半-IPN羧甲基纤维素/聚(丙烯酰胺-共-甲基丙烯酸钠)水凝胶制备及其吸附性能

羧甲基纤维素(CMC)水溶液中,通过自由基共聚制备半-互穿网络(IPN)羧甲基纤维素(CMC)/聚(丙烯酰胺-共-甲基丙烯酸钠)(poly(AAm-co-NMR))水凝胶。研究CMC含量对半-IPN水凝胶溶胀率及对甲基紫的吸附性能影响。IPN-0.25、IPN-0.50和IPN-1.00对甲基紫的平衡吸附容量分别为111.0、182.3和237.6 mg/g。分别采用拟一级、拟二级和粒内扩散模型拟合实验数据,结果表明,拟二级动力学模型最符合该体系,其相关系数R2最高,说明水凝胶对甲基紫的吸附主要为化学吸附。     

木质素基水凝胶对亚甲基蓝染料的吸附性能

以木质素磺酸钠(LS-Na)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酸(AA)为原料,采用微波辐射法,通过接枝共聚反应合成了生物质LS-g-PAMPS/AA水凝胶吸附剂,利用FTIR分析了水凝胶的结构。研究了吸附剂用量、染料初始浓度、吸附时间对亚甲基蓝(MB)染料的吸附性能的影响,结果显示,在MB初始浓度为1 000 mg/L,吸附剂为0.1 g时,吸附量和吸附率分别达1 914 mg/g和95%。平衡吸附数据满足Langmuir吸附等温模型,吸附动力学曲线较好地符合准二级动力学反应模型。木质素水凝胶对MB染料废水具有显著的吸附效果,可以作为阳离了染料废水处理用的生物质吸附剂。     

不同条件下污泥水热液相产物的生成特性

将城市污水污泥作为研究对象进行水热处理,目的是得到可以改性成为聚集介质的水溶性有机聚合物 (soluble organic polymers, SOP) 。研究了不同温度 (150、175、200和225 ℃) 、反应时间 (0.5、1和1.5 h) 和碱性添加剂用量等水热条件下SOP的生成特性。结果表明,随着温度和反应时间的增加,SOP产率逐渐下降,由28.5% (150 ℃、0.5 h) 降低至14.73% (200 ℃、0.5 h) 。碱的投加提高了SOP产率,且NaOH的效果优于Na₂CO₃。元素分析表明,温度升高导致SOP的O/C和H/C下降,腐殖化、芳香化程度均增加。红外光谱和X射线光电子能谱表明,温度的升高导致SOP中改性可利用的含氧基团减少。因而150 ℃、0.5 h、NaOH投加量为污泥干重的10%时,水热反应条件是最适宜的,可以得到更适合作为聚集介质前体物的SOP。本研究结果可为污水污泥资源化利用提供参考。     

活性污泥对硒化镉量子点暴露的胁迫响应机制

为揭示硒化镉(CdSe)量子点(quantum dots, QDs)在复杂环境体系中的生物毒性效应,本研究以活性污泥为研究对象,探讨了CdSe QDs(0.1~10 mg·L⁻¹)长期暴露对序批式活性污泥反应器运行效能、污泥性能以及微生物代谢作用的影响。结果表明,在实验质量浓度范围内,出水COD值和硝酸盐波动较大,而硝化作用影响较小,且低剂量CdSe QDs的存在加速了NH₄⁺-N的降解,1 mg·L⁻¹ CdSe QDs将平均氨氧化速率由2.2 mg·(L∙h)⁻¹提高到3.3 mg·(L∙h)⁻¹。尽管CdSe QDs会引起出水浊度略微增加,但污泥沉降性能始终维持稳定。CdSe QDs主要与污泥表面的C—O—C、C—O、C—C和磷酸基团结合,诱导胞外聚合物的酪氨酸类蛋白荧光淬灭。同时,微生物会通过分泌色氨酸类蛋白以缓解胁迫影响。此外,活性污泥的物种丰富度和多样性均受CdSe QDs的抑制,但低质量浓度CdSe QDs有利于Nitrospirae相对丰度的增加。PICRUSt2预测显示,微生物的新陈代谢和遗传信息处理相关的代谢通路均受到CdSe QDs的显著抑制,膜传输和信号传导的代谢通路丰度最终分别下降至32 552和7 876,导致反应器出水COD值随暴露剂量的增加而逐渐增大。因此,CdSe QDs通过改变微生物群落结构和功能影响活性污泥有机物的去除效果,但对硝化反应及污泥絮凝和沉淀性能并未表现出明显负面效果。     

