环境工程专业实验课的课程思政探索

从高校实验课课程思政的特点与要求出发,强调了高校实验课程思政的重要性,思考了专业实验课的课程思政开展方法。以专业必修实验课“水质工程实验技术”为例,结合学校办学定位、专业特色、课程特点等,从“立志环保、挚爱专业,见仁见智、敢于质问,学以致用、因地制宜”等方面,进行了以学生为本的环境工程专业实验课思政要素探索与思考。通过专业实验课的课程思政,激发学生自我思考、创新提升、终身学习的动力,落实“三全育人”与立德树人根本任务。

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 organ-isms)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。

聚磷菌胞内多聚物的分析检测方法

PHA、糖原和多聚偏磷酸盐这三种多聚物在聚磷菌(PAOs)体内的代谢和生长有着很重要的作用,它们同时也影响污水处理强化生物除磷系统的处理效果,因此需要对胞内聚合物进行分析测定。本文介绍了监测PHA、糖原和多聚偏磷酸盐的常用定量和定性方法,以及部分方法的提取手段、预处理过程、测定原理以及注意事项。

基于工程教育专业认证的环境工程实践教学建设

基于工程教育专业认证,建设高质量的环境工程实践教学体系。通过建设以实验教学、企业实习、工程设计、科研创新的综合训练,体现以学生为本的教育教学理念。在教学实施中,保持污染控制工程应用的传统,突出环境工程学科实践教学特色,切实提高学生的动手能力和一些基本技能,使得具备工程实践能力、处理设施的运行管理能力、科研思维及问题解决能力,并且使学生的知识结构适应社会发展的需要,实现工程型、应用型、创新型复合人才的培养目标。

厌氧消化液不同投加方式对AOA-SBR系统处理效果的影响

为研究厌氧消化液的不同投加方式对AOA-SBR(厌氧/好氧/缺氧序批式反应器)系统处理效果的影响,在温度为20.0℃、生活污水与厌氧消化液体积比为24∶1、污泥中AOB(氨氧化菌)所占比例为7.34%条件下,考察了不投加、厌氧阶段开始一次性投加、好氧阶段开始一次性投加和好氧阶段分次投加等6种厌氧消化液投加方式(分别记为SBR-a、SBR-b、SBR-c、SBR-d、SBR-e、SBR-f)下AOA-SBR系统中SCODCr(溶解性化学需氧量)、PO43--P、NH4+-N的处理特性.结果表明:厌氧消化液的投加方式对SCODCr的去除基本没有影响,但厌氧消化液的投加使系统中PLR(PO43--P进水容积负荷)提高了104.88%,导致除SBR-a外各试验组出水ρ(PO43--P)均大于2.0 mg/L,为AOA-SBR处理生活污水与厌氧消化液联合废水的主要限制因素.SBR-b^SBR-f的SNPR(比亚硝酸盐生成速率)均高于SBR-a,表明厌氧消化液的添加有助于稳定污水短程硝化.研究显示,厌氧开始阶段一次投加厌氧消化液(SBR-b)对系统脱氮效果影响最小,为最佳进水方式,此时SAUR(比氨氧化速率)为0.168 0 g/(g·d),SNPR(比亚硝酸盐产生速率)为0.136 3 g/(g·d),SND(同步硝化反硝化)作用率为26.64%.

A^2O工艺和A^2O+BCO工艺的脱氮除磷性能比较

以实际低C/N生活污水为研究对象,依次分别采用A^2O工艺和A^2O+BCO(生物接触氧化)工艺考察系统的脱氮除磷性能.试验在进水负荷和运行参数基本维持不变的情况下运行134d.结果表明,相对于A^2O系统,A^2O+BCO系统由于采用双污泥工艺,硝化菌和聚磷菌(PAOs)污泥龄分离,同时反硝化除磷"一碳两用",碳源利用率更高,TN和TP去除率分别提高了18%和28%.其次FISH试验表明,在稳定运行的A^2O+BCO工艺中,PAOs比例为22%,远远超过A^2O中7%的比例,从微生物角度证明了脱氮除磷效果好的原因.

