厌氧生物技术重点实验室安全管理探索与实践

结合江苏省厌氧生物技术重点实验室特点,总结实验室存在的一些安全问题,分析其主要原因,并根据实验室运行的实际情况,从提高安全意识、健全管理制度、加大安全投入和增加人员配置提高管理水平四个方面简述实验室在安全管理方面进行的探索及实践,为实验室安全、高效、稳定运行提供有力保障,为师生提供良好的教学、科研工作环境。

沼液回流比与有机负荷对秸秆厌氧发酵特性的影响

以混合秸秆为唯一原料,混合接种瘤胃液与污泥,在半连续固态进料反应器中研究不同回流比和有机负荷组合对甲烷产率、发酵特性的影响。结果表明,在6个阶段中,当有机负荷(OLR)为4 g/(L·d),回流比为1∶1时,甲烷平均产率达到了768 m L/(L·d);单位秸秆TS产甲烷量为202 m L/g,具有明显成本优势。当OLR升高到6 g/(L·d)时,VFA积累明显,丙酸质量浓度高达6.54 g/L,并且出现丁酸的积累;该阶段氨氮质量浓度明显升高,达到了632.51 mg/L。固渣中纤维素和半纤维素在第2阶段降解程度最高,降解率达到了88.81%,而水解酶活和产甲烷效率的变化相关。通过三维荧光光谱分析,发现沼液中类酪氨酸产物、辅酶F420及腐殖酸类有机物的变化受回流比和有机负荷的影响,能直接反映产甲烷和发酵特性,而且腐殖酸类物质的积累是产甲烷作用受到抑制的重要原因。因此,合适的回流比和有机负荷对秸秆沼气工程长期稳定运行尤为关键。

基于卧式厌氧装置的稻秸高固态消化与甲烷菌变化研究

针对单一稻秸高固态厌氧消化长期运行不稳的问题,接种瘤胃内含物和厌氧污泥,在卧式反应装置中研究3个有机负荷(OLR)下消化特性。结果表明,体系最高容积产气率达到了1.04 L/(L·d)。当OLR为2.26 g/(L·d)时,甲烷体积分数均值为54.39%,甲烷产率为280.90 m L/g,达到了稻秸理论产值的80.29%。卧式装置中半纤维素和纤维素最高降解率分别达到了49.71%和31.25%;纤维素酶活性显著提高,有利于纤维素的降解。当OLR升高到2.47 g/(L·d)时,氨氮质量浓度均值达到了1 082.63 mg/L。固体样品中嗜氢型Methanobacteriales数量从1.70×10~9拷贝数/g下降至1.04×10~6拷贝数/g;而嗜乙酸型Methanosarcinales数量从7.89×10~6拷贝数/g增加至9.44×10~6拷贝数/g,甲烷产率下降为256.54 m L/g。此时厌氧装置中丙酸质量浓度均值达到了253.32 mg/L。从而明确了稻秸高固态体系中产甲烷菌结构的变化。

剩余污泥高固态卧式厌氧消化的中试启动研究

针对含固率20%的剩余污泥,采用卧式反应器进行厌氧消化的中试启动研究.采取连续进料的方式,通过太阳能保温系统进行反应器的启动,经过3个月的运行,污泥产沼气率达到274 mL/gVS,甲烷体积分数为58%,VS转化率达到46%,蛋白质和多糖降解率分别为36.7%和30.1%,消化过程中VFA质量分数最大值为2 395 mg/kg,最大值出现在第42天。消化过程中氨氮质量分数一直缓慢增加,最大值约124.3 mg/kg。反应器沿程4个取样口污泥的VS,蛋白质和多糖降解率呈现出明显的差异性,反应器内污泥的降解率与其所处的沿程距离成正相关。经过73 d厌氧消化后,污泥的产甲烷潜力值达到273 mlV/VS,说明其已具备了良好的产甲烷潜力,反应器中的剩余污泥已转变为具有厌氧活性的污泥。

