生物阴极型微生物燃料电池脱氮研究进展

在分析总结微生物燃料电池(MFC)脱氮原理的不同观点基础上,重点分析了碳氮比、溶解氧、pH值、外阻和温度等因素对MFC脱氮及产电性能的影响,介绍了MFC脱氮工艺的单室、双室及三室结构,阐述了MFC脱氮未来需解决的问题及发展方向。     

气水比对曝气生物滤池SND的影响

采用两段BAF处理城市污水,探讨了气水比对反应器处理效果的影响.在A段水力负荷为0.81 m/h、气水比为3∶1时,分析了B段气水比分别为3∶1、2∶1和1∶1时反应器的运行情况.结果表明:A段反应器对TN基本上没有去除效果,因NH4+ -N的部分氧化使得出水中NO2--N质量浓度介于0.45～0.70 mg/L之间,...     

微氧生物阴极微生物燃料电池脱氮的研究

研究构建生物阴极双室微生物燃料电池,阴极保持微氧条件,实现短程硝化反硝化进行生物脱氮.实验在25℃下进行,以乙酸钠为碳源,氯化铵为氮源.实验发现,在微氧条件下可实现短程硝化反硝化并且脱氮效果较好.总氮去除率达到87.32％,最大稳定电压达0.47V左右.通过对反应污泥进行高通量测序发现,微生物群落中亚硝化菌属Nitro...     

膜曝气生物反应器综述

膜曝气生物反应器(MABR)是一种将传统的生物膜工艺与膜曝气的供氧方式联合起来而诞生的新型污水处理工艺。阐述了MABR的原理和特点,通过膜材料、影响因素和应用现状的综述,指出当前MABR应用中需要进一步研究的问题,展望了其在未来的发展趋势。     

无泡曝气膜生物反应器在废水处理中的研究及应用

概述了新型生物膜反应器一无泡曝气膜生物反应器（MABR）的工作原理、技术特点，探讨了膜材料和气液操作条件等因素对MABR运行的影响，并着重介绍了其在有机废水和含氮废水处理中的应用和研究进展。最后指出当前该技术存在的问题，并展望了其广阔的发展前景。     

脱氮与除碳协同的电化学生物流化床构建与运行工况分析

针对电极生物膜法自养反硝化能力有限以及电化学氧化有机物所需的金属氧化物修饰电极制备复杂的问题,以同步脱氮和除碳为目的,在A/O生物流化床硝化反硝化基础上,联合电解产氢构建自养反硝化和异养反硝化协同作用的体系,脱氮的同时将有机污染物作为异养反硝化碳源加以降解。以模拟焦化废水为研究对象,分别考察反应器脱氮和除碳的运行效果,分析环境温度、电流强度、特定电解质工况条件对脱氮与除碳协同作用的影响。结果表明,与常规生物流化床相比,(22±1)℃,电流强度10 mA时,NO3--N去除率从24%提高到69%,去除速率为9.16mg/(L.h),COD去除速率从31.5 mg/(L.h)提高到66 mg/(L.h);Cu2+本身对反硝化存在促进作用;电流强度10 mA,添加Cu2+使反硝化效果进一步提高,NO3--N去除率达到90%以上,此时苯酚、喹啉与芘的去除速率分别达到15.0、3.1、0.25 mg/(L.h),和NO3--N去除规律呈现一致性。研究过程证明了在微电流和Cu2+强化作用下,电化学生物流化床具备同步脱氮和除碳的功能。     

外电阻值对3A-MFC产电和脱氮性能的影响

构建三阳极单阴极型微生物燃料电池（three-anode microbial fuel cells,3A-MFC）,该间歇流反应器通过在阳极提供有机物,在阴极提供有机物、氨氮和氧气,在产电的同时实现生物阴极同步硝化反硝化脱氮。考察了外电阻值分别为1000Ω、500Ω、150Ω、50Ω时对3A-MFC产电及脱氮性能的影响,当外电阻值为150Ω时,产电量达到最大值为583C,阳极库仑效率达到最大值为1.70%,内阻达到最小值为200Ω,此时外电阻值与内阻值最接近,产电效果最好。外电阻值由1000Ω减小到150Ω时,总氮（TN）去除率从79.7%上升到最大值为84.1%,TN去除速率从7.5mg/(L·d)上升到最大值为13.1mg/(L?d)。在一定外电阻值范围内,伴随其值的减小,电子转移速率逐渐提高,同时电对微生物的刺激作用得到增强,能够实现最佳的TN去除效率和去除速率。     

填料对膜生物反应器处理高氨氮废水的影响

变电站高氨氮含量废水环境危害大,是水处理领域亟待解决的问题。在缺氧-好氧管式膜膜生物反应器建立短程硝化反硝化过程处理高氨氮含量废水,系统考察了膜生物反应器中聚氨酯填料投加的强化脱氮效果及对膜污染的控制。结果表明：填料可以提高好氧池生物量,改善硝化过程,并通过填料内部的厌氧微环境实现同步硝化反硝化。在填料填充10%、回流比200%时,氨氮和总氮去除率达到92%和68%,同步硝化反硝化对总氮去除贡献约10%,膜清洗间隔可延长至11 d。     

