电生物膜处理重金属离子有机废水

开发了电生物膜方法处理重金属离子有机废水的全套工艺,研究了前期培养驯化微生物对处理含有Pb2+和苯酚高浓度废水的影响,并通过长期的连续实验研究了微生物生长代谢的营养源以及生物膜的脱落更新。结果表明:培养驯化能够使高活性、耐毒性的微生物菌群成为生物膜生长代谢的主体;毒性物质影响微生物活性生物量是反应器处理效率下降的主要原因,废水中的毒性有机物苯酚,经过培养驯化能够成为微生物生长代谢的碳源和能源,生物膜成长后期的脱落更新是保证连续高效净化重金属离子有机废水的关键。

废水处理中的电生物膜复合新工艺技术

笔者调查了废水处理的落后局面以及研究的价值前景,然后根据对现有电化学方法、生物膜方法的研究,重点提出了电生物膜新工艺技术并从反应机理、反应器设计方面做了研究,最后提出了该技术今后的研究方向.

低电压下电生物膜脱氮体系中细菌多样性研究

采用多阴极电生物膜反应器,在外加0.25 V驯化电压下得到了最佳脱氮效果,脱氮速率达16.58 mg NO-3-N·L-1·h-1,脱氮效率为不加电时的185.9%。通过16S r DNA高通量测序的方法对多阴极电化学生物脱氮体系中细菌的多样性进行了研究。结果表明,反硝化体系中,Proteobacteria,Bacteroidetes和Firmicutes为优势菌种,在外加0.250 V电压驯化后,微生物种群得到了筛选和富集,其中,Proteobacteria菌种在加电驯化后被选择性地富集。Proteobacteria菌中的Phyllobacterium和Caenispirillum属对于低电压强化电化学生物脱氮系统有着重要作用。

邻苯二甲酸二丁酯对电活性生物膜性能影响及机制

为进一步探究生物电化学系统(BES)处理市政污水的效能,研究了新兴污染物邻苯二甲酸二丁酯(DBP)对电活性生物膜(EAB)的影响和作用机制。采用电化学工作站、扫描电子显微镜、共聚焦激光扫描显微镜、高通量测序等方法,研究DBP质量浓度对EAB电化学活性、主要成分、微观形态、空间结构以及微生物群落结构的影响。结果表明:在高质量浓度DBP(10 mg/L)条件下,BES的最高输出电压和功率密度分别为0.24 V和113.34 mW/m^(2);较低质量浓度DBP(1 mg/L)条件下,BES的最高输出电压和功率密度分别下降33.33%和31.47%,两者均低于空白对照组。生物膜中的蛋白和多糖成分的测定结果表明,高质量浓度DBP会刺激β-多糖的分泌,并在激光共聚焦图像上表现出强烈的蓝色信号,而蛋白和α-多糖的含量没有显著变化。对不同DBP质量浓度下的EAB进行微生物群落分析的结果显示,Petrimonas和Aquamicrobium菌是高质量浓度DBP条件下的优势菌群,而DBP会降低EAB的电化学活性,在对照组的EAB中,典型的电活性菌Rhodopseudomonas和Rhodococcus占据主导地位。

膜电生物反应器深度处理垃圾渗滤液研究

研究了管式膜膜电生物反应器对垃圾渗滤液的深度处理,考察膜电生物反应器的pH、水温、溶解氧和污泥浓度变化对垃圾渗滤液处理效果的影响,同时考察膜出水通量、COD和电导率。结果表明,采用膜电生物反应器进一步处理垃圾渗滤液,膜通量较稳定,出水COD(350～650mg·L-1)随原液COD(500～800mg·L-1)呈大体相同趋势变化,在试验后期,COD去除率在25%～45%之间。