Mg2+、Ca2+对厌氧消化系统中CO2的捕获和营养盐的回收

为探究矿物碳酸化与污泥厌氧消化耦合过程中实现CO2捕获和N/P营养盐协同回收的可行性,在污泥水解液为底物的厌氧消化系统中,研究不同比例Mg ^2+/Ca^ 2+离子添加对厌氧消化系统中CO2捕获和营养盐的协同回收效果的影响.结果表明,添加Mg^2+/Ca^2+离子为(20mmol/L)/(0mmol/L)、(10mmol/L)/(10mmol/L)和(0mmol/L)/(20mmol/L)均可促进有机质降解,使沼气产量分别提升16.97%、21.56%和23.99%,并使CO2含量由27.27%分别下降至24.81%,22.06%和21.98%.不同比例Mg^2+/Ca^2+离子添加可使磷酸根浓度下降63.46%~66.47%,但仅Mg^2+/Ca^2+离子以(20mmol/L)/(0mmol/L)和(10mmol/L)/(10mmol/L)添加的实验组中氨氮浓度得到下降.XRD分析揭示,Mg^2+/Ca^2+离子以(20mmol/L)/(0mmol/L)、(10mmol/L)/(10mmol/L)和(0mmol/L)/(20mmol/L)添加时分别使厌氧消化系统中形成鸟粪石和碳酸镁、鸟粪石和方解石、方解石和三斜磷钙石.Mg^2+、Ca^2+离子等摩尔量联合添加可实现最优的CO2捕获和营养盐协同回收效果.

响应面法优化磷酸改性秸秆生物炭的制备

以秸秆为原料,磷酸为活化剂制备改性生物炭,利用基于Box-Behnken中心组合的响应面法对生物炭制备条件进行优化。根据响应面分析,热解温度、保留时间和磷酸质量分数对生物炭的吸附性能有显著影响,浸渍比影响不显著;保留时间与浸渍比、磷酸质量分数与浸渍比的交互作用对生物炭吸附能力也有显著影响。根据响应面法获得生物炭制备的最优条件为:热解温度884.32℃、保留时间82.61 min、磷酸质量浓度40.74%、浸渍比1.74,此时生物炭最大碘吸附预测值为1099 mg/g,与验证实验实测结果(1063 mg/g)仅相差3.28%,表明响应面回归模型预测结果可靠。响应面法优化后制得的生物炭具有更高比表面积与总孔容,因此具有更高的吸附性能。

信号分子在好氧颗粒污泥形成过程中的作用

采用人工配水成功培养好氧颗粒污泥,针对絮状污泥颗粒化过程中污泥的理化性质、污染物去除效率、胞外聚合物和信号分子变化进行相关分析.结果发现,在好氧颗粒污泥的形成过程中,污泥对污染物去除能力明显提高.与接种污泥相比,成熟的好氧颗粒污泥对COD、NH_4^+-N和PO_4^(3-)-P去除率分别提高20%、36%和57%.好氧颗粒污泥中胞外蛋白质和多糖含量分别增加了116和31mg/gMLVSS.采用激光共聚焦扫描显微镜对接种污泥和好氧颗粒污泥进行空间表征,发现后者蛋白质含量明显增加,说明蛋白质在污泥颗粒化过程中具有重要作用;磷酸二酯酶活性总体呈现上升趋势,第二信使环二鸟苷酸(cyclic diguanylic, c-di-GMP)含量先增加后降低,与胞外聚合物中蛋白质和多糖的变化规律相似.通过SPSS软件进一步分析得知,c-di-GMP与蛋白质相关系数R^2=0.92871,呈极显著相关性;与紧密结合型胞外聚合物中蛋白质相关系数R^2=0.89025,呈显著相关性,推测c-di-GMP可能是通过指导紧密结合型胞外聚合物中的蛋白质合成以促进好氧颗粒污泥的形成.

