黄铁矿基MFC-CW耦合系统反硝化动力学研究

研究比较了黄铁矿基双阳极MFC-CW在不同碳氮比(0和2.5)及初始硝酸盐浓度(7、14和28 mg/L)条件下上阳极和下阳极的反硝化速率,以及对不同阶段硝酸盐还原反应动力学的模拟,从动力学角度揭示系统自养-异养协同反硝化机理。结果显示:不同碳氮比下系统两阳极硝酸盐还原效果差异不大,而亚硝酸盐累积、硫酸盐生成的差别较大,两阳极处微生物群落组成相似,优势菌属的相对丰度受C/N、阳极位置影响较大;两阳极处的硝酸盐还原动力学均属于一级反应,且C/N=0时反硝化速率常数(0.0087、0.0045和0.0188/h)均小于C/N=2.5(0.0151、0.0071和0.0798/h;以上阳极为例);MFC-CW系统的反硝化动力学更符合Monod-CSTR模型,且在停留时间较长时取得更好的拟合效果,随着停留时间的增加,C/N=0时系统的反硝速率增加,C/N=2.5时系统的反硝化速率在一定范围内波动[0.6662—0.7744 g/(m^(2)·d)]。实验结果可为黄铁矿基MFC-CW的实际工程应用提供理论指导。

人工湿地生物堵塞研究进展

人工湿地生物堵塞是指由于微生物代谢过程中分泌大量胞外聚合物与水体中的有机物形成高含水量、低密度的胶状淤泥而堵塞基质床的现象。文章在综述生物堵塞形成过程及机理的基础上进一步分析讨论了生物堵塞的主要影响因素(废水特性、基质特性和级配、湿地植物搭配、运行方式)和生物堵塞原位缓解缓堵解堵技术(停床轮休、原位化学解堵、原位生物解堵),最后总结了当前尚未解决的关键问题,对今后生物堵塞的研究及防堵解堵技术进行了展望。

微生物燃料电池(MFC)型生物毒性传感器用于重金属离子检测的研究进展

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)型生物毒性传感器以其低成本、实时快速、操作简单和能实现污染物在线自动检测等特点在环境监测方面有着广泛的应用前景。总结了近十年应用MFC型生物毒性传感器对重金属离子进行检测与预警的研究情况。从MFC型生物毒性传感器的原理出发,介绍了评价MFC型生物毒性传感器性能的主要指标。从MFC的构型、膜类型、电极材料、控制模式和接种微生物5个方面分析了其对重金属检测性能的影响。展望了未来MFC型生物毒性传感器可能的研究方向:(1)筛选出具有特异性、灵敏度高和恢复速度快的阳极产电微生物菌种,实现对某一特定重金属离子的检测;(2)结合新型材料工艺实现传感器的微型化和集成化;(3)结合5G技术,实现MFC型生物毒性传感器的远程在线实时监测以及智能化拓展。

MFC处理人工湿地生物堵塞物及同步产电研究

为探究MFC(microbial fuel cells,微生物燃料电池)对人工湿地(constructed wetland,CW)堵塞物EPS(extracellular polymeric substances,胞外聚合物)组分的处理效果和产电性能,构建双室MFC,设置闭路组(closed circuit MFC,MFC-C)和开路组(open circuit MFC,MFC-O)对EPS中的主要组分〔PN(protein,蛋白质)和PS(polysaccharide,多糖)〕及人工湿地堵塞物进行处理,分析底物类型、底物浓度和外阻(R ex)对MFC系统产电性能的影响及系统对底物的处理效果.结果表明:①MFC系统的产电性能受底物类型、底物浓度及R ex的影响较大,底物浓度增加1.5倍(由200 mg/L增至500 mg/L)时,MFC系统最大电压(V max)增加5.8%(PN),最大功率密度(P max)分别增加188.30%(PN)和124.21%(PS);保持底物类型和底物浓度不变,R ex增加9倍(由100Ω增至1000Ω)时,MFC的V max分别增加110.26%(PN)和92.81%(PS),P max分别增加109.19%(PN)和7.51%(PS).②PN可全部被阳极微生物利用,但同时阳极微生物会分泌PS,底物浓度增加1.5倍时,出水中ρ(PS)分别增加107.85%(MFC-C)和78.55%(MFC-O);R ex增加9倍时,ρ(PS)分别增加415.85%(MFC-C)和294.29%(MFC-O);底物为PN时,出水中ρ(PS)均表现为MFC-C<MFC-O,说明MFC形成的微弱电场在一定程度上可抑制PS的分泌.③人工湿地堵塞物可作为MFC的底物,随着投加量的增加(除堵塞物投加量为0.500 g/L外),V max(约750 mV)变化不大,但电压稳定时间随投加量的增加而略有延长;堵塞物投加量为6.667 g/L时,MFC的P max为12.25 mW/m^2,内阻(R int)为1112.5Ω,MFC产电性能下降.研究显示,人工湿地堵塞物EPS可以作为MFC的阳极底物并同步实现能源回收.

