香兰素改性超滤膜的制备及抗生物污染性能

采用群体感应抑制剂香兰素对聚丙烯腈超滤膜进行改性,制备具有抗生物污染性能的水处理膜;对改性膜表面微观形貌、化学组分、亲水性、表面电荷和透水性进行系统表征;以大肠杆菌为代表菌种考察香兰素对菌落生长的影响,检测香兰素改性对膜表面细菌生物膜形成的抑制效果;采用生物反应器出水为料液测试香兰素改性膜的抗生物污染性能.结果表明,香兰素对培养基上大肠杆菌菌落的生长有显著的抑制作用;采用香兰素改性的膜表面大肠杆菌初始粘附和繁殖较未改性膜减缓,在菌液中培养48h后未形成完整的生物膜.膜污染过滤实验进一步表明,香兰素改性膜可减少15.6%的水通量下降,膜表面生物膜胞外聚合物含量减少15.9%,抗生物污染性能有效提高.改性膜可减少系统中酰基高丝氨酸内酯信号分子的积累,抑制料液中优势菌Enterobacteriaceae(肠杆菌科)在膜表面参与形成生物膜,从而影响生物膜的菌群结构.

包气带反硝化菌多样性和群落结构垂向分布规律与主控环境因子研究:以北京市潮白河冲洪积扇为例

近年来,我国农田氮肥施用量增加,给地下水天然屏障“包气带”带来了威胁,而微生物反硝化作用对包气带中氮素的去除具有重要意义.为探究包气带深度和理化性质对反硝化菌组成和结构的影响,本研究选择北京市地下水水源地潮白河洪积扇区2个典型包气带剖面(编号为S6和S8)为研究对象,采用高通量测序方法分析潮白河10.0 m内包气带剖面nirS、nirK和nosZ型反硝化菌多样性和群落结构的垂向分布规律,通过Spearman非参数分析方法识别反硝化菌多样性主控因素,通过冗余分析方法、随机森林分析方法和曼特尔检验相关性分析方法,探究影响反硝化菌组成结构主控因素.结果表明:S6剖面反硝化菌的α多样性整体高于S8剖面,同时不同类型反硝化菌的α多样性表现为nirK>nirS>nosZ.S8和S6剖面反硝化菌的α多样性和包气带深度为非线性的关系,S6剖面α多样性变化相比S8剖面更加明显.nirS、nirK和nosZ基因主要来源于变形菌门和放线菌门中参与氮循环的属,且不同剖面的反硝化菌群落结构差异显著(P<0.05).与反硝化菌多样性存在明显正相关性的环境因子包括pH、氨氮和黏粒含量,存在负相关性的环境因子包括亚硝酸盐、硝酸盐含量和反硝化速率.不同深度范围内影响微生物群落结构的环境因子数量不同,在浅层包气带(S8剖面(0.2~1.0 m),S6剖面(0.2~0.8 m))下,与反硝化菌群落结构呈显著相关的因子包括黏粒含量、深度、pH以及有机质、碳酸盐、亚硝酸盐含量等;深层包气带〔S8剖面(1~5.0 m),S6剖面(0.8~10.0 m)〕,与反硝化菌群落结构呈显著相关的环境因子包括钙、镁、硝酸盐、总有机碳含量等.研究显示,不同深度包气带中的反硝化菌对环境的响应存在差异,多种环境要素共同影响了反硝化菌的多样性和群落结构.因此,持续关注包气带中的反硝化功能基因,对于合理应对包气带及地下水环境氮污染、调节生物地球化学氮循环具有指导意义.