餐厨垃圾厌氧产沼气及沼气异位生物提纯通气比分析

为提高沼气中CH^4的含量,对餐厨垃圾采用高固态厌氧发酵,并利用嗜氢产甲烷菌的代谢作用,在外源通入H2的情况下对沼气进行异位生物提纯,并分析了耦联反应中的气体组分。结果表明:厌氧发酵产生的沼气中CH4浓度为52.4%,CO^2浓度为22.8%;经过生物提纯,CH^4提高了36.3%,而CO^2下降了42.1%;在生物提纯相,H2全部消耗,但仍有13.2%的CO^2剩余。进一步研究了提纯阶段的最适通气比例(H^2∶CO^2),分析了反应过程中的CH^4产率,气体组分,H^2转化率和挥发性脂肪酸(VFA)。结果表明:H^2和CO^2比例为5∶1是沼气提纯的最佳通气比例,该条件下CH^4产率、CH^4体积分数和H2转化率最高,分别为693.7 mL·(L·d)^-1、69.4%和98.7%;将最佳通气比例应用到耦联实验中,CH^4体积分数达到96.1%,H^2和CO^2分别为0.3%和1.8%。通过分析可知,当H^2和CO^2通气比为5∶1时,厌氧发酵产生的沼气经生物提纯后,可达到生物甲烷的品质。

有机负荷对秸秆消化系统性能及可利用态金属浓度的影响

利用农作物秸秆为原料,在半连续条件下研究厌氧反应器消化特性及金属浓度的变化。结果表明,当有机负荷(organic loading rate,OLR)为4 g/(L·d),固体停留时间(Solid rentention time,SRT)为66.7 d时,单位挥发性固体(VS)最大甲烷产率为217 m L/g,达到了理论产值的56%~58%。采用修正的Tessier法分析金属形态分布,瘤胃和厌氧污泥共接种物中的金属Zn,Cu,Fe,Ni,Mo等提供了产甲烷过程酶的辅因子,有利于水解和产甲烷活性的提高。当OLR升高到6 g/(L·d),SRT下降为40 d时,溶解性有机物(dissolved organic matter,DOM)浓度显著升高,导致金属浓度发生变化。沼渣中Zn和Fe可利用态质量分数显著下降(P<0.05),分别为4.39和5.54 mg/kg,Cu可利用态质量分数下降为0.40 mg/kg。从而导致甲烷产率下降为110 m L/g,体系中挥发性脂肪酸(volatile fatty acids,VFAs)积累。乙酸、丙酸及丁酸质量浓度均值分别达到了2.02、6.54和0.53 g/L,出现酸化现象。

AnMBR处理高脂肪废水的运行特性和污泥性质研究

高脂肪废水是一类性质较为复杂的废水,在传统厌氧处理中面临污泥漂浮和流失问题。采用厌氧膜生物反应器(AnMBR)对高脂肪废水进行处理,考察了其在厌氧消化过程中的运行特性和污泥性质变化。结果表明,采用AnMBR处理高脂肪废水可获得良好的污染物去除效果和强健的稳定性,COD去除效率可达99%,挥发性脂肪酸(VFA)质量浓度低于200 mg/L,然而在后期运行过程中发现消化效率下降。此外,原水中较高浓度的脂肪导致其水解产物-长链脂肪酸(LCFAs)在体系内发生累积,可能对消化效率及污泥性质产生不利影响。进一步监测其污泥性质发现污泥粒径从26.5μm下降至6.5μm,而溶解性胞外聚合物(SMP)质量分数则由47.7 mg/g累积至98 mg/g,污泥的相对疏水性从28.2%上升至68.1%,表明污泥性质发生恶化,从而导致了膜过滤性能下降,膜通量从32 L·(m^2·h)^-1衰减至10 L·(m^2·h)^-1。皮尔逊相关性测试表明,膜过滤性能与污泥粒径存在显著正相关关系,而与SMP和污泥相对疏水性呈较强的负相关关系。

餐厨垃圾厌氧干发酵产氢特性及其调控

采用干发酵技术以餐厨垃圾为底物进行产氢实验,比较不同TS(20%、22%、24%和30%)条件下的产氢情况,修正的Gompertz模型能够较好地拟合餐厨垃圾干发酵过程中的产氢情况(R2>0.97),获得最佳的TS为22%。反应1.5 d后,累积产氢量出现下降,发现反应体系内存在耗氢现象,微生物群落结构显示TS 22%组优势菌属为Lactobacillus。随后,在TS含量为22%的条件下,添加氯仿对耗氢进行抑制。结果表明:添加0.05%的氯仿能够显著提高产氢量,最大累积产氢量为29.66 mL·g^(-1)(TS),是对照组的1.29倍;氯仿添加量为0.05%时,碳水化合物的降解率最高,达到43.07%;氯仿不仅会对耗氢产生抑制,同时也会抑制产氢,适宜浓度的氯仿能够提高餐厨垃圾干发酵产氢,最佳添加量为0.05%;餐厨垃圾干发酵产氢过程为丁酸型发酵,主要的液相末端发酵产物为乙酸和丁酸。

