新工科背景下“生物反应工程”教学改革探索

“生物反应工程”课程不仅具有强大的理论基础,而且具备实践性。新工科发展战略有助于将生物反应工程教育与产业需求深度对接,培养适应未来社会发展需求的创新型人才。在“新工科”教育背景下,为提高学生解决复杂工程问题的能力,对“生物反应工程”课程进行改革探索。在现有教学现状的基础上,将生物反应工程与工程知识、产教融合和科教融合相结合,进一步提高学生在工程计算、工程设计和工程实践方面的能力,培养学生的科研和创新思维能力。通过对成绩考核、目标评价和教学满意度问卷调查等多方面评估,结果反映教改效果良好。

生物炭强化厌氧膜生物反应器处理废水性能的研究进展

厌氧膜生物反应器(AnMBR)因其在各种废水处理中对有机物的高效降解和能量的回收能力而受到研究者的广泛关注。生物炭具有优异的吸附和导电能力,将其添加在AnMBR中用于厌氧消化处理污废水,可以提高反应器性能并促进能源回收。基于此,系统综述了生物炭的制备和改性方法对生物炭性能影响的研究,以及近年来利用生物炭强化AnMBR处理性能的研究进展,并主要讨论了生物炭在AnMBR中的作用及主要机制,指出了目前生物炭强化AnMBR研究存在的问题和未来的发展方向,为生物炭强化AnMBR处理废水提供理论依据与技术参考。

膜生物反应器在医疗废水处理中的应用

医院作为社会公共卫生体系的重要组成部分,其日常运营中产生的污水问题日益凸显。医疗废水作为一类特殊类型的废水,不仅含有高浓度的有机物、悬浮物,还携带大量的病原体,如细菌、病毒、寄生虫卵等,对环境和公众健康构成潜在威胁,所以必须确保医疗废水得到有效处理。在医疗废水处理领域,膜生物反应器凭借其卓越的处理效果、占地面积小、操作简便等优点,逐渐受到广泛关注。通过深入研究膜生物反应器在医疗废水处理中的工艺优化、运行参数调控、膜污染控制等关键问题,可以进一步提升其处理效率和稳定性,为医疗废水的高效、安全处理提供有力支持。基于此,分析膜生物反应器在医疗废水处理中的应用。

双碳背景下“生物反应工程”创新创业教育的融入与初探

“生物反应工程”作为一门理论性与应用性都很强的专业课程,在生物工程等相关专业的课程设置中处于桥梁和纽带地位。“双碳”背景下,生物工程相关企业和用人单位对绿色低碳新技术和人才提出了新的要求,与之相匹配的课程体系建设面临新挑战。围绕生化产业发展中涉及“生物反应工程”课程的新要求,依托校企联合省级重点实验室科研平台,将面向实际工程问题的科研项目以案例教学的方式融入课堂,强化绿色低碳循环发展背景下的生物反应工程分析能力,为生物工程领域高层次人才创新创业能力的培养奠定基础。

新工科和工程教育认证背景下“生物反应工程”课程改革与探索

针对新工科和工程教育背景下工科人才的培养目标和要求,基于线上、线下和翻转课堂混合式教学模式,对《生物反应工程》课程的课程目标、教学内容、培养模式和考核方式等进行了一系列的改革与探索。课程改革措施提高了学生的课程参与度和学习的积极性,增强了学生的科研创新能力和工程应用能力,为培养符合“新工科”建设要求的工科人才提供参考。

单级固定床生物膜反应器主流厌氧氨氧化快速启动性能

主流厌氧氨氧化(Anammox)是城市污水脱氮的热点和难点问题。本研究采用单级固定床生物膜反应器(SFBR)处理模拟城市污水,通过间歇运行切换和微氧(DO:0.4~0.7mg/L)控制,65天后成功启动Anammox。系统对氨氮和总氮去除率分别达98.8%和92.6%。此时生物膜结构致密,呈现红色。微生物活性测试发现,厌氧氨氧化菌活性在所有功能菌活性中最高。高通量测序证实厌氧氨氧化菌(Candidatus Brocadia)、短程反硝化菌(Thauera)和硝化菌(Nitrospira)共存,而未检测到氨氧化菌。amoA功能基因扩增子测序进一步分析表明,Nitrospira实际为全程氨氧化菌(Comammox)。因此,系统是在具有氧分层的生物膜内通过全程硝化/短程反硝化/厌氧氨氧化途径耦合实现城市污水脱氮。研究结果为主流Anammox快速实现提供了一种新的工艺思路。