人工湿地-微生物燃料电池耦合系统缓解生物堵塞试验研究

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)利用电极表面富集的电化学活性菌(Electrochemically Active Bacteria,EAB)对生物堵塞的胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)进行降解,并通过产电过程中形成的微弱电场来抑制微生物胞外多糖大量分泌,可在一定程度上控制人工湿地(Constructed Wetland,CW)的生物堵塞。为此,研究将阴极和阳极电极分别嵌入垂直流人工湿地的不同深度位置处,构建了人工湿地-微生物燃料电池(CW-MFC)耦合系统。通过比较开路和闭路耦合系统的孔隙率、过水速率以及净化效果,评价CW-MFC系统的堵塞延缓能力。结果表明:相较开路系统,闭路系统的过滤速率增幅较大,孔隙率的降幅较小,在一定程度上缓解了堵塞。闭路系统对TN和NH4+-N的去除率显著高于开路系统。嵌入电极形成的CWMFC系统可原位缓解堵塞,有较好的应用潜力。

金鱼藻对盐碱胁迫的生理响应研究

白鹤湖作为莫莫格湿地保护区内的代表性湖泊,正面临着盐碱化和富营养化的风险,现存沉水植物种类稀少,为了减缓白鹤湖盐碱化趋势,为当地沉水植被恢复及物种多样化存续提供研究依据,以在白鹤湖生物量相对大的金鱼藻(Ceratophyllum demersum)为对象,研究了其在不同碱度(0、7、10、17 mmol/L)和混合盐碱(盐度0.3、0.6、1、2、4 g/L,相应碱度1.9、3.8、6.3、12.6、25.2 mmol/L)条件下的生理指标变化。结果表明,盐度在1.5 g/L以下时,碱度变化没有对金鱼藻造成影响,在实验设置的碱度梯度范围内,金鱼藻均能正常生长,尽管金鱼藻过氧化物酶(POD)、脯氨酸等均显示出梯度变化,但依旧能够耐受17 mmol/L以下的碱度条件。随着混合盐碱浓度的升高,金鱼藻长势呈现由盛至衰败的趋势,在盐度0.6 g/L、碱度3.8 mmol/L的条件下,金鱼藻长势最好,表现出低促高抑的效应。随着盐度升高至2 g/L、碱度12.6 mmol/L,金鱼藻能耐受胁迫并存活一部分,尽管此时碱度<17 mmol/L,也有部分金鱼藻死亡,POD含量急剧升高且植株间差异较大;当盐度升高到4 g/L、碱度达到25.2 mmol/L时,金鱼藻21天后全部死亡。在对水培液水质的检测中发现,混合盐碱的浓度越高,水中氮磷的去除率越低,两者呈负相关关系。研究结果为盐碱化湖泊的沉水植被恢复提供了一定的参考。

两种生物电化学系统原位缓解人工湿地生物堵塞效果

生物电化学系统(Bio-electrochemical Systems,BES)利用附加电场或自产电场可以促进EPS分散、降解和利用,可在一定程度上控制和缓解人工湿地的生物堵塞。为此,研究采用CW-MEC和CW-MFC两种生物电化学系统对不同生物堵塞时期的人工湿地进行干预,通过比较系统直观堵塞指标(孔隙率、出水速率)、净化效果(COD和氮的去除)及垂直方向上分层EPS的含量等来评价不同干预时机,两种BES系统对生物堵塞的缓解能力。结果表明:两种BES系统均能体现较好的堵塞缓解效果。堵塞前干预,CW-MFC系统能很好地维持污染物COD、TN去除效果(91.4%—61.3%和65%—40%)并提高出水速率(变化率为CW组67.6%);堵塞后修复,CW-MEC系统能显著减少上层EPS含量,恢复系统孔隙率,具有更好的缓解堵塞效果。这两种BES系统原位缓解人工湿地生物堵塞方面皆有较好的应用潜力。

还原态硫介导沉积物-水系统硝酸盐还原过程研究

沉积物-水系统中存在着硫元素与反硝化(DN)、硝酸盐异化还原成铵(DNRA)过程的耦合。通过向构建的沉积物-水微宇宙系统依次投加0(N组)、50(L组)和75 mg·L^(-1)(H组)还原态硫,解析各形态氮在上覆水、间隙水和沉积物中的浓度变化与微生物群落结构,以揭示还原态硫对反硝化、硝酸盐异化还原成铵过程的影响。结果显示,还原态硫投加量分别为50和75 mg·L^(-1)时,系统分别有38.02%和33.27%还原态硫被转化为SO_(4)^(2-)。硫氧化作用促进了反硝化的发生,导致L和H组总氮分别比N组减少11%和8%;但是对DNRA过程没有显著影响。此外,具有硫自养反硝化功能的Thiobacillus和Dechloromonas相对丰度之和随着还原态硫浓度增加而上升,N、L和H组两者相对丰度之和分别为5.69%、6.52%和8.70%;而N、L和H组异养硝酸盐还原菌(HNRB)相对丰度分别为0.98%、0.91%和1.05%,其中,DNRA细菌相对丰度均较低(不超过1%),且不受还原态硫浓度的影响。此结果进一步印证了系统中硝酸盐还原以硫自养反硝化过程为主。

一种便携式净水器的设计

针对目前净水器存在的一些不足,为了达到便携和直接饮用的目的,设计了一种便携式净水器。该便携式净水器方便携带,具有杀菌功能,其滤芯还可拆卸、可更换。