不同离子液体双水相萃取钯

为实现贵金属钯的绿色、高效萃取,本文使用有"绿色溶剂"之称的离子液体与磷酸钾形成的双水相体系,不加入其它萃取剂对钯(Ⅱ)进行萃取,并采用浊点法对所研究的6种咪唑类离子液体的双结线和系线进行测定。结果表明,基于氯离子和溴离子的离子液体成相能力和萃取率无显著差异。阳离子上支链的疏水性是影响咪唑类离子液体成相能力的关键因素之一。与不含官能团的离子液体相比,支链上嵌入氨基和腈基的离子液体,成相能力较低,但萃取率分别提高了11. 57%和34. 26%。当含腈基的离子液体浓度和磷酸钾浓度分别为5. 00%和39. 55%时,离子液体双水相体系对钯(Ⅱ)的萃取率可达到100%。本文的研究成果为设计/选择可利用其双水相体系高效萃取钯(Ⅱ)的离子液体提供了理论基础和数据支持。

以废旧聚偏氟乙烯平板膜制备再生膜的研究

以MBR生活污水和微电子电镀废水处理工程产生的废旧PVDF平板膜制备再生膜,对比了再生膜与新膜的过滤性能和抗污染性能.通过清洗、溶解提取和浸没沉淀相转移的方法分别刮制生活污水和微电子电镀废水再生膜.对比清洗前后膜面的EDX谱图发现,清洗后膜面C和F元素的原子百分比(At%)升高,而N、P和Al、Ca、Mg、Mn和Sn等金属元素的At%显著降低.测试发现,生活污水和微电子电镀废水再生膜的平均孔径分别为132nm和136nm,孔隙率分别为89.01%和88.78%,与新膜的平均孔径(141nm)和孔隙率(88.23%)接近,其纯水通量分别为377.54L/(m2·h)和382.24L/(m2·h),对牛血清白蛋白(BSA)的截留率分别为86.60%和85.14%,均略高于新膜[355.30L/(m2·h)和82.30%].此外,两种再生膜的相对通量衰减率(RFD)和相对通量恢复率(RFR)均高于新膜,说明与新膜相比,再生膜易于吸附蛋白质分子形成污染层,但膜面污染属于可恢复的污染,经过清洗后再生膜的纯水通量仍然高于新膜.

丝状真菌Talaromyces flavus S1改善污泥脱水性能及机理研究

从城市剩余污泥中分离出一株丝状真菌Talaromyces flavus S1,将预培养的菌丝体接种到污泥后,能够有效地改善污泥脱水性能。通过分离菌丝体培养液,发现并非真菌分泌物(微生物絮凝剂)而是菌丝体本身改善了污泥脱水性能;菌丝体对高浓度污泥的脱水性能影响显著,最多可提高40.58%,污泥浓度较小时,脱水性能不但没有改善反而变差;与聚丙烯酰胺(PAM)和聚合氯化铝铁(PAFC)相比,菌丝体调理对毛细吸水时间的降低更显著,而添加PAM对污泥比阻效果更好,单独添加PAFC效果最差,在PAM与菌丝体协同调理下,污泥的脱水性能可提高60%左右。通过污泥粒径分布与SEM电镜扫描的结果发现:菌丝体通过缠绕包裹小颗粒的污泥,使污泥絮体和污泥颗粒增大从而改善了污泥脱水性能。菌丝体接种的接种方式比孢子直接接种更加实际有效,利用生物法改善了污泥脱水性能,对以该菌为基础开发生物脱水工艺有重要意义。

