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1、宋建阳宋建阳南阳理工学院南阳理工学院中国中国杭州杭州生物炭基功能微生物材料的制备和表征生物炭基功能微生物材料的制备和表征研究背景研究背景12生物炭基功能微生物材料强化晚期垃圾渗滤液高生物炭基功能微生物材料强化晚期垃圾渗滤液高效脱氮系统的启动效脱氮系统的启动45 不同胁迫条件下生物强化系统的除污性能研究不同胁迫条件下生物强化系统的除污性能研究23功能菌的分离纯化和除污性能研究功能菌的分离纯化和除污性能研究Part1研究背景研究背景垃圾渗滤液处理工艺简介预处理生物处理深度处理 满足生物处理及深度处理对部分指标的要求 主要包括混凝沉淀、气浮、除砂等 高效去除COD和总氮 主要包括厌氧反应器、MBR等

2、 进一步去除COD和总氮，确保出水达标 主要包括NF、RO等研究背景现阶段垃圾渗滤液处理的主要问题B/C稍低稍低提高可生化性提高可生化性无浓缩液无浓缩液相比生活污水相比生活污水B/C稍低稍低难生物降解难生物降解COD比例偏高比例偏高u高级氧化高级氧化u低氧加强水解酸化低氧加强水解酸化u非膜法非膜法u蒸发蒸发u焚烧焚烧碳氮比偏低碳氮比偏低老龄化填埋场尤其严重老龄化填埋场尤其严重氨氮浓度偏高氨氮浓度偏高浓缩液处理困难浓缩液处理困难含有大量盐分和难降解物含有大量盐分和难降解物生化及膜处理困难生化及膜处理困难提高碳源利用率提高碳源利用率u短程硝化反硝化短程硝化反硝化u厌氧氨氧化厌氧氨氧化u同步硝化反硝

3、化同步硝化反硝化浓缩液处理浓缩液处理研究背景低氧复合生物系统耦合高级氧化技术的提出生物生物转盘转盘低氧低氧梯度梯度曝气曝气深度深度处理处理技术技术技术技术降低曝气，节约能耗降低曝气，节约能耗加强水解酸化，提高可生化性加强水解酸化，提高可生化性提供低氧环境提供低氧环境节约能耗节约能耗生物量大生物量大抗冲击负荷能力强抗冲击负荷能力强加强反硝化加强反硝化过硫酸盐高级氧化技术过硫酸盐高级氧化技术深度去除深度去除COD和和TN研究背景低氧复合生物系统试验装置图每天对装置进行维护并测每天对装置进行维护并测DO、pH、温度等指标。每两、温度等指标。每两天取一次样进行常规指标测试，天取一次样进行常规指标测试，

4、分析系统的除污性能。定期取分析系统的除污性能。定期取生物样品进行高通量测序用于生物样品进行高通量测序用于分析系统微生物群落结构的演分析系统微生物群落结构的演替规律。替规律。研究背景低氧复合生物系统进水水质阶段阶段运行天数运行天数COD(mg/L)NH4+-N(mg/L)NO3-N(mg/L)TN(mg/L)NO2-N(mg/L)pH颜色颜色气味气味I1-322078.22366.461.93414.670.238.2深棕色深棕色刺激难闻刺激难闻II33-623977.70692.085.82779.650.44III63-887695.041444.3810.221558.720.75试验用垃

5、圾渗滤液的初始特征：试验用垃圾渗滤液的初始特征：表中所呈现的数值均为平均值。表中所呈现的数值均为平均值。本系统对本系统对COD、氨氮和氨氮和TN的最大去除的最大去除率分别为率分别为85.65%、99.92%和和84.06%。可。可以实现以实现完全硝化完全硝化，出，出水剩余水剩余TN主要为主要为硝态硝态氮氮。研究背景低氧复合生物系统的除污性能研究背景低氧复合生物系统微生物群落结构分析微生物群落多样性：微生物群落多样性：五个样品共有五个样品共有360个个OTUs，1#污泥样品污泥样品的的多样性和微生物丰富度最高多样性和微生物丰富度最高，而，而RBC样样品的品的最低最低。相对充足的相对充足的氧气和适

6、宜的有机物浓度条件氧气和适宜的有机物浓度条件下，可以培养出更高的微生物多样性和下，可以培养出更高的微生物多样性和丰富度。丰富度。高进水负荷高进水负荷对微生物有明显的对微生物有明显的抑制抑制作用。作用。研究背景低氧复合生物系统微生物群落结构分析关键功能微生物的丰度：关键功能微生物的丰度：Key functional groupsRealtive abundance(%)RBC1#2#3#4#AOBNitrosomonas 0.221.580.650.761.02NOBNitrolancea 0.0070.0310.0120.0220.024DNBThauera16.4016.4417.4018.