富含聚磷菌的好氧颗粒污泥的培养与特性

以实验室SBR反应器为载体,接种普通活性污泥,探讨了富集聚磷菌和培养好氧颗粒污泥同时实现的可行性,以交替负荷的方法培养2个月后,富含聚磷菌的好氧颗粒污泥形成.颗粒形成后逐步改变碳源种类以提供选择压,淘汰系统中存在的聚糖菌.结果表明,与丙酸相比,乙酸更适合富含聚磷菌的好氧颗粒污泥的生存,以乙酸为碳源,系统吸放磷量更多,颗粒平均粒径更大(2 mm),颗粒的性能指标(沉降速度、含水率、呼吸速率、密度、完整度系数)都相对优于以丙酸为碳源时的情况.以工艺检测和分子生物学手段双重检测颗粒形成过程,发现颗粒吸放磷能力的逐渐提高伴随着聚磷菌占微生物总量的比例越来越大.富集培养结束时聚磷菌占总菌的70%左右.实验证明,富含聚磷菌的好氧颗粒污泥具有优异的污染物去除能力,其对COD去除率可达95%以上,对磷的去除可达100%.

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PO_4^(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PO_4^(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(PPAO,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.

前置A2NSBR系统硝化和反硝化除磷的特性

以处理实际低C/N生活污水的前置A2NSBR系统为研究对象,考察系统内生物膜的硝化特性和活性污泥的反硝化除磷特性.试验研究了有机物和NO2^--N浓度对生物膜硝化性能的影响,以及不同电子受体浓度对反硝化吸磷速率的影响.结果测得硝化速率为11.3mgNH4^+-N/(L·h),在填充率40%的条件下容积负荷为0.27kgNH4+-N/(m3·d),有机物的存在会对硝化有抑制,但是系统表现出了良好的抗有机负荷冲击能力,硝化速率为9.72mg NH4^+-N/(L·h).NO2^--N处理对AOB活性几乎无影响,对NOB活性抑制作用明显,当NO2^--N浓度为400mg/L时,NOB活性仅为1.63%,几乎接近完全被抑制.根据本次不同电子受体条件下除磷批次试验的结果,好氧吸磷速率为17.62mg P/(g VSS·h),以NO3--N为电子受体的缺氧吸磷速率是12.94mg P/(g VSS·h),从而可知缺氧聚磷菌占总聚磷菌的比例大约是73.4%,其中在NO2^--N浓度为30mg/L出现吸磷抑制,当NO2^--N和NO3^--N共存时,NO2--N在初始浓度为15mg/L便出现吸磷抑制.

不同pH值及碱性物质对短程硝化的影响

为了探究污水生物处理短程硝化过程中最佳pH值范围及适宜的碱性物质,采用序批式活性污泥法(SBR)研究模拟污水不同pH值及碱性物质对短程硝化的影响.结果表明,短程硝化反应的最适pH值为8.0,当pH值低于6.6时,短程硝化反应几乎停止.调节反应器初始pH值为8.0时,添加氢氧化物和碳酸类物质的反应器因pH值下降速度快而先后停止反应.KHCO_3的酸碱缓冲能力最强,pH值降低最慢,短程硝化速率最快,平均亚硝积累速率达0.155 g/(g·d)(以可挥发性固体计算).通过添加不同碱性物质维持反应过程恒定pH=8.0时,KHCO_3调节的反应器反应速率最快,最适合短程硝化反应.因此,在工程应用中,从可行高效等方面考虑,建议选择用KHCO_3调节至pH=8.0促进短程硝化反应的进行.