电辅助膜生物反应器体系中Co纳米催化膜处理焦化废水研究

为探究电辅助膜生物反应器(electrical membrane bioreactor, EMBR)处理难降解有机废水的效果、产电性能及抗膜污染性能,以金属有机骨架化合物(metal-organic frameworks, MOFs)为前驱体,通过碳化制备具有高催化氧还原(oxygen reduction reaction, ORR)活性的负载Co纳米颗粒的氮掺杂碳催化剂(Co-NPs),以碳纤维布作为基体组装Co-NPs/PVDF碳纤维基催化膜,并构建催化膜耦合EMBR体系处理实际焦化废水.考察碳化温度、Co/N协同作用、N掺杂含量及形态对ORR活性的影响,探究了催化膜在EMBR体系中处理实际焦化废水的污染物去除效率、抗污染特性和产能效果.结果表明:①Co-NPs的ORR反应为4电子转移还原途径,还原产物为水.②Co-NPs/PVDF碳纤维基催化膜在微电场下保持稳定的高膜通量.催化膜污染在运行初期符合膜孔堵塞模型,后期表现为滤饼层污染模型控制,膜污染以滤饼层污染为主.微电场可以降低滤饼层比阻,能有效解决膜污染问题.③EMBR体系处理实际焦化废水,COD、TN、NH_(4)^(+)-N和挥发酚的去除率分别为97.2%、43.8%、82.9%和99.8%.④系统最大产电功率密度为823.8 mW/m^(3),库仑效率为8.3%.研究显示,以MOFs为前驱体制备的Co-NPs纳米催化剂,以碳纤维布作为基体制备Co-NPs/PVDF碳纤维基催化膜,耦合EMBR体系在焦化废水处理过程中表现出了高效的污染物降解效率、能源转化效率,并且微电场环境可达到抗膜污染效果.

用阴极放大的电-生物膜固定床反应塔处理含Zn^(2+)废水

经Zn2+驯化所得的功能混合菌,在陶瓷小球表面挂膜后置于电-生物反应器内.考察该反应器在间歇实验与连续实验过程中对于Zn2+的去除效果,并对吸附时间、Zn2+初始质量浓度和溶液pH值等实验条件对Zn2+吸附率的影响进行了分析.结果表明:在间歇实验中,当Zn2+初始质量浓度较高时,吸附很快达到饱和,吸附率随之下降,低初始质量浓度下生物膜对重金属离子的吸附未达到饱和,对吸附率影响不大;pH值在7～9范围内时,吸附效果最好;连续实验进行44 h后,出水口处重金属离子吸附率达到了稳定;同间歇处理废水方法相比,连续流程处理的重金属离子总量大大增加,但达到稳定平衡所需时间较长,处理效果较差.

新型生物膜载体在污水处理中的研究现状

生物处理法是污水处理领域的核心技术,其中的生物膜法因具有耐冲击负荷、污泥产量少、运行管理方便等优势,已在全球范围内得到广泛关注。生物膜载体作为微生物附着生长材料,在生物膜处理工艺中起到关键作用,直接影响工艺的处理效果。然而,目前所开发的生物膜载体大多只能为微生物提供适宜稳定的生态位,并不具有强化污水处理效果的能力。为此,本文围绕五种能够提高污染物降解效率的新型生物膜载体(缓释生物膜载体、氧化还原介体生物膜载体、磁性生物膜载体、亲水改性生物膜载体、亲电改性生物膜载体)进行讨论,详细阐述了其具体分类与作用机理,并针对其今后研究方向与未来发展提出建设性建议,以期为未来大范围提标改造污水处理厂提供理论参考。

电耦合膜生物反应器中膜污染控制的研究进展

针对膜生物反应器(MBR)长期运行过程中的膜污染问题,阐述了MBR膜污染的成因及影响因素,分析了电耦合膜生物反应器(EMBR)减缓膜污染的机理,介绍了导电膜耦合EMBR和自生电场对膜污染的抑制作用。分析表明:EMBR可以通过电渗、电泳、电氧化、群体淬灭等电化学作用原位控制膜污染;微生物燃料电池(MFC)的自生电场应用于EMBR,在减缓膜污染的同时以电能的形式回收部分能量;导电膜的应用优化了EMBR结构,自生电场的MFC-MBR耦合工艺具有较好的应用前景。

电活性菌藻生物膜强化人工湿地处理水产养殖废水的小试研究

人工湿地(CW)处理鱼塘养殖废水存在处理效率低、稳定性差等问题。本研究采用电活性菌藻生物膜(BA)以微生物燃料电池(MFC)形式强化CW处理鱼塘养殖废水,即BA-MFC-CW。与CW组相比,BA-MFC-CW组对COD、总磷、总氮的去除率分别提高了26.69%、23.17%、16.67%。相比MFC-CW组,BA-MFC-CW组对COD、总磷、总氮去除率分别提高了0.95%、25.64%、6.48%。高通量测序表明,在电活性菌藻生物膜中,Acinetobacter、Cyanobium、Pseudomonas和Ottowia得到富集;在MFC阳极上,Geobacter、Aminicenantales和Clostridium生长状况良好。以上结果表明,电活性菌藻生物膜技术能够有效提高人工湿地处理水产养殖废水的效果。