7、7024.02Arenimonas15.5714.3615.9611.1910.53Azoarcus4.988.116.9411.9712.93Hydrogenophaga4.656.295.833.353.41Pseudomonas2.552.632.711.681.22Ottowia0.761.621.660.971.04Thiopseudomonas1.541.041.251.080.66本系统本系统有益于有益于DNB的富集的富集，DNB 在在RBC,1#,2#,3#和和4#中的总丰度分别为中的总丰度分别为46.45%、50.49%、51.75%、48.94%和和53.81%。研究背景现

8、象的发现葡萄糖葡萄糖混合碳源混合碳源无水乙无水乙酸钠酸钠外加碳源外加碳源均均增加增加了系统了系统DNB的相对的相对丰度丰度。针对。针对外加碳源为外加碳源为葡萄糖葡萄糖的样品，的样品，Bacillus在在RBC中出现中出现最高值为最高值为68.85%。混合碳源混合碳源作为外加碳源条件下微作为外加碳源条件下微生物群落结构相较于单独投加乙酸钠的系统变化不生物群落结构相较于单独投加乙酸钠的系统变化不明显，好氧反硝化菌明显，好氧反硝化菌Zobellella以及在厌氧条件下具以及在厌氧条件下具有反硝化能力的有反硝化能力的Norank-o-Ardenticatenales仅在该工仅在该工况条件下被检测为优势

9、菌。况条件下被检测为优势菌。68.85%Part2功能菌的分离纯化和除污性能研究功能菌的分离纯化 使用使用芽孢杆菌分离培养基芽孢杆菌分离培养基分离纯化出分离纯化出10株形态特征不同的菌株：株形态特征不同的菌株：B0 1#、B0 2#；B1 1#、B1 2#；B2 1#、B2 2#；B3 1#、B3 2#；B4 1#、B4 2#。使用以使用以垃圾渗滤液为唯一碳源及氮源的培养基垃圾渗滤液为唯一碳源及氮源的培养基分离纯化出分离纯化出15株形态特征株形态特征不同的菌株：不同的菌株：D0 1#、D0 2#、D0 3#；D1 1#、D1 2#、D1 3#、D1 4#；D2 1#、D2 2#、D2 3#；D

10、3 1#、D3 2#、D3 3#、D3 4#；D4 1#。功能菌的筛选NH4+-N=100 mg/L,C/N=10菌株菌株B2 2#、B1 2#、D0 1#、D0 2#、D1 4#、D2 2#、D2 3#、D3 1#及及D4 1#9株菌株菌在去除有机物的同时脱氮效在去除有机物的同时脱氮效果较好果较好；菌株；菌株D1 3#、D3 4#能在含有较高浓度氨氮的环能在含有较高浓度氨氮的环境中去除有机物，但脱氮效境中去除有机物，但脱氮效果不理想。果不理想。菌株的鉴定、功能及系统发育分析菌株菌株B0 1#、B1 2#、B2 1#、B2 2#均属于均属于厚壁菌门厚壁菌门(Firmicutes)芽孢杆菌属芽孢

11、杆菌属(Bacillus)。菌株菌株D0 1#、D0 2#、D1 3#、D2 2#、D3 1#、D3 4#、D 4 1#均 属 于均 属 于 变 形 菌 门变 形 菌 门(Proteobacteria)。16脱氮除碳功能菌的除污性能96%96%0.5920.63788%93%97%0.7000.505B1 2#D0 1#D0 2#D2 2#D4 1#菌株菌株B1 2#、D0 1#、D0 2#、D2 2#分别在分别在30 h、6 h、36 h和和12 h获得对获得对COD的最大降解率为的最大降解率为96%、93%、97%和和96%；菌株的生长情况与菌株的生长情况与COD的降解趋势一致，的降解趋势

12、一致，OD600分别在相应时刻达到最分别在相应时刻达到最大值，分别为大值，分别为0.592、0.700、0.505、0.637；菌株菌株D4 1#生长较慢，生长较慢，96 h菌株生长到达稳定期，菌株生长到达稳定期，OD600趋于平稳，溶液趋于平稳，溶液中中COD浓度不断下降，浓度不断下降，120 h COD降解率为降解率为88%。脱氮除碳功能菌的除污性能B1 2#D0 1#D0 2#D4 1#D2 2#菌株菌株B1 2#、D0 1#、D0 2#、D2 2#在在120 h时氨氮降解率分别为时氨氮降解率分别为45.6%、55.1%、50.0%、61.7%；菌株菌株D4 1#对氨氮的利用速率较慢，对