新型生物质碳源强化脱氮效果及微生物菌群分析

为了实现城镇污水处理厂深度脱氮效果,以太湖流域某污水处理厂为对象,以生物质废弃物再利用过程中产生的衍生物甘油为主要原料的生物质碳源作为反硝化电子供体,分别研究了缺氧池、深床滤池的反硝化脱氮效果,同时解析了外加生物质碳源前后的微生物群落结构变化特征。结果表明:在缺氧池投加2.5~3.0 t/d生物质碳源时,可使缺氧池硝态氮浓度下降1.67~1.73 mg/L,去除率为52%~68%;在深床滤池投加生物质碳源后,反硝化脱氮过程中约消耗5.27 mg COD可去除1 mg NO^(-)_(3)-N,进而使出水TN能够达到5 mg/L以下,实现了出水TN稳定达到DB 32/1072—2018《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》一、二级保护区的排放限值要求。通过16S rRNA基因序列分析发现,缺氧池和深床滤池微生物优势菌门主要为Proteobacteria、Actinobacteriota、Chloroflexi和Bacteroidota。深床滤池由于工艺条件和生长环境不同,在投加生物质碳源后,Thiothrix、Bacillus、Propionicicella、norank_f__Rhodocyclaceae、Terrimonas等具有反硝化脱氮功能的优势菌群较为突出,有效保证了系统稳定的深度脱氮效果,同时间接降低CO_(2)排放,对城镇污水厂的碳减排及“碳中和”提供了积极参考。

化学调质污泥深度脱水过程及其潜在影响研究

分别依次投加定量的氯化铁(FeCl_3)、生石灰(CaO)和阳离子聚丙烯酰胺对污水处理厂浓缩池污泥进行调理,通过测试污泥的沉降速率、比阻、粒径、Zeta电位、胞外聚合物和脱水液水质等指标,考察不同脱水药剂对污泥形态和脱水性能的影响。结果表明:FeCl3的混凝作用使污泥颗粒更小更密实;投加CaO能够在污泥内部形成新的矿物相和刚性结构,构建污泥脱水骨架,同时形成的碱性条件使铁离子形成胶体羟基聚合物而强化混凝效果;阳离子聚丙烯酰胺则可以明显增加污泥絮体粒径。污泥紧密结合型胞外聚合物脱落后释放部分束缚水,增强了污泥脱水性能,使污泥脱水效率明显提高。但是采用CaO作为污泥脱水药剂引起的破壁作用可导致脱水滤液水质恶化,大量难降解有机物等污染物回流至污水处理厂会对其正常运行造成不利影响。

基质浓度对ABR反应器SAD协同脱氮除碳效能影响

为改善厌氧氨氧化对总氮(TN)去除不完全和有机物对厌氧氨氧化胁迫的问题,采用厌氧折流板反应器(ABR),接种成熟的厌氧氨氧化污泥与城市污水处理厂厌氧污泥,通过不同基质浓度控制,构建厌氧氨氧化耦合反硝化系统(SAD),并考察不同进水基质(COD、NO-2-N、NH+4-N)浓度对耦合系统脱氮除碳效能的影响及污染物去除规律.结果表明,在ABR反应器中可实现厌氧氨氧化与反硝化的耦合反应,并缓解了有机物对厌氧氨氧化菌的抑制效应.当进水COD、NO-2-N和NH+4-N浓度为260、185和100 mg·L-1,比例为2.6∶1.85∶1时,三者出水浓度分别低于10、1.0和0.9 mg·L-1,TN去除率达到99%,实现系统的稳定运行和C、N污染物的超低排放.不同基质浓度和比例条件下,目标污染物去除基本在第1隔室完成,去除率均在75%以上,且厌氧氨氧化反应在SAD耦合系统脱氮中占主导地位.

污泥脱水滤液有机磷污染特征及强化去除

针对污水处理厂污泥脱水滤液有机磷污染现状,采用树脂分级、傅里叶红外光谱和气相色谱质谱等方法解析其污染特征和组分结构,进而开展强化去除研究,并初步探究OP的降解转化过程。结果表明:WXA污泥脱水滤液OP和出水OP平均含量分别为10.1 mg·L-1和0.16 mg·L-1,脱水滤液的回流可能影响出水稳定;亲水性OP和疏水性OP平均含量分别为8.58 mg·L-1和1.59 mg·L-1,OP的生物利用度仅为23.8%,表明以难生物降解形态为主,进一步的组分解析结果验证了该推测;强化去除研究表明,最佳条件是O3投加量为30 mg·L-1、pH为12.0和H2O2投加量为1.5 mL,去除率高达82.9%。O3/H2O2氧化技术可实现脱水滤液难降解OP的高效去除,从而保证出水达标排放。