200 m^(3)透明质酸生物反应器的流场模拟

随着透明质酸市场规模不断扩大,发酵生产透明质酸产量日益增多,为了对大型透明质酸生物反应器的放大设计提供理论依据,该文将透明质酸发酵液视为非牛顿流体,使用剪切应力输运模型对200 m^(3)生物反应器中不同搅拌器组合下的流场进行模拟建模。计算结果表明,使用斜叶桨式搅拌器流速最低,功耗最低,三折叶桨式搅拌器流速最高,流体流动性增强效果最好,功耗最高;弧叶圆盘涡轮搅拌器流体流速分布好于直叶圆盘涡轮搅拌器,功耗更低,更适合作为发酵罐底桨。综合流场分布,表观黏度分布以及轴功率数据考虑,选定最佳桨叶组合为三层三折叶桨式搅拌器+弧叶圆盘涡轮搅拌器进行发酵试生产,经过24 h发酵,透明质酸产率达到12.53 g/L。为工业高黏物料生物反应器放大设计提供了思路。

菌藻生物膜反应器处理养猪废水机制研究

利用菌藻共生生物膜系统处理畜禽养殖废水,反应器是关键的工序和重要的限制因素。设计菌藻生物膜反应器运行处理养猪废水,通过调节进水氨氮质量浓度探究其对污染物去除效率及微藻生物量的影响,扫描电镜观察载体上菌藻生物膜的形成情况,然后利用高通量测序进一步探究微生物群落的变化,从而揭示菌藻生物膜污水处理系统的污染物去除规律和微生物响应机制。结果表明,当进水氨氮质量浓度为200 mg/L时,氨氮的日去除速率最高可达到35.60 mg/(L·d),并在载体上观察到大量微藻和细菌的团簇体,表明菌藻生物膜形成,优势菌属为Prevotella_9、Clostridium_sensu_stricto_1、Acinetobacter和Bifidobacterium;当进水氨氮质量浓度为300 mg/L时,氨氮的日去除速率显著提高,最高可达到45.70 mg/(L·d),但持续的高氨氮负荷会对菌藻生物膜造成一定冲击,优势菌属演替为Comamonas和Christensenellaceae_R-7_group。

基于生物反应器的猪流行性腹泻病毒(ZJ/15株)悬浮培养工艺研究

为了优化生物反应器全悬浮培养技术制备猪流行性腹泻病毒(ZJ/15株)的工艺,试验首先通过摇瓶培养对病毒接种时的细胞密度、胰酶浓度、接毒剂量和收毒时间等培养条件进行优化;之后按照摇瓶培养确认的工艺进行生物反应器全悬浮培养工艺验证,同时对pH值、溶氧值(DO)、转速等培养参数进行优化,以病毒含量(TCID_(50))为指标,最终筛选出在15L生物反应器中培养猪流行性腹泻病毒(ZJ/15株)的最优条件,并进一步在50L生物反应器中进行工艺验证,将病毒液灭活后稀释至1×10^(7).0TCID_(50)/mL免疫怀孕75~90d的健康易感初怀母猪,在分娩当日,采集母猪和仔猪血清,并对分娩的3日龄仔猪攻毒进行免疫原性试验。结果表明:猪流行性腹泻病毒(ZJ/15株)在摇瓶上的最适培养条件为当细胞密度达到6×10^(6)个/mL以上时,用含胰酶(终浓度为20μg/mL)的无血清培养基将细胞密度稀释至2×10^(6)个/mL,按感染复数(MOI)=0.1接毒,130 r/min摇床振荡培养36h可收获病毒液,病毒含量可稳定达到1×10^(7.5)TCID_(50)/mL以上;猪流行性腹泻病毒(ZJ/15株)在15L生物反应器上的最适培养条件为pH值7.0~7.2、DO值50%、转速80~100 r/min,培养36h收获的病毒液含量可稳定在1×10^(7.5)TCID_(50)/mL以上;在50L生物反应器上放大培养收获的病毒液含量为1×10^(7).8TCID_(50)/mL。母猪和仔猪中和抗体效价均≥1∶32,免疫保护力为100%。说明本试验条件下成功建立并优化了生物反应器全悬浮培养制备猪流行性腹泻病毒(ZJ/15株)的工艺,生产的猪流行性腹泻病毒(ZJ/15株)的免疫原性较好。