高盐废水生物阴极MFCs产电及脱氮性能研究

构建了双室生物阴极微生物燃料电池系统(MFCs),分析了曝气强度对系统脱氮和产电性能的影响,并讨论了间歇曝气对污染物的去除影响。结果表明,生物阴极MFCs实现了污染物去除和能量回收的双重目的,生物阴极MFCs稳定运行时,最大功率密度、开路电压和电池内阻分别为2.72 W/m~3、660 mV、131Ω。曝气强度40～100 mL/min、DO浓度在4～6 mg/L时,电压输出最大为253 mV,产电周期最长,生物阴极MFCs对COD去除以及脱氮效果较为理想。间歇式曝气运行方式既能有效提高生物阴极脱氮性能又可以减少维持高浓度DO的能量输入。控制间歇曝气2 h,对污染物TN去除效果最好,比持续曝气提高20%。     

在SBBR中接种硝化菌时SND特性及机理

通过加硝化菌与未加硝化菌的对比试验,对序批式生物膜法(SBBR)中户斤表现出来的脱氮特性进行了试验分析,研究探讨生物膜法SND脱氮的机理：好氧情况下生物膜的吸附作用为反硝化菌提供碳源和能源;SND反应主要发生在好氧生物膜层和兼性生物膜分界内;在深层的反硝化菌利用生物膜中储存的有机物作为有机碳源,将好氧生物膜中产生的N03^ 3-N转化为N2。同时加入一定量的硝化菌能较好地提高硝化,脱氮率。     

蛹虫草菌深层液体发酵耦合大孔树脂吸附高效生产虫草素

虫草素是一种核苷类抗生素,具有抗癌、抗肿瘤等活性,主要由蛹虫草菌液体发酵生产,然而低产量限制了其应用。考虑到高浓度虫草素积累对其生物合成过程产生强烈反馈抑制,提出了应用发酵分离耦合技术移除部分虫草素、弱化反馈抑制作用以提高虫草素产量的策略。通过静态吸附实验,筛选出虫草素吸附和解吸性能良好的大孔树脂NKA-Ⅱ,并优化了大孔树脂使用量（60 g·L^-1）、吸附温度（37℃）和解吸剂种类（100%乙醇）。在30 g·L^-1葡萄糖的分批发酵体系中,经过两次树脂吸附,发酵21 d后虫草素产量达到644.50 mg·L^-1,较对照组提高32.07%;随后,将树脂吸附分离策略应用于补料分批发酵体系,虫草素产量达到787.50 mg·L^-1,较对照组提高35.78%。这些结果表明,将虫草素液体发酵与大孔树脂吸附分离耦合,有效弱化了虫草素反馈抑制,显著提高虫草素产量,为虫草素高效生产分离提供了新思路。     

Immobilization of multicopper oxidase from Pyrobaculum aerophilum onto an electrospun-aligned single-walled carbon nanotube surface via a carbon-nanotube-binding peptide for biocathode

Biofuel cells (BFCs) that produce electrical energy from organic resources through enzymatic reactions have been attracting significant attention. Owing to the high electrical conductivity of carbon nanotubes (CNTs), their modification on the electrode surface of a BFC is expected to increase the current, and their high specific surface area may be useful in increasing the power output. Previously, we constructed a biocathode by immobilizing multicopper oxidase from Pyrobaculum aerophilum (McoP) with a carbon nanotube binding peptide (CBP) sequence on the CNTs. This resulted in higher current densities than when using enzymes without CBP sequences. However, owing to the randomly stacked CNTs on the surface of the electrodes, their conductive properties were impaired and performance as biocathodes was poor. Herein, we constructed a biocathode in which single-walled CNTs (SWCNTs) were oriented one-dimensionally and McoP is immobilized on the surface of an SWNCT via CBP. The current density was successfully increased by two-fold by orienting the CNTs and orienting and immobilizing McoP on their surfaces. This technology provides insights into the development of biodevices with controlled orientation of both the SWCNTs and enzymes immobilized on their surfaces.     