微量肼对厌氧氨氧化生物膜长期运行效果的影响

为探究微量肼(N₂H₄)对厌氧氨氧化生物膜的长期影响,采用3个移动床生物膜反应器(moving bed biofilm reactor, MBBR)处理低浓度氨氮(50.9±3.6) mg·L⁻¹废水,分别加入0 mg·L⁻¹ (对照组,R1)、5 mg·L⁻¹ (R2)和10 mg·L⁻¹(R3)的微量N₂H₄后连续运行35 d,考察N₂H₄对MBBR系统中总氮去除速率(total nitrogen removal rate, TNRR)、生物量、胞外聚合物(extracellular polymeric substances, EPS)、血红素和微生物群落的影响。结果显示,运行末期相对于R1,R2和R3的NRR分别下降了53%和 64%。N₂H₄ 质量浓度为5 mg·L⁻¹时,生物膜的EPS分泌量提高,触发了生物膜保护机制;当N₂H₄ 质量浓度为10 mg·L⁻¹时,生物膜的EPS和血红素含量均明显下降,N₂H₄对生物膜产生抑制作用。长期添加微量N₂H₄导致门水平中Planctomycetes和Candidatus_Kuenenia的相对丰度降低,可见,N₂H₄的加入可以使NRR短暂增长,但长期加入会对厌氧氨氧化生物膜产生生物毒性,抑制厌氧氨氧化菌(AnAOB)的活性。整体而言,5 mg·L⁻¹和10 mg·L⁻¹的N₂H₄的加入都难以维持MBBR长期稳定高效运行,其对厌氧氨氧化生物膜的负面影响更为明显。     

生物滞留系统处理水产养殖尾水的效能和机制

为探究生物滞留系统(bioretention system,BS)对水产养殖尾水的处理效能,设计并构建倒置(inverted bioretention system,IBS)和正置(control bioretention system,CBS)2组生物滞留系统,在不同进水条件下比较了2种BS构建方式的运行效能,通过胞外聚合物(EPS)、三维荧光光谱和电子传递活性(ETSA)等方法阐述了不同构建方式下BS的脱氮机制。结果表明：在不同进水条件下IBS的处理效能优于CBS,当运行间隔周期为1 d时,IBS的TN和NO₃⁻-N去除率分别达到71.79%~82.00%和68.70%~85.84%,平均去除率比CBS分别高出10.65%和15.89%。CBS和IBS的TN和NO₃⁻-N去除率随进水负荷的增加呈先升高后稳定的趋势,TP波动最小,去除率均稳定在97.04%~99.22%。构建方式对EPS的组分无明显影响,但对EPS含量和ETSA影响显著。IBS的构建方式可促进微生物分泌更多的EPS,其中EPS的多糖(PS)和蛋白质(PN)含量分别比CBS高出66.89 ug·g⁻¹和603.24 ug·g⁻¹,并且IBS的酪氨酸、色氨酸和微生物代谢产物明显高于CBS;此外,与CBS的ETSA为(0.47±0.07) ug·(g·min)⁻¹,相比IBS提高了0.35 ug·(g·min)⁻¹。以上研究结果为应用生物滞留系统技术处理养殖尾水提供参考。     