邻苯二甲酸酯对电活性生物膜性能潜在影响机制

为了进一步了解邻苯二甲酸酯(PAEs)类物质对电活性生物膜(EABs)的毒性作用,在总结目前自然水体和废水处理系统中PAEs浓度分布的基础上,分析了PAEs等毒害物质对生物膜的影响机制,指出PAEs对EABs性能的潜在影响机制主要包括影响电活性微生物的定殖、EABs的演替及EABs的功能三方面。

电混凝预处理工艺降低膜污染的研究进展

简述了铁系和铝系电混凝去除污染物的机理,同时以铝为例从膜的内部污染和外部污染两方面阐述了电混凝控制膜污染的机理,内部污染的减轻主要是氢氧化铝的网捕在膜表面形成的滤饼阻止小颗粒物进入膜内部堵塞膜孔,而外部污染的降低归因于形成的滤饼与膜之间的化学引力小。铁系和铝系电混凝在控制膜污染方面,铝系优于铁系。另外,电膜生物反应器作为一种新型的控制膜污染的工艺,膜污染的降低主要归因于在系统中发生的电中和,吸附和电化学氧化反应减少了膜表面的污物。

电能细胞的合成生物学设计构建

电能细胞具有与外界环境进行双向电子交换的能力,包括向外界环境释放电子的产电细胞,以及从外界环境获取电子的噬电细胞,在微生物电化学系统中发挥微生物电催化剂的核心作用。以电能细胞为核心的微生物电化学系统在生态环境治理、绿色能源开发、化学品高效合成等方面有着广泛应用。但是野生电能细胞因其摄取底物能力弱、胞内电子通量小、双向跨膜电子传递效率低、生物膜形成能力差等原因,化学能到电能的双向转化效率受到极大限制,是实现微生物电化学系统大规模产业化应用的核心瓶颈。本综述聚焦近5年电能细胞合成生物学改造的最新研究进展,通过分析双向电子传递的分子机制,分类汇总产电细胞和噬电细胞的合成生物学改造策略:(1)工程产电细胞(强化产电细胞的胞内电子生成、胞外传递效率,具体为拓宽底物谱、增强还原力转化,提高胞外传递能力、促进电极生物膜形成);(2)工程噬电细胞(强化噬电细胞胞外电子摄取、还原力转化、产物合成效率,包括提高噬电细胞电子摄取和还原力转化,调控细胞代谢路径电合成化学品和生物燃料)。最后,展望了未来高效电能细胞和微生物电化学系统的设计与构建。

电活性菌藻膜耦合虹吸曝气技术处理海水养殖废水

人工湿地耦合微生物燃料电池(constructed wetland-microbial fuel cell,CW-MFC)被广泛应用于低碳氮比水产养殖废水处理。然而,高盐度抑制限制了其在海水养殖废水处理中的应用。针对高盐抑制,该研究利用海水底泥和海洋微藻构建电活性菌藻生物膜并结合虹吸曝气技术强化CW-MFC处理海水养殖废水。相比CW-MFC,强化系统对化学需氧量、总磷、总氮、磺胺甲恶唑、Cu^(2+)的去除率分别提高33.46%,31.07%、25.64%、12.03%、24.25%。高通量测序显示,硝化和反硝化细菌Marinobacter、Muricauda、Xanthomarina生长状况良好;在MFC阳极和电活性菌藻生物膜表面,胞外呼细菌Geobacteraceae和Pseudomonas以及海洋微藻细菌Pseudooceanicola和Hoeflea被显著富集。研究结果表明,电活性菌藻生物膜耦合虹吸曝气技术可以有效提高CW-MFC系统处理海水养殖废水的效能。

膜生物反应器及其耦合工艺的应用研究进展

本文介绍了膜生物反应器的基本原理、分类及应用现状,阐述了几种典型的MBR耦合工艺的研究进展,并对其进一步研究指明方向。

MBR在废水处理中的应用及生物强化研究进展

针对日益严苛的废水排放标准,必须提高废水处理工艺脱氮除磷和对难降解有机物的去除性能。膜生物反应器(MBR)作为膜分离与生物技术有机结合的污水处理技术,具有系统处理效果好、容积负荷高、占地面积小,节省空间等优点。文章梳理了MBR在废水脱氮除磷及难降解有机物处理等方面的应用情况,介绍了MBR各种生物强化技术研究现状,为新型MBR技术的开发提供了支持。