建筑废弃物木屑材料制备多孔碳材料

为研究建筑废弃物——锯末木屑在环保中的应用,以NaNH₂为活化剂和氮源,利用一步热解法制备了氮掺杂的多孔碳材料,采用X射线衍射、X光电子衍射、氮气吸附-脱附等温线等方法对样品进行表征。结果发现样品主要由微孔构成,大的比表面积和高的氮含量相互协同,为CO₂的电化学还原反应提供了丰富的催化活性位点和CO₂反应物。电化学测试研究结果发现,样品还原CO₂的主产物为CO,在-0.7 V(可逆氢电极,RHE)的过电势下,CO的法拉第效率高达82%,且样品可持续稳定电解18 h。说明以建筑废弃木屑材料制备的多孔碳可有效还原CO₂,实现在环保领域中的应用。     

流场对MEC生物阴极CO2还原性能与产物的影响

针对微生物电解池 （microbial electrolysis cell,MEC）CO₂还原过程阴极CO₂还原速率低的问题,本文通过改变阴极室的流场环境,探究流场对生物阴极启动、运行、产物及功能微生物的影响,阐明MEC生物阴极CO₂还原性能、产物转化、微生物群落对流场的响应关系。结果表明,流场不仅增强了生物阴极还原CO₂能力（电子消耗量提高了10%,其中CO₂产乙酸途径消耗电子量提高了30%）,还使生物阴极的CO₂还原途径由启动阶段的CO₂还原产甲烷转变为运行阶段产乙酸。高通量分析表明,流场改变了生物阴极和阴极液的微生物群落结构,使阴极生物膜的嗜氢型产甲烷菌（Methanobacterium）向嗜乙酸型产甲烷菌（Methanosaeta）主导的群落演变。产乙酸菌群落（Petrimonas、Candidatus_Caldatribacterium）丰度较对照组提高了3.8%,在CO₂产乙酸过程中起到重要作用。本研究可为MEC还原CO₂产乙酸的定向调控研究提供理论和技术支撑。     

人工湿地-微生物燃料电池系统的发展及展望

人工湿地-微生物燃料电池耦合系统是一种新型生物电化学工艺。在该系统中,人工湿地为微生物燃料电池提供所需的氧化还原梯度和化学能,而微生物燃料电池可以提高人工湿地的处理效能并通过产电的方式回收能源,目前研究主要集中在水处理方面。本文结合近几年人工湿地-微生物燃料电池耦合系统的发展,从系统构建和系统性能的影响因素两个方面综述了人工湿地-微生物燃料电池耦合系统的研究现状,其中影响因素包括系统的组成要素（湿地植物、电极材料、基质材料和微生物）和系统运行参数（有机负荷和废水成分、水力停留时间、溶解氧和进水方式）两个方面。最后提出了人工湿地-微生物燃料电池耦合系统需要解决的主要问题：提高系统的库仑效率,进一步降低构建成本,提高系统去污及产电的综合性能,使该系统最终实现产业化。     

利用微生物燃料电池同步降解沼液和三苯基氯化锡

微生物燃料电池(MFC)作为一种同步产电和除污的新型电化学装置,为有效处理难降解有机污染物提供了一种途径。基于阴极Fenton反应,提出了一种耦合典型双室MFC中阳极沼液产电及阴极降解有机锡的新方法。结果表明,阳极产电生物膜经驯化后MFC的最高电压提高了50.32%,而且电压稳定时间延长了1倍。MFC运行结束后,阳极沼液COD、总氮、总磷的去除率分别为85.35%±1.53%、59.20%±5.24%、44.98%±3.57%。阴极三苯基氯化锡(TPTC)的降解率随其初始浓度增加而降低。在添加100 μmol·L^-1 TPTC时,MFC的最高输出电压为280.2 mV,最大功率密度为145.62 mW·m^-2。TPTC在14 d后完全降解,降解效率为91.88%,降解速率约为0.273 μmol·L^-1·h^-1。研究结果可为利用MFC同步处理阳极有机废水和阴极有机污染物的实际应用提供基础支持。     

同步硝化反硝化SBBR处理低C/N比生活污水的启动与稳定运行

以低C/N比实际生活污水为处理对象,聚氨酯海绵填料为生物载体（填料填充率25%）,采用逐步提高氮负荷的方式,在较短的时间内（98 d）成功启动了同步硝化反硝化（simultaneous nitrification and denitrification,SND）的序批式生物膜反应器（sequencing batch biofilm reactor,SBBR）。实时定量PCR（real-time qualitative polymerase chain reaction,real-time qPCR）结果表明系统内硝化菌得到富集。在稳定运行期间,系统对有机物及氮的去除效果良好,平均出水COD、NH₄⁺-N、TN分别为38.28 mg·L^-1、1.23 mg·L^-1、8.23 mg·L^-1。微生物将大部分碳源以聚羟基脂肪酸酯（poly-β-hydroxyalkanoate,PHA）的形式储存至体内,系统内NO₃^--N的去除主要通过内源反硝化作用,且反硝化过程基本无NO₂^--N积累,平均SND率为70.57%,TN去除率高达82.95%。由于硝化反应和反硝化反应在同一反应器内同时进行,反硝化过程产生的碱度可补充硝化过程消耗的碱度,维持系统内pH的相对稳定。此外,可以通过DO和pH的变化判断SND的进行状态,有效地控制反应时间,节省动力消耗。