13、氨氮的利用速率较慢，120 h氨氮降解率为氨氮降解率为40.1%；基本没有硝氮和亚硝氮的积累；基本没有硝氮和亚硝氮的积累；5株菌均在好氧条件下利用有机物，以氨氮作为唯一氮源生长，并能进株菌均在好氧条件下利用有机物，以氨氮作为唯一氮源生长，并能进行彻底的硝化反应，说明其具有行彻底的硝化反应，说明其具有异养硝化异养硝化功能。功能。脱氮除碳功能菌的除污性能B1 2#D0 1#D0 2#D2 2#D4 1#菌株菌株B1 2#、D0 2#生长情况不佳，最大生长情况不佳，最大OD600在在0.3左右，左右，COD降解率分降解率分别为别为98.4%、75.6%，NO3-N仅有仅有27.3%、20.8%被利用

14、；被利用；菌株菌株D0 1#可以较好生长，最大可以较好生长，最大OD600为为0.668，但是硝氮仅降解，但是硝氮仅降解18.9%；菌株菌株D2 2#、D4 1#基本无法生长；基本无法生长；5株菌均不能在氮源仅为株菌均不能在氮源仅为NO3-N的情况下进行反硝化作用，属于的情况下进行反硝化作用，属于异养硝异养硝化化-好氧反硝化好氧反硝化功能菌。功能菌。异养硝化-好氧反硝化功能菌的优势20利用有机物作为碳源，将氨氧化为亚硝酸盐和硝酸盐，利用有机物作为碳源，将氨氧化为亚硝酸盐和硝酸盐，同时在好氧条件下将硝酸盐和亚硝酸盐转化为气态氮。同时在好氧条件下将硝酸盐和亚硝酸盐转化为气态氮。HN-AD工艺流程更

15、精简，反应器体积更小，成本更低，工艺流程更精简，反应器体积更小，成本更低，脱氮效率更高，对污水处理中同步硝化脱氮效率更高，对污水处理中同步硝化-反硝化系统的反硝化系统的构建具有更强的优势和潜力。构建具有更强的优势和潜力。Part3生物炭基功能微生物材料的制备和表征固定化微生物技术的应用研究通过改进通过改进固定化载体固定化载体去改善去改善固定化微生物技术。固定化微生物技术。固定化微生物技术的改进固定化微生物技术的改进处理难降解有机废水、高氨氮废处理难降解有机废水、高氨氮废水等。水等。固定含延胡索酸的产氨短杆菌固定含延胡索酸的产氨短杆菌用以生产用以生产L-苹果酸。苹果酸。固定化微生物细胞工业应用的

16、标志固定化微生物细胞工业应用的标志可以将选定的优势细菌固定在可以将选定的优势细菌固定在载体上。载体上。固定化微生物技术的发展固定化微生物技术的发展蔗糖酶吸附在骨炭微粒上仍保蔗糖酶吸附在骨炭微粒上仍保持与游离酶同样的活性。持与游离酶同样的活性。固定化技术的开端固定化技术的开端固定化微生物技术的广泛应用固定化微生物技术的广泛应用固定化微生物技术固定化微生物技术通过将功能微生物限制在特定的材料区域通过将功能微生物限制在特定的材料区域，提高微生物的浓度，提高微生物的浓度，以减少微生物损失，促进固液分离，同时增强其抵御外部不利因素影响的能力。以减少微生物损失，促进固液分离，同时增强其抵御外部不利因素影响

17、的能力。根据热解温度的不同将制得的材料分别命名为根据热解温度的不同将制得的材料分别命名为AS300(300)、AS450(450)和和AS600(600)。生物炭的引入艾杆生物炭的制备：艾杆生物炭的制备：艾杆生物炭的理化性质AS300扫描电镜图扫描电镜图对比对比AS300、AS450、AS600的扫描电镜图可知，艾杆的扫描电镜图可知，艾杆生物炭表面生物炭表面纤维纤维结构光滑细密结构光滑细密，其内部，其内部层次结构鲜明层次结构鲜明，存在，存在大量的孔隙和通道大量的孔隙和通道。随着热解温。随着热解温度的升高，生物炭表面开始度的升高，生物炭表面开始形成微孔结构形成微孔结构，这在一定程度上可以增加生物

18、炭，这在一定程度上可以增加生物炭的比表面积并降低了生物炭的平均孔径。的比表面积并降低了生物炭的平均孔径。AS450扫描电镜图扫描电镜图AS600扫描电镜图扫描电镜图01艾杆生物炭的制备艾杆生物炭的制备03菌液的配制菌液的配制生物炭基功能微生物材料的制备生物炭基功能微生物材料的制备04 固定化功能微生物凝胶固定化功能微生物凝胶球的制备球的制备02 固定化凝胶球的制备固定化凝胶球的制备生物炭基功能微生物材料的表征生物炭基功能微生物材料的表征凝胶球凝胶球的的SEM图图Part4生物炭基功能微生物材料强化晚期垃圾渗滤液高效脱氮系统的启动4.1试验装置本试验采用三个完全相同的有机玻璃材质的序批式（本试验