高效气提环流式生物脱氮反应器在污水厂扩建改造中的应用

西北某污水处理厂扩建改造一期工程处理规模为5000m^(3)/d,采用高效气提环流式生物脱氮反应器(DIAB)工艺,所用反应器基于厌氧-缺氧-好氧(AAO)推流式生物反应器与升流式厌氧污泥床(upflow anaerobic sludge bed,UASB)反应器特点进行改良,由多级环状结构构成,利用三相分离器结构设计实现水、气、污泥分离,利用曝气尾气作为动力来源,实现混合液的无动力回流。总水力停留时间为21 h,其中厌氧区、缺氧区和好氧区停留时间分别为1.5、8.5 h和11 h,混合液悬浮固体(MLSS)质量浓度为5500 mg/L,平均BOD5污泥负荷为0.1 kg BOD5/(kg MLSS·d),混合液回流比为300%。污水厂采用该工艺完成改造运行后实际出水水质可稳定达到一级A标准。扩建工程单位处理成本为0.454元/m^(3)、生物处理区占地面积为0.161 m^(2)/m^(3),与相似规模传统AAO工艺相比较处理成本和占地面积分别减少了24.3%和25.8%,在出水水质、运行成本方面均有明显改善,与相似规模循环式活性污泥(CASS)工艺相比较占地面积相似,但处理成本减少约20%,出水水质优于CASS工艺,尤其在脱氮方面表现出色。DIAB工艺脱氮效率及碳源利用率较高,脱氮效果好,碳源投加及回流设备用电电耗低,适用于土地、工期受限,以及进水低碳氮比条件下污水处理厂的扩建、应急建设。

重力流膜生物反应器处理农村污水效能与机制

重力流膜生物反应器(GDMBR)具有低能耗、低维护和出水稳定的工艺特点,然而,目前关于利用GDMBR直接处理农村污水的相关研究较少,为此,探究GDMBR处理生活污水的通量变化规律、污染物去除效能以及不同膜孔径对其的影响。结果表明,GDMBR处理生活污水时可在无反冲洗条件下长期稳定运行,稳定通量为1.3~1.5 L/(m~2·h)。这是由于膜表面生物滤饼层内形成了疏松多孔结构,且膜孔内污染物含量极低。GDMBR工艺可在较低污泥质量浓度的前提下实现对COD和UV_(254)的高效去除,去除率分别为78%和85%,并有效保留污水中的氮源和磷源。此外,不同膜孔径对GDMBR工艺除污染效能的影响甚微,但微滤膜构成的GDMBR系统的稳定通量略高于超滤膜系统。

智能生物反应器装备制造进展

生物反应器是生物医药和生物技术产业的核心装备,全球生物反应器市场规模逐年增长,将成为装备制造领域重要的增长点。随着合成生物学和人工智能技术的迅猛发展,高通量、微型化生物反应器已开始应用于工艺开发和优化,大型生物反应器则朝着低能耗、智能化方向发展。生物反应器流场结构的复杂性是导致生物过程放大困难的关键问题之一,需要对反应器内的混合、传质、剪切等要素进行综合研究。为了提高生物反应器效率,需要采用人工智能和机器学习等技术进行数据采集和优化。未来结合生物技术、信息技术和控制技术的高集成度智能生物反应器将在多个领域有更广阔的发展空间。

合成生物学表型测试生物反应器及其装备化研究进展

合成生物学经过多年的发展,形成了典型的细胞工厂创制“设计-构建-测试-学习”(design-build-testlearn,DBTL)循环,成为支撑面向加速生物制造发展的智慧生物育种的重要方法。其中,测试环节是对前期所设计与构建的生物体系进行表型测试,以提供大量数据用于后续的学习和迭代升级。测试阶段的通量主要依赖于细胞自身或其培养测试所使用的生物反应器及其装备,是整个DBTL流程的限速步骤。本文系统综述了合成生物学表型测试所开发的面向不同通量的生物反应器及装备,从单细胞检测和筛选及不同尺度生物反应器包括皮纳升级生物反应器、微升级生物反应器、毫升级生物反应器和升级生物反应器等,系统地介绍了各自的特点和应用场景。同时,指出了现有生物反应器及其装备的应用潜力、面临的挑战与发展趋势,为合成生物学表型测试技术研究提供重要参考。