厌氧序批式生物膜反应器处理葡萄酒生产废水性能及菌群演替分析

为探究厌氧序批式生物膜法处理葡萄酒生产废水的可行性,采用厌氧序批式生物膜反应器(AnSBBR)预处理模拟葡萄酒生产废水,通过逐级增加进水浓度来提升有机负荷并对AnSBBR在不同负荷下的运行特性及菌群演替规律。结果表明： 在35 ℃、HRT为20 h、周期为4 h的运行工况下,当OLR为1.2~9.6 g·(L·d)⁻¹时,AnSBBR均能保证出水COD值低于200 mg·L⁻¹,当OLR为5.4 g·(L·d)⁻¹时,运行性能最佳,COD去除率为(97.2±0.5)%,甲烷产率为(349.9±7.6) mL·g⁻¹;与OLR为1.2 g·(L·d)⁻¹相比,OLR为9.6 g·(L·d)⁻¹时产甲烷速率提高69.3%,生物量增加294.3%,辅酶F₄₂₀浓度增加190.8%,电子传递活性(INT-ETS)提高88.4%;当OLR增至10.2 g·(L·d)⁻¹后,反应器中VFA浓度持续增加,丙酸和丁酸积累,缓冲能力明显下降,系统无法适应该负荷条件;高通量测序显示,群落中主要的细菌为Desulfovibrio、Brevinema、Treponema、Longilinea、Paludibacter和Leptolinea,主要的古菌为Methanobacterium、Methanobrevibacter,Methanosaeta和Methanosarcina;受进水基质组分和负荷的影响,细菌和古菌中丰度占比最大的分别为Desulfovibrio(12.4%)和Methanobacterium(17.1%);当OLR为5.4 g·(L·d)⁻¹时,产甲烷菌多样性更高且在门和属水平上整体丰度最大,分别为26.7%和26.3%;当OLR为9.6 g·(L·d)⁻¹时,培养出特定的菌属(Methanobrevibacter)以适应环境。由此可以看出,逐级提升OLR的运行策略可促进生物膜系统的增殖和代谢活性。本研究确定了AnSBBR处理葡萄酒生产废水的最大及最佳运行负荷,该结果可为推动AnSBBR的工程化应用提供依据。     

热活化过硫酸盐预处理的餐厨垃圾凝胶基缓释氮肥制备及性能

水凝胶转化是一种有前景的餐厨垃圾资源化新方式。采用热活化过硫酸盐对餐厨垃圾浆液进行预处理,并通过聚合交联制备出餐厨垃圾水凝胶 (food waste hydrogel,FWH) 。探究了各试剂投加量对FWH吸水性能的影响,表征了水凝胶的物理化学性质。通过FWH与牡蛎壳粉复配制备出凝胶基缓释氮肥,并以淋洗实验、保水性能实验和种子发芽实验评价其作为缓释氮肥的效果。结果表明,过硫酸钾/热处理系统可在1 h内实现餐厨垃圾浆液的高效水解。FWH样品具有良好的热稳定性,展示出疏松多孔的微观结构,且-OH、-C=O 等含氧官能团以络合反应的形式参与到FWH的合成过程中。在最佳合成条件下,最大吸水率可达351.4 g·g⁻¹,高共价阳离子会显著降低FWH的吸水率。复配后的凝胶基缓释氮肥不仅解决了FWH的酸化劣性,还具有较好的缓释氮肥和保水能力,施用后小白菜种子发芽率增加了17%。本研究结果可为餐厨垃圾资源化利用提供参考。     

荧光光谱与OUR联用表征内源呼吸过程

采用荧光光谱与耗氧速率（OUR）相结合的方法,探究了内源呼吸过程中微生物代谢状态变化的典型特征。结果表明,OUR变化率曲线中的拐点可以将内源呼吸划分为3个阶段。通过荧光光谱监测发现,在2~4 d时胞外聚合物（EPS）出现了突然增多的现象,疏松结合的胞外聚合物（LB-EPS）中峰A（Ex/Em=230 nm/（334~338）nm）、峰B（Ex/Em=（280~285）nm/（334~344）nm）的荧光强度分别升高了447%、128%,紧密结合的胞外聚合物（TB-EPS）中峰A、峰B的荧光强度分别升高了471%和128%,且COD的去除率在第4天达到最大为91.7%,表明位于此区域的微生物活性高、代谢状态好且污染物去除率高。LB-EPS和TB-EPS的荧光特性及OUR变化率可以指示内源呼吸3个不同阶段的变化,但TB-EPS对内源呼吸过程的划分更为准确,而OUR变化率在实际操作中更具有意义。     

多胺基水凝胶的合成及其对铜离子的吸附

以聚乙烯亚胺和2-丙烯酸羟乙酯为共聚单体,采用60Co-γ射线辐照法,制备了新型多胺基水凝胶p（PEI/HEA）,并对其进行了红外光谱和X射线电子能谱表征。通过静态吸附实验研究了其对水溶液中Cu（Ⅱ）的吸附性能,结果表明,随pH值的升高,水凝胶的吸附量逐渐增加,在pH=5.5时达到最大;p（PEI/HEA）对Cu（Ⅱ）的吸附动力学过程遵循准二级动力学模型,吸附等温过程符合Langmuir单分子层吸附,最大吸附量为28.98 mg·g-1。