微生物燃料电池中新功能材料的进展(英文)

微生物燃料电池(MFC)主要由电极、催化剂和膜等3种重要原件组成.为了获取最大的功率密度和实现更高的库伦效率,研究人员不仅在结构设计上对MFC进行了很大的改进,而且在实现其功能的新材料方面,也取得了一定的进步.MFC电极通常使用碳质材料.就阳极而言,改变碳质材料的分子结构,可以使MFC阳极表现出良好的生物电化学性能,如碳纳米管的使用.但是,以碳作为基底实现聚苯胺与二氧化钛结合的复合材料,其优越的生物电化学性能,已经引起人们的特别关注.同时,为提高MFC的输出功率,MFC的结构设计也在不断变化,促使隔膜与阴极从分离的形式转向隔膜-阴极复合结构形式,这些结构形式通过Nafion117等聚合物或含官能团的四氟乙烯及聚吡咯与各种催化剂的复合来合成.参杂的催化剂常使用铂、铁酞菁、卟啉金属化合物、锰氧化物和热解铁酞菁进行合成,实现催化剂的固定化.另外,MFC阴极液或阴极液流经空气阴极表面时,阴极液最好含有过度元素氧化还原对或螯合铁,对提高MFC的效率有帮助.

“生物巢”形成及其水处理机制的理论分析

针对目前生物法中的常规填料只能提供二维生物附着面,而无法形成类似好氧颗粒的三维多膜层结构的问题,我们提出了“生物巢”的概念:经过电活性改性的柔性玄武岩纤维在水中的分散性和生物亲和性有明显的提升,经过合理编制的改性玄武岩纤维填料在水力作用下对微生物进行高效缠绕、包裹、支撑,以形成大尺寸的活性污泥聚集体(直径可达10 cm以上)。其所拥有的丰富微生物种群以及明显的三维多膜层微环境结构理论上可实现污废水中C、N、P、S等污染物质在单一反应器中的同步去除,可有效缩短水处理工艺流程。本文将对所提出的“生物巢”进行概念解释,并对其构建过程中的填料选择、形成过程以及作用机制等方面进行理论分析。

玄武岩纤维表面改性对生物膜附着性能的影响

采用壳聚糖对玄武岩纤维(BF)进行表面改性处理,研究改性后玄武岩纤维对生物膜附着性能的影响。利用红外光谱、X射线光电子谱仪、扫描电镜等对改性前后玄武岩纤维的表面官能团、成分和形貌进行表征分析,通过接触角测量仪对样品的亲水性进行研究,最后通过挂膜实验,讨论生物膜在改性前后玄武岩纤维上的附着性能。结果表明:采用物理涂覆法可成功制备改性玄武岩纤维(MBF),所制得的MBF表面粗糙度为209.04nm,接触角为66.62°。MBF表面形成的生物膜均匀致密,生物膜附着量明显增大,挂膜率由(129.27±1.23)%增加至(179.92±2.63)%,说明壳聚糖改性玄武岩纤维可以有效提升生物膜的附着性能。

一种亲水反应型聚氨酯在高寒草原生态修复中的应用研究

高寒草原退化以及沙化现象对当地的生态系统造成严重破坏。在多种生态修复措施中,以材料措施为技术核心的生态修复措施受到广泛关注。本工作选用一种亲水反应型聚氨酯(OH-1A)作为主要材料,对其进行相关性能研究。结果表明:在15℃条件下,OH-1A可分散于水中,发生固化反应形成弹性凝胶体,且固化速率与浓度成正比;当OH-1A浓度达到3%时,可在300s内渗透50mm,并发生固化反应,形成柔性固结层;固结层表面静态接触角可达143°,优异的表面疏水性能有助于减缓植物生长所需水分的蒸发。在沙化严重的高寒草原,以OH-1A为基础的材料措施,可为植物的生根发芽提供有利的保障环境,防止草种或幼苗受到恶劣环境的影响,即建设"植物栖息"环境。因此,本工作提出的材料措施生态修复技术在高寒草原的植被恢复研究和应用中具有较高的潜在价值。

玄武岩纤维填料不同布置间距处理生活污水的研究

以玄武岩纤维(BF)作为生物填料应用于生活污水处理,选取BF进行生物巢培养,并对生物巢形成时间进行了对比分析,探究了不同BF水中COD、氨氮和总氮的去除效果。结果表明:BF三种BF填料布置间距对COD、氨氮和总氮的去除率总体上随水力停留时间(HRT)的延长而提高,BF填时,对生活污水中COD、氨氮和总氮的去除率分别达到88.4%、83.3%和64.7%。

