TN进水浓度分别为(20±1)mg/L和(23±1)mg/L的条件下,当曝气强度为1.2 mL/min,混合液C∶N为5∶1时,MABR能较好地实现同步硝化反硝化,对NH_4~+-N和TN的平均去除率分别为98.86%和55.21%,TN稳定在11mg/L以下,浓度达到《水污染物综合排放标准》(DB 11/307-2013B)要求。通过鉴定和分析MABR反应器的微生物群落结构,发现生物膜的微生物群落由好氧菌、厌氧菌共同构成,形成好氧-厌氧的分层结构完成同步硝化反硝化脱氮过程。     

生物膜层DO浓度对MABR中异养硝化-好氧反硝化的影响

高浓度氨氮（NH₄+-N）废水的好氧生物处理是一个高氧需求过程.膜曝气生物膜反应器（membrane aerobic biofilm reactor,MABR）因其高氧利用率、低能耗优势在高氨氮废水处理中具有重要应用潜力.通过启动贯通式MABR接种异养硝化-好氧反硝化（heterotrophic nitrification and aerobic denitrification,HN-AD）脱氮混合菌液处理高氨氮模拟废水,调节进气量实现生物膜层不同溶解氧（DO）浓度,考察生物膜层DO浓度对MABR脱氮性能、HN-AD菌多样性及其脱氮功能基因的影响.结果表明:①MABR中仅生物膜内层DO浓度随进气量的增加而提升,生物膜外层DO浓度始终保持为0 mg/L;高DO浓度下反应器NH₄+-N、总氮（TN）去除率相比低DO浓度分别增加了28.15%和24.18%,提高生物膜内层DO浓度强化MABR脱氮性能.②高通量测序分析表明,HN-AD菌是MABR中的脱氮功能微生物,研究获得假黄褐藻属（Pseudofulvimonas）、脱氮副球菌属（Paracoccus）、鞘氨醇杆菌属（Sphingobacterium）和不动杆菌属（Acinetobacter）等共13种HN-AD菌属,其总相对丰度在低、中和高DO浓度下分别为12.97%、19.05%和22.01%,说明提高生物膜内层DO浓度促进了HN-AD菌属的富集.③PICRUSt1功能基因预测发现,MABR中HN-AD菌的好氧反硝化功能基因（napA、napB）总相对丰度在低、中和高DO浓度下分别为0.000 13‰、0.019‰和0.060‰,说明提高MABR生物膜内层DO浓度加快了HN-AD菌的好氧反硝化进程,促进了MABR中HN-AD过程的实现.研究显示,通过调节进气量实现生物膜内层不同DO浓度,可以强化MABR脱氮性能,提高HN-AD菌属富集程度,促进MABR中HN-AD过程的实现.      

膜曝气生物膜反应器生物脱氮研究进展

膜曝气生物膜反应器（MABR）是一种新型生物污水处理技术,具有氧传质效率高、底物氧气异向传质等特点,在污水高效脱氮、节能降耗、污泥减量化等方面优势明显,近年备受关注。近20多年的研究中,系列研究工作对影响MABR运行效果的气体传质、物质传递及微生物群落结构等因素进行了深入探索,在工艺控制与优化、反应器设计与改进、脱氮工艺过程模型开发与模拟等方面取得较大进展突破。随着膜材料的不断改进和全面应用,MABR技术具有良好的工程实践前景。     

膜曝气生物膜反应器运行单级自养脱氮工艺功能型菌群特性研究

基于16S rDNA基因的分子生物学方法,对运行单级自养脱氮工艺的膜曝气生物膜反应器（membrane-aerated biofilm bioreactor, MABR)内的2个主要效应菌群(氨氧化菌和厌氧氨氧化菌)之间的协同作用关系和在生物膜上可能的空间分布进行研究.荧光原位杂交结果显示,试验的曝气生物膜主要存在2个明显的功能层,一个是靠近曝气膜和生物膜交界的氨氧化菌聚集层,另一个是靠近生物膜与水体交界的厌氧氨氧化菌聚集层.氨氧化菌和厌氧氨氧化菌群为曝气生物膜上的2个主要功能菌群,它们之间的合作共生和协同作用是膜曝气生物膜实现单级自养脱氮的基础.     