活性污泥长期好氧饥饿下的微生物种群结构演化

为考察好氧饥饿环境对活性污泥硝化及除磷性能的影响,研究活性污泥在长期好氧饥饿条件下的微生物种群结构变化,以具有良好硝化和除磷性能的活性污泥为实验对象,利用Illumina高通量测序平台分别考察活性污泥好氧饥饿处理3,7,14和30d后的微生物种群结构特性及差异.结果表明:好氧饥饿时间越长,活性污泥硝化及除磷性能所受的影响越大,污泥的种群结构变化越明显.硝化菌和除磷菌等相关功能细菌在短期(7d)好氧饥饿过程中,可分别利用细菌衰亡裂解释放的氨氮和胞内储能物质进行细胞维持,确保系统硝化及除磷性能的恢复,同时恢复期氨氧化菌快于亚硝酸氧化菌的活性恢复速率促进了系统由全程硝化向短程硝化的转变;而随着好氧饥饿时间的延长,功能细菌的种群丰度均逐渐减少.此外,活性污泥微生物种群结构在30d好氧饥饿过程中经历了一个动态变化过程,既有优势种群(如Proteobacteria和Bacteroidetes等)的逐步消亡,又有适应好氧饥饿环境的菌种(如Firmicutes)增强成为新的优势菌群.

不同活性污泥胞外聚合物提取方法优化

活性污泥胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）是污水生物处理过程中污泥结构、脱水性能、絮凝性能以及沉降性能的重要决定因素，而提取方法不同EPS的剥离程度存在很大的差别．因此EPS提取方法的建立至关重要．采用6种方法提取不同污泥EPS，分析了不同污泥每g干污泥中分层EPS的质量及组成，并考察了污泥粒径及脱水性能与污泥EPS的关系．结果表明：不同工艺不同污泥每g干污泥中EPS质量不同；甲醛＋NaOH法提取EPS效率高且对细胞破坏程度小，试验中不同污泥EPS提取量为15．88～39．30mg；每g干污泥中黏液层EPS质量越高，蛋白质与多糖质量浓度之比越大，污泥脱水性能越差；污泥EPS的提取效率与污泥粒径存在一定的相关性，污泥粒径越大，提取效率越高．

驯化后的聚糖菌对NO_2^--N和NO_3^--N内源反硝化速率的影响

在序批式(sequencing batch reactor,SBR)反应器中,通过分段厌氧-好氧(厌氧后排水)运行方式,在以葡萄糖为碳源、P/C比小于2/100的条件下,成功实现了聚糖菌(glycogen accumulating organisms,GAOs)的驯化富集,厌氧段磷酸盐的释放量(phosphorus release amounts,PRA)稳定在1.0 mg·L-1以内,胞内糖原(glycogen,gly)含量是初始阶段的1.2倍。驯化后的GAOs分别以NO_2^--N、NO_3^--N为电子受体经厌氧-缺氧运行方式,可进行内源反硝化反应过程。GAOs在内源反硝化过程中依次利用胞内的聚β-羟基戊酸酯(poly-β-hydroxyvalerate,PHV)、聚β-羟基丁酸酯(poly-β-hydroxyvalerate,PHB)和gly作为内碳源。在22℃时,反硝化聚糖菌(denitrifying glycogen accumulating organisms,DGAOs)以NO_2^--N、NO_3^--N为电子受体平均比内源反硝化速率分别为0.067 g N·(g VSS)-1·d-1、0.023 g N·(g VSS)-1·d-1,常温短程内源反硝化速率约是全程内源反硝化速率的3倍。