电活性生物膜生长过程中电荷与传质阻抗的变化规律

电活性生物膜因为能直接向胞外产生电子,将生物能直接转化成电能,所以近年来已经成为国际领域内的研究热点.在电活性生物膜内部,一方面存在着复杂的生物电化学过程,另一方面微生物及生物膜生长又涉及复杂的质量传递过程.本文针对电活性生物膜不同生长阶段的质量传递损失和电荷传递损失展开研究,以期找到在不同时期内其产能的限制因素,这将对于电活性生物膜性能的改善具有至关重要的作用.本研究结果表明,80 h时,电荷传递阻抗占总内阻的99.8%.因此在电活性生物膜运行初期,电荷传递阻抗成为限制其产能的主要因素.随着运行时间的增长,电荷传递阻抗的比例不断下降,430和460 h时分别为86.9%和72.9%.运行到500 h后,电荷传递阻抗的比例下降到33.1%.然而此时,传质阻抗的占比上升到38.6%.因此当电荷性生物膜逐渐成熟时,电荷阻抗和传质阻抗共同成为其产能的限制因素.因此在电活性生物膜不同生长阶段,采用不同的方法来降低其对应的内阻对提高产电性能至关重要.

电活性生物膜:形成、表征及应用

电活性生物膜(Electrochemically active biofi lms,EABs)是一类能够直接与胞外固态载体(铁氧化物、腐殖质及电极等)进行电子交换的生物膜.EABs的电子传递特性,赋予了它在环境、能源和化工等领域的广泛应用前景,已成为当前国际研究热点.本文以革兰氏染色法为依据,分别介绍了腐败希瓦氏菌(Shewanella putrefaciens)、硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens)和丁酸梭菌(Clostridium butyricum EG3)为代表的阴性和阳性电活性微生物;在普通生物膜的形成基础上,讨论了EABs的两种主要培养方法;分别从EABs输出电子与接受电子的角度,详细论述了电活性微生物与胞外载体的电子传递机制;重点阐述了利用电化学、光谱学、电子显微镜、分子生态学等多技术手段表征单个电活性微生物和整个EABs的形态、结构,以及所揭示的胞外电子传递机制和相关影响因子;对EABs在电能输出、污染物治理、有价品合成等方面应用作了详细介绍.最后,建议对EABs的研究建立一个统一、标准的表征方法,同时应重点研究EABs接受电子的传递机制.对这些机理的深入了解,可使得EABs在污染物治理以及有机物的电合成等方面应用早日实现规模化、产业化生产.

电活性生物膜介导Cu^(2+)生物还原的试验研究

电活性生物膜形成、胞外电子传递机制以及环境效应研究已成为环境领域关注的热点.通过在碳毡上富集形成生物膜,采用电化学方法对生物膜的电活性进行了表征,对电活性生物膜直接介导Cu2+的还原转化进行了初探.利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)对Cu元素的形貌、含量以及价态进行分析,结果表明电活性生物膜能够利用乙酸作为电子供体,Cu2+作为电子受体,将Cu2+还原转化成Cu或Cu+.同时,通过激光共聚焦显微镜(LSCM)观察Cu2+对微生物的影响,结果显示Cu2+对微生物有明显的毒害作用,所以电活性生物膜介导Cu2+的转化只能在较低的铜离子浓度下进行.本研究结果将为电活性生物膜应用于环境中铜离子的固定和回收提供理论依据.

电凝聚强化膜生物反应器处理模拟生活污水

在传统浸没式膜生物反应器(SMBR)膜组件两侧设置以铁为牺牲阳极的电凝聚极板,构建电凝聚-MBR(SMECBR),以高浓度氮磷模拟生活污水为研究对象,在系统连续运行不排泥的前提下,考察传统MBR、电凝聚-MBR(铁电极)和电场-MBR(石墨电极)中污泥特性和处理效果。试验结果表明:30 d后,传统MBR、电凝聚-MBR(铁电极)和电场-MBR(石墨电极)中MLSS分别从5.062,5.177,5.367 g/L变化为3.478,6.467,2.796 g/L,SVI从126.4,135.2,137.9 mL/g变化为237.2,88.2,236.1 mL/g;第1天磷的去除率分别为42.99%、87.11%和68.11%。电凝聚-MBR中能促进微生物生长,改善污泥性能,提高对磷的去除率。传统MBR与SMECBR的TMP到达40 kPa的时间分别为5.35 h和22.32 h,证明SMECBR能有效减缓膜污染。