电化学-膜生物反应器强化污废水处理的研究进展

电化学耦合膜生物反应器(EMBR)是新兴的污废水处理技术,除了能够高效去除常规污染物,EMBR在去除微污染物和病原微生物、缓解抗生素抗性基因增殖、控制膜污染和回收生物能源与资源等方面也具有显著的优势。综述了EMBR工艺的原理及特点、污废水处理效能、能源与资源回收效果、膜污染控制和技术挑战。为了推动EMBR的工程应用,未来仍需开发具有高导电性、生物相容性的电极材料,优化反应器构型和操作条件,以持续提升对污废水的处理效能。

曝气对膜生物反应器内气-液流态影响的模拟研究

采用多孔介质模型模拟具有渗透作用的分离膜,利用群平衡模型(PBM)预测膜生物反应器(MBR)内多尺寸气泡流动,对MBR内气-液流态进行模拟研究.系统分析了渗透侧抽吸作用、气泡直径、曝气速率对流态及近膜面气泡流对膜面的擦洗效果的影响.结果表明:对于远离膜面气泡流,在渗透侧抽吸负压2000 Pa下,气泡直径从0.1 mm增大到3.0 mm,含气率峰值下降16%,小气泡有利于膜反应器内气-液充分混合;曝气速率从0.5 m/s增大至1.5 m/s,气泡流含气率峰值增加12.0%.随着曝气孔靠近膜面,液相流动的循环中心也逐渐靠近膜面.对于近膜面气泡流,渗透侧抽吸压为0 Pa时,气泡直径从3.0 mm减小到1.0 mm,膜面剪切应力由1.92 Pa增大到4.87 Pa;曝气速率由0.5 m/s增大至1.5 m/s,膜面剪切速度由0.02 m/s增大到0.22 m/s,膜面剪切应力由1.97 Pa增大到3.83 Pa;曝气速率0.5 m/s下,抽吸负压3000 Pa的平均膜剪切应力为0 Pa的1.85倍;高抽吸负压下小气泡高速曝气有利于提高膜面剪切应力.研究结果将为MBR曝气工艺设计和优化提供依据.

厌氧膜生物反应器出水溶解甲烷回收研究进展

厌氧膜生物反应器(AnMBR)是一种能耗低、处理效率高的污水处理技术.然而,受温度、污泥龄、水力停留时间等工艺参数的影响,生成的甲烷大量溶解在出水中形成过饱和溶液,并随出水排放至环境中,造成了能源物质损失和温室气体排放.若将溶解甲烷有效回收,其可作为补充能源或脱氮碳源原位利用,具有重要的应用价值.为了实现AnMBR出水溶解甲烷有效回收或再利用,本文阐述了目前3种主流回收溶解甲烷技术(膜回收技术、反硝化厌氧甲烷氧化技术、微生物燃料电池)的原理、回收效能和局限性.在此基础上,评估了AnMBR处理污水全过程的碳足迹,并针对AnMBR出水溶解甲烷回收的未来研究进行了展望.本研究可为双碳背景下AnMBR技术实现能量盈余和资源回收提供理论依据和技术参考.