投加羟胺原位恢复城市污水短程硝化-厌氧氨氧化工艺

有效抑制或淘洗亚硝酸盐氧化菌(NOB)是短程硝化-厌氧氨氧化(PN/A)工艺应用于城市污水处理的关键.以因NOB大量增长受到破坏的城市污水PN/A系统为对象(硝酸盐(NO3^--N)生成比例为0.90),考察了羟胺(NH 2OH)投加浓度和投加方式对其恢复的效果.结果显示,当序批式反应器中初始NH2OH投加浓度为10mg/L时,每天投加1次,连续投加20d后,NO3^--N生成量占NH 4^+-N消耗量的比例由0.90逐步降低至0.11.表明NH 2OH(10mg/L)可原位恢复PN/A工艺.NH2OH停止投加59d后,出水NO3^--N生成比例再次小幅度上升至0.15,此时继续投加5d NH2OH(10mg/L),PN/A工艺运行良好,因此间歇投加NH 2OH可以维持PN/A工艺稳定运行.实时定量PCR结果表明,在投加NH 2OH(10mg/L)后,NOB的丰度不断下降,从(4.52±0.44)×10^10copies/g VSS(第6d)下降到(2.30±0.80)×10^9copies/g VSS(第157d),说明NH 2OH的投加有利于抑制和淘洗NOB.

热处理对剩余污泥中温厌氧消化的影响

在70℃条件下对处理实际生活污水所产生的剩余污泥进行不同时间(0~100min)的热预处理,再通过批量试验研究了不同预处理时间和不同固体停留时间(SRT)(20d和30d)对剩余污泥中温(35℃)厌氧消化的影响.结果表明,在SRT为20d,预处理时间为100min的条件下,厌氧消化后总化学需氧量(TCOD)的平均去除率最高,达到55.76%;预处理时间为100min,SRT分别为20d和30d的条件下,毛细吸水时间(CST)平均值较对照组分别下降了26%和37%;在SRT为20d,预处理时间为60min条件下,甲烷平均产量最高,达到10.83mL/d;经济分析表明经过70℃预处理后,剩余污泥厌氧消化处理费用可以减少50.9~499.5元/吨干污泥.因此,本试验得出热预处理的最佳SRT为20d,最佳预处理时间为60min.

低温热处理对剩余污泥有机物溶出及脱水性能改变的影响

为了提高剩余污泥厌氧消化过程中的水解速率,采用批次试验对处理实际生活污水的剩余污泥进行低温热处理,研究了在处理时间为10~80 min,处理温度50~90℃条件下,低温热处理对有机物溶出、溶解性碳水化合物(SC)和溶解性蛋白质(SP)相对分子质量变化及脱水性能改变的影响.结果表明:随着热处理时间的延长,溶解性化学需氧量(SCOD)、SC和SP分别在90℃、80 min,90℃、70 min和70℃、40 min条件下达到最高值,较原污泥中各项指标分别增长了15.5、19.2和5.2倍.升高温度可以促进大分子物质向小分子物质的转化,在50~90℃,SC最小相对分子质量从163 u降低到2.5 u,SP从1.41 u降低到0.26 u.通过污泥毛细吸水时间(CST)来表征污泥的脱水性能,CST在80℃后增长速率加快,70℃、80 min条件下较原污泥增长了108.8 s,而在90℃、80 min条件下增长了375.7 s.根据以上研究结果得出结论,最合适的热水解条件为70℃、30 min.

改良UCT分段进水深度脱氮除磷工艺反硝化动力学性能

采用序批试验研究了在T=(15±1)℃条件下以生活污水、污泥水解酸化上清液、乙酸钠、甲醇、乙醇和葡萄糖为电子供体的活性污泥的反硝化性能以及pH变化规律和动力学特性.结果表明,乙酸钠的比反硝化速率和比耗碳速率最高,分别为4.13 mg/(g.h)和29.8 mg/(g.h),但其反硝化能力最低.污泥水解酸化上清液的反硝化速率与乙酸钠相当.反硝化菌需经若干周期的驯化后才能适应甲醇和乙醇电子供体.当要求直接提高反硝化速率时,不宜选择甲醇和乙醇为碳源.而葡萄糖电子供体系统在前10～120 min出现短暂的'ρ(NOx--N)还原停滞平台',当大分子葡萄糖糖酵解为小分子有机物后,反硝化过程才顺利进行,糖酵解过程是葡萄糖反硝化过程的限速步骤.此外,不同电子供体反硝化过程pH变化规律可以间接指示反硝化动力学特性,其缺氧异养菌产率系数为0.68～0.73.