19、采用三个完全相同的有机玻璃材质的序批式（Sequencing batch reactor，SBR）柱状反应器，将反应器从左至右依次编号为）柱状反应器，将反应器从左至右依次编号为1#、2#和和3#。试验装置示意图运行中的试验装置实物图4.2启动阶段系统对进水COD的去除效果评价在反应器运行至第在反应器运行至第6 d时，时，加入固定化功能微生物凝胶加入固定化功能微生物凝胶球的球的2#的出水的出水COD已稳定在已稳定在30mg/L以下，去除率达到以下，去除率达到98.96%。反应器大约运行两周左右时，反应器大约运行两周左右时，三个反应器出水三个反应器出水COD均稳定均稳定在在2332 mg/L，CO

20、D的去除的去除率均已基本稳定在率均已基本稳定在92%95%。4.3启动阶段系统对进水氨氮的去除效果评价运行到第运行到第6 d时，时，2#出水出水NH4+-N已稳定在已稳定在2.2 mg/L以下，去除率达到以下，去除率达到92.70%以上以上.反应周期结束时，反应周期结束时，2#出水出水NO3-N和和NO2-N分别稳定分别稳定在左右稳定在在左右稳定在0.100.20 mg/L和和0.10 mg/L。当反应周期结束时，当反应周期结束时，2#的的TN 去除率可达到去除率可达到95%，强，强化系统可实现高效除氮。化系统可实现高效除氮。4.4启动阶段微生物群落特性高通量测序结果表明异养高通量测序结果表明

21、异养硝化硝化-好氧反硝化菌具有较高好氧反硝化菌具有较高的占比的占比，说明凝胶球对微生，说明凝胶球对微生物的固定化作用比较良好，物的固定化作用比较良好，具有较好的应用前景。具有较好的应用前景。Part5不同胁迫条件下生物强化系统的除污性能研究5.1不同碳源对生物强化系统除污效果的影响反应器运行到第反应器运行到第6 d时，时，1#出水已稳定，出水出水已稳定，出水COD小于小于13 mg/L，去除率为，去除率为97%以上。以上。2#到第到第9 d才趋于稳定，出才趋于稳定，出水水COD为为20 mg/L左右，去左右，去除率为除率为84%。运 行 周 期结束时，运 行 周 期结束时，1#的的COD去除率

22、可稳定在去除率可稳定在98.5%左右，左右，2#COD去除率仅为去除率仅为80%85%。1#出水出水NH4+-N的浓度的浓度约为约为0.45 mg/L，去除率，去除率约为约为98.49%左右，左右，2#出出水水NH4+-N的浓度约为的浓度约为1.30 mg/L左右，去除率左右，去除率约为约为95.64%左右。左右。1#出水出水NO3-N和和NO2-N的浓度分别为约为的浓度分别为约为0.10 mg/L、0.05 mg/L，2#为为0.46 mg/L、0.15 mg/L左左右。右。5.1不同碳源对生物强化系统除污效果的影响5.2 不同碳氮比对生物强化系统除污效果的影响在不同的碳氮比下，生物强化系统

23、对在不同的碳氮比下，生物强化系统对COD去除率均达到去除率均达到95%，对，对NH4+-N 的去的去除率达到除率达到87%以上以上，出水硝氮和亚硝氮，出水硝氮和亚硝氮浓度均越低。浓度均越低。生物炭基功能微生物材料进行生物强生物炭基功能微生物材料进行生物强化时能够耐受较低的碳氮比。化时能够耐受较低的碳氮比。5.3 不同曝气速率对生物强化系统的除污效果影响微好氧条件下，生物微好氧条件下，生物强 化 系 统 的强 化 系 统 的 C O D 和和NH4+-N去除率均越高去除率均越高,平平均去除率分别为均去除率分别为96.01%和和96.8%。提高曝气速率对本系提高曝气速率对本系统的除污效果有积极影统

24、的除污效果有积极影响，进一步验证了好氧响，进一步验证了好氧反硝化的存在。反硝化的存在。5.4结论结论 生物炭基功能微生物材料生物强化系统具有较强的耐冲击负荷能力，生物炭基功能微生物材料生物强化系统具有较强的耐冲击负荷能力，能耐受较低的碳氮比。同时，该系统具有节约基建面积、处理成本低、能耐受较低的碳氮比。同时，该系统具有节约基建面积、处理成本低、启动时间短、系统相对稳定、能循环利用等特点。启动时间短、系统相对稳定、能循环利用等特点。对出水对出水COD、NH4+-N和和TN的去除率可分别达到的去除率可分别达到98%、96%和和94%，NO3-N和和NO2-N相比于其他体系也有较高的去除效果。相比于其他体系也有较高的去除效果。2023/02宋建阳宋建阳38