中试膜生物反应器处理奶牛养殖污水的微生物群落结构分析

为了研究中试膜生物反应器在不同运行参数下处理高浓度奶牛养殖污水时膜生物反应器(Membrane bioreactor,MBR)内微生物群落结构的演变情况,对不同污泥龄(Sludge retention time,SRT)、水力停留时间(Hydraulic retention time,HRT)和曝气方式(连续曝气、3种间歇曝气)形成的5种工况下MBR微生物组成、多样性以及优势菌群分布进行了表征,同时对比研究了不同工况下污染物去除效果。结果表明,MBR处理高浓度奶牛养殖污水的最佳运行参数:SRT为30 d、HRT为96 h、曝15 min/停10 min,此参数条件下化学需氧量(COD)、NH_(4)^(+)-N、总氮(TN)和总磷(TP)的去除率分别为97.0%±0.5%、90.4%±1.3%、85.5%±1.8%和89.6%±5.6%,处理出水中4种水质指标浓度分别为(224±56)、(45±8)、(105±19)mg·L^(-1)和(4±2)mg·L^(-1),运行期间部分处理出水的COD浓度达到农田灌溉水质标准要求,高效稳定的有机物和氮磷去除效果依赖于MBR微生物的多样性和功能微生物的稳定性。反硝化除磷菌门的Proteobacteria(变形菌门)、Firmicutes(厚壁菌门)和Bacteroidetes(拟杆菌门)的丰度占总细菌的85.2%,污水高效脱氮除磷效率与反硝化除磷菌的种类、相对丰度密切相关;优势菌纲Gammaproteobacteria(γ-变形菌纲)、Bacteroidia(拟杆菌纲)和Clostridia(梭菌纲)的相对丰度总占比达81.2%,其中功能性除磷菌纲Gammaproteobacteria的丰度最高,达57.3%,保证了处理出水较低的TP浓度;优势反硝化菌属为Ottowia(奥托氏菌属),相对丰度占比达54.8%,可显著提高MBR脱氮效率。MBR处理高浓度奶牛养殖污水可实现良好的污染物去除效果,污染物去除效果与优势菌群密切相关,优势菌群相对丰度越高,越有利于提高污水处理效果和出水水质。

序批式生物膜反应器强化苯胺废水脱氮的特性及机理研究

采用序批式生物膜反应器(SBBR)处理600 mg/L的苯胺废水,并与序批式活性污泥反应器(SBR)进行对比。结果表明:两组反应器对苯胺均能达到100%的去除效果,但SBBR的总氮去除效率更高。SBBR的硝化以异养硝化为主,同时也存在一定程度的自养硝化;反硝化过程是外加碳源缺氧反硝化。高通量测序结果表明,SBBR的活性污泥和生物膜能更好地兼容苯胺降解菌群和脱氮功能菌群的生长和发育,从而保证苯胺废水的脱氮。

农村生活垃圾厌氧/准好氧生物反应器堆肥产物的安全性分析

为实现农村生活垃圾的资源化利用,评价了农村生活垃圾堆肥产品的品质,探讨了该堆肥产品农林利用的可行性,并基于淋滤实验从生态环境保护角度提出了堆肥的施肥策略。研究表明:发酵1.5年的堆肥产品中有机质质量分数为31.28%,总养分为3.84%,重金属由高到低依次为Cu(1322.02 mg/kg)、Pb(118.39 mg/kg)、Cr(91.61 mg/kg)、Cd(8.81 mg/kg),按照15%(质量分数)的比例施用后,土壤质量符合相关要求,但存在轻微生态风险。在淋滤过程中,淋溶液中总氮和硝酸盐氮浓度呈指数下降趋势,氨氮呈先增加再降低的趋势,相较于发酵1年的堆肥产品,发酵1.5年堆肥产品的淋溶液中氨氮浓度显著降低(P<0.01);模拟春季、雨季、旱季施用发酵1.5年的堆肥产品,10000 m^(2)园林绿地中总氮年溶出累积量介于24534~31783 g,约占初始总氮含量的10%;春季施肥氮释放与作物生长同步,更有利于作物生长。

电化学膜生物反应器处理猪场污水运行效果

针对目前膜生物反应器(Membrane bioreactor,MBR)处理污水时存在严重的膜污染问题,结合微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)处理污水时可产生电能的特点,本研究耦合MBR与MFC,构建新型电化学膜生物反应器(Electrochemistry membrane bioreactor,EMBR),探讨EMBR处理猪场污水的可行性,并对比评价闭路和开路连接方式的运行效果。结果表明,闭路EMBR可连续稳定运行。产电性能方面,最大功率密度、内阻和库仑效率分别为62.7 mW·m^(-2)、229.1Ω和15.5%;污染物去除方面,闭路EMBR对化学需氧量(COD)、氨氮(NH_(4)^(+)-N)、总氮(TN)和总磷(TP)的去除率分别为90.4%±0.5%、76.6%±1.8%、62.6%±1.6%和70.5%±3.4%,其中TN的去除率较开路EMBR系统显著提升了3.8%;膜污染减缓方面,闭路EMBR在其自身所产电场作用下可有效减缓膜污染,膜清洗周期较开路EMBR延长了30%。EMBR作为一种新兴污水处理技术,在高效去除猪场污水中污染物的同时可产生电能,并可利用自身所产电能原位减缓膜污染速率。