腐殖酸预处理对活性污泥中硝化菌活性的影响

为考察腐殖酸(HA)预处理对硝化菌——氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)活性的影响,将不同质量浓度梯度的腐殖酸(HA)分别投加到全程硝化污泥Sc1(硝化活性较低)和Sc2(硝化活性较高)以及短程硝化污泥Sp(硝化活性较高),预处理24 h,每种污泥均采用相同的HA质量浓度梯度(0、80、160、240 mg/L)处理.结果表明,当采用80 mg/L(50 mg/gMLVSS)的HA预处理后,污泥Sc1的NOB活性就有了显著提高,硝化反应过程中的硝态氮积累率(R_(NA))由不投加HA预处理时的26.32%增加至78.82%,而氨氧化速率(R_(AO))没有显著变化,表明HA预处理对AOB的活性没有影响而提高了NOB的活性.对于污泥Sc2,投加不同质量浓度的HA预处理既没有改变R_(AO)也没有影响R_(NA),这说明对于活性较好的AOB和NOB,HA预处理并没有进一步提高其活性,同时也不会抑制其活性.对于污泥Sp,HA的预处理没有破坏其短程效果,基本没有NO_3^--N的积累.因此,HA预处理对于AOB活性基本没有影响,但是影响了NOB的活性,在其活性不高时,能提高其活性,在其活性高时,既不会被进一步提高也不会被抑制.

亚硝酸盐对聚磷菌厌氧代谢的影响

为进一步认识聚磷菌(phosphate accumulating organism,PAOs)的代谢机制以及影响因素,在厌氧-好氧交替运行的SBR反应器中,采用人工配水,富集了含量高达80%以上的聚磷菌Candidatus Accumulibacter Phos-phates,在此基础上,用静态试验的方法研究了突然投加不同质量浓度的亚硝酸盐(ρ(NO 2--N)=0、5、10、20、40mg/L)对聚磷菌厌氧放磷的影响.结果表明,前60 min,随着起始ρ(NO 2--N)从0 mg/L提高到40 mg/L,释磷量不断增加,起始ρ(NO2--N)为40 mg/L的反应器比起始ρ(NO2--N)为0 mg/L的反应器释磷量增加了近60%,而乙酸吸收速率和PHA合成量却几乎下降了20%.60 min后,ρ(PO34--P),ρ(NO2--N)以及ρPHA都出现下降趋势,系统发生了反硝化吸磷.结果表明,此系统富集的PAOs中,一部分具有反硝化除磷的功能,还有一部分会因为亚硝酸盐的进入对其发生毒害而自溶.

不同电子受体对聚磷菌吸磷性能的影响研究

采用人工配水,在厌氧/好氧交替运行的序批式活性污泥反应器(SBR)中,富集了全菌数量80%以上的聚磷菌(Candi-datus Accumulibacter Phosphates)。以此为基础,研究了O2及不同浓度NO3--N、NO2--N对聚磷菌吸磷的影响。结果表明,在一定的条件下,聚磷菌可以NO3--N和NO2--N为电子受体进行缺氧吸磷;NO3--N浓度对聚磷菌的吸磷速率影响很小;聚磷菌可以低质量浓度NO2--N(≤40mg/L)为电子受体,但不能以高质量浓度NO2--N(≥80mg/L)为电子受体,而且高浓度NO2--N对聚磷菌吸磷产生抑制甚至对细菌本身存在毒害;NO2--N为电子受体时,其抑制浓度和污泥本身以及外界条件都存在很大的关系,各个研究结论不尽相同,其影响过程有待进一步的探讨。