基于微气泡曝气的生物膜反应器处理废水研究

微气泡曝气有助于强化氧传质过程,在废水好氧生物处理中具有潜在的应用优势;生物膜反应器是应用微气泡曝气的可行工艺形式.本研究在生物膜反应器中采用SPG膜微气泡曝气处理模拟生活废水,探讨反应器连续运行过程中,SPG膜空气通透性、溶解氧变化、污染物去除效果及氧利用情况.结果表明,基于SPG膜微气泡曝气的生物膜反应器能够实现长期连续稳定运行,是微气泡曝气与废水好氧生物处理结合的可行方式.SPG膜表面性质及膜孔径影响其空气通透性,疏水性膜的空气通透性优于亲水性膜;膜孔径越大,空气通透性越好.一定的SPG膜空气通量下,反应器内的溶解氧浓度主要受有机负荷影响.SPG膜微气泡曝气生物膜反应器较优的COD处理负荷(以SPG膜面积计算)为6.88 kg·(m2.d)-1.氨氮的去除主要受溶解氧浓度及生物膜内氧扩散传质的影响,在高有机负荷下生物膜内出现同步硝化反硝化.微气泡曝气的氧利用率显著高于传统曝气方式,在优化的运行条件下,氧利用率可以接近100%.     

SPG膜微气泡曝气生物膜反应器运行性能影响因素研究

SPG膜微气泡曝气生物膜反应器是微气泡曝气与废水好氧生物处理结合的可行方式.本研究采用SPG膜微气泡曝气生物膜反应器处理模拟生活废水,探讨运行条件、SPG膜污染及膜孔结构变化等因素对系统运行性能的影响.结果表明,空气通量、进水有机负荷、填料类型及床层孔隙率对COD去除性能影响较小,各运行条件下COD平均去除率保持在80%～90%.随着空气通量降低或进水有机负荷提高,溶解氧(DO)浓度显著下降,造成氨氮去除性能恶化,其平均去除率可由80%～90%降至20%～30%;同步硝化反硝化过程受此影响,总氮(TN)平均去除率也由30%～40%降至20%左右.此外,采用环形填料并提高床层孔隙率,有助于改善污染物去除性能.低空气通量或高进水负荷条件下,微气泡曝气的氧利用率接近100%.长期运行中,SPG膜表面生物膜生长及有机物累积会造成SPG膜污染,而在线清洗中碱性NaClO溶液侵蚀SPG膜孔结构,使SPG膜的平均孔径及孔隙率显著增大,从而影响SPG膜空气通透性.     

混合单体对等离子体法改性PTFE膜微生物亲和性能的影响

膜材料氧传质性能和微生物亲和性对MABR（膜曝气生物膜反应器）的稳定运行及处理效果有重要影响,为探究混合单体对等离子体法改性PTFE（聚四氟乙烯）膜微生物亲和性能的影响,采用两步等离子体法分别在PTFE膜表面接枝聚合DOPA（左旋多巴）/GMA（甲基丙烯酸缩水甘油酯）、Lys（赖氨酸）/GMA、BA（苯胺）/GMA和DEA（乙二胺）/GMA四种混合单体,测定改性前、后PTFE膜的微生物亲和性,并进一步确定最佳混合单体改性PTFE膜的氧传质性能.结果表明:与未改性PTFE膜和仅接枝聚合GMA单体改性复合膜相比,DOPA/GMA、Lys/GMA、BA/GMA和DEA/GMA混合单体改性复合膜表面的微生物亲和性均有提高;Lys/GMA混合单体改性复合膜表面的微生物亲和性最佳,显著高于未改性PTFE膜,膜表面的生物量用ρ（DNA）和ρ（TOC）表示,分别为9.67 ng/μL和103.44 mg/L,比未改性PTFE膜高出34.7%和286.0%,同时其膜表面的生物量增加速度最快;DOPA/GMA和DEA/GMA混合单体改性膜表面的微生物亲和性相近,且高于BA/GMA混合单体改性膜;Lys/GMA混合单体改性复合膜的最大氧传质系数为1.17 m/d（操作压力为35 kPa）,显著高于未改性PTFE膜的0.48 m/d（操作压力为11 kPa）.研究显示,两步等离子体法接枝聚合的混合单体改性能够同时改善PTFE膜的微生物亲和性和氧传质性能,更适合于制备MABR复合膜,可为开发MABR专用膜材料提供理论基础和技术支持.      

MABR快速富集HN-AD菌强化处理高氨氮废水

对比研究贯通式、闭端式2种膜组件形式的膜曝气生物膜反应器（MABR）对高氨氮模拟废水的处理性能。结果表明:MABR在8 d内实现菌液快速挂膜,且贯通式MABR的生物附着量、脱氮效率均高于闭端式。贯通式MABR对高氨氮废水中NH₄+-N、TN、COD的去除率均比闭端式高出20%左右,具有更好的脱氮除碳效果。高通量测序分析显示,贯通式MABR于挂膜阶段实现了HN-AD菌快速富集,并在处理高氨氮废水过程中仍保持其较高丰度（不动杆菌属Acinetobacter占22.1%、假单胞菌属Pseudomonas占43.2%）,但闭端式MABR未优势富集HN-AD菌。贯通式MABR相比闭端式MABR具有更高DO条件促进HN-AD菌富集,从而强化了对高氨氮废水的处理效果。