纳米Fe_(2)O_(3)强化MBF生物巢脱氮的机制

针对我国市政污水C/N比偏低的问题,本研究旨在探讨纳米氧化铁在MBF生物巢反应器中对低C/N比市政污水处理的强化脱氮效果及其机理。将纳米氧化铁添加到MBF生物巢反应器中,处理实际低C/N比市政污水,通过监测脱氮效率和碳源利用情况,结合微生物群落结构和功能基因表达量的分析,评价其处理效果。结果表明,纳米氧化铁的加入可显著提高反应器的脱氮效率,脱氮率提升了58%。微生物群落结构分析结果表明,纳米氧化铁影响了特定脱氮微生物的相对丰度。功能基因表达量分析结果表明,纳米氧化铁下调了微生物外膜上电子转移蛋白的表达,减少了种间电子传递,从而提高了胞内电子的有效利用率。以上结果表明,纳米氧化铁通过调节微生物群落结构和功能基因表达,可提高碳源的利用效率,进而实现对低C/N比市政污水的有效脱氮,可为市政污水处理提供技术途径参考。

菌藻共生系统实现短程硝化工艺的藻供氧条件和影响因素分析

通过调节光照强度和藻浓度来实现最佳的短程硝化工艺,探究了光照强度和藻浓度对反应器出水水质、溶解氧(DO)浓度、氨氧化菌(AOB)数量和酶活、藻光合作用色素含量以及微生物形貌及群落结构的影响。水质测定结果表明:在16000 Lux光照强度和添加1170 mL小球藻培养液(OD680=1.6±0.4)的条件下,亚硝酸盐积累率达到88.88%,实现了良好的短程硝化效果。DO监测结果表明:反应器中ρ(DO)一直在0.1~0.11 mg/L,并且藻浓度是反应器中DO浓度的主要影响因素。AOB菌的氨单加氧酶(ammonia monooxygenase,AMO)活性和amoA基因拷贝数,以及藻的3种光合作用色素含量在反应器运行后期逐渐趋于稳定,说明反应器内AOB菌和藻逐渐形成了稳定的共生系统。高通量测序结果显示,AOB菌属Nitrosomonas和小球藻属Chlorella是主要的功能微生物,并且扫描电子显微镜观察到2种功能微生物的形貌。通过探究不同藻供氧条件对短程硝化工艺中功能微生物活性、数量和微生物群落结构的影响,为该工艺启动和稳定运行的藻供氧调控提供了理论参考。

MBF生物巢反应器对不同稀释比下高盐度工业垃圾渗滤液的处理效果

为高效处理高盐垃圾渗滤液,使用改性玄武岩纤维(MBF)填料构建新型生物接触氧化反应器,并全面评估形成的生物巢对高盐废水的处理效果。结果表明:MBF生物巢反应器对高盐垃圾渗滤原液中COD、NH^(+)_(4)-N、TN和TP的平均去除率分别达到(26.3±12.4)%、(29.4±8.8)%、(27.6±7.6)%和(16.5±10.4)%,对经1∶16稀释的渗透液中相应污染物的去除率则最高提升至(43.7±11.6)%、(59.5±21.4)%、(57.1±12.2)%和(26±8.2)%。废水经处理后,可生化性(B/C)从0.08最高提升至0.36(稀释条件为5∶16)。此外,高盐废水还能促使微生物分泌更多的胞外聚合物(EPS),其含量在原水条件下为417.5 mg/g(VSS),而在稀释后(稀释比1∶16时)下降至231.6 mg/g(VSS)。微生物种群结构分析显示,Halomonas作为一种好氧硝化-异样反硝化菌属在低稀释比的反应器中相对丰度较高,且随着盐度的降低而降低。对功能基因进行注释发现,盐度主要对生物的氨氧化过程产生抑制,在R-1、R-2和R-3号反应器中未检测出amoABC和hao表达,而反硝化功能酶的表达量也较种泥有所减少。该研究成果显示了MBF生物巢有对高盐水质的抗胁迫能力,为其在高盐垃圾渗滤液生物处理的推广应用提供依据。

玄武岩纤维填料生物接触氧化法提升食品废水处理的效果评价:以日本Mizkan Holdings美浓加茂工厂为例

食品废水有机负荷高,波动性大,常规生物膜法处理工艺复杂且成本较高。采用加入玄武岩纤维(BF)填料及生物处理剂(SE-2)的新型生物接触氧化处理工艺,在日本株式会社Mizkan Holdings美浓加茂工厂开展食品废水处理试验评价。试验结果表明:该新型工艺中BF填料可形成球形“生物巢”,在较低DO(0.5 mg/L左右)条件下可实现COD、TN和TP的稳定去除,出水质量浓度分别在20,10,1 mg/L以下,去除率均达到95%以上,满足排放要求。与原工艺相比,该工艺的剩余污泥产量可减少20%以上,整体处理费用降低10%~30%。该工艺具有一定的应用和推广价值。

新型玄武岩纤维生物载体与水处理应用研究现状及展望

玄武岩纤维(BF)是绿色高性能的微米级无机纤维,作为新型微生物载体有良好的生物相容性和水质净化效果,在水处理领域倍受关注。调研了BF的材料特性及其在生物反应器中形成的微生物聚集体(生物巢)性质。为进一步提升BF载体的水处理效能,今后研究重点在于改善BF亲水性、表面弱正电性、粗糙度等,提高BF生物亲和性与水中分散性;综述了BF表面改性研究进展;总结并展望了BF载体在处理工业废水、生活污水与水体修复等领域的应用。

基于群体感应的水处理膜生物污染控制研究进展

生物污染是水处理膜分离应用面临的主要问题之一。生物膜的形成受细菌群体感应系统调控,群体感应抑制是控制膜生物污染的新兴技术。介绍了群体感应机制及其参与生物膜形成的有关研究。通过干扰和阻断细菌的信息交流通路,可阻止群体感应依赖型基因表达从而抑制细菌的特定群体行为。综述了基于细菌群体感应和群体淬灭的水处理膜生物污染控制研究,考察了各类群体感应抑制剂在膜法水处理系统中的应用,以及抑制剂固定化、膜材料改性等研究进展,展望了群体感应理论在膜生物污染控制中的研究方向。

改性玄武岩纤维的制备及其挂膜性能

以不同表面活性剂作为分散剂,采用物理涂覆法对玄武岩纤维(BF)进行表面改性处理,得到3种改性玄武岩纤维(MBF)。以FTIR、光学接触角分析仪和SEM分别研究了BF和MBF的表面官能团、亲水性和微观形貌的变化。计算了载体的挂膜率和残余挂膜率,以光学显微镜和扫描电子显微镜观察了BF和MBF的生物膜生长情况,讨论了不同表面处理对BF挂膜性能的影响。结果表明:经表面改性处理后,MBF的表面亲水性和水中分散性得到有效改善,其中经阳离子型表面活性剂(十六烷基三甲基氯化铵,CTAC)改性的玄武岩纤维(MBFC)具有最佳亲水性和水中分散效果,接触角由133.57°(BF)下降至62.52°(MBF-C)。挂膜实验结果表明,3种表面活性剂对BF的表面改性处理均有助于增加微生物的附着量和提升附着强度,其中改性后的MBF-C挂膜率为256.25%,残余挂膜率为41.28%,具有最优的挂膜效果。

改性玄武岩纤维填料的生物亲和性及污水处理应用

改性玄武岩纤维(MBF)是一种新型无机微米级纤维填料。为了研究MBF填料的生物亲和性,评估其推广应用的可行性,采用扩展DLVO理论构建了细菌与MBF填料间附着行为的动力学数学模型,并将MBF作为生物接触氧化反应池的填料处理合成市政污水,初步评价MBF填料的污水处理效果。结果表明:枯草芽孢杆菌在MBF填料表面发生了牢固且较强的黏附行为,二者间不存在能垒障碍,故MBF填料具有较高的微生物附着能力。此外,基于MBF填料的生物接触氧化反应器启动较快,可长期维持稳定运行。COD、NH;-N和TN平均去除率分别可达到94%、99.5%和97%。因此,MBF填料在环境工程领域具有较好的推广应用前景,可作为传统有机填料的替代品。