基于电催化的低BOD5/COD农药废水厌氧降解过程抗性基因丰度调控策略与能量平衡计算方法研究
批准号:
22076020
项目类别:
面上项目
资助金额:
62.0 万元
负责人:
陈兆波
依托单位:
学科分类:
水污染与控制化学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈兆波
中文摘要
针对农药废水低BOD5/COD(<0.05)、含有毒有害物质多、现有处理工艺处理效果不佳且运行费用高等限制其推广应用的技术难题,本课题拟基于生物电化学对污染物降解基本原理,即通过阳极和阴极的电催化作用,提高与水解产酸发酵有关细菌的丰度和多样性,从而可将难降解物质转化为易降解物质(提高BOD5/COD),并通过提供更多的电子来减少功能微生物的毒性压力。在此基础上,本课题拟从长期运行效能、甲烷发酵特征投资和运行费用等角度,对比厌氧-电催化耦合工艺(UASB-BES)与常用的农药废水处理工艺(Fenton+UASB)的差异,重点分析抗性基因(ARGs)和厌氧功能基因(AFGs)丰度变化规律,揭示UASB-BES中阴极和阳极携带ARGs微生物对有毒有害物质的抵御机制和新的产甲烷路径;最后基于全生命周期成本理论,提出UASB-BES能量平衡计算方法,分析其经济可行性,为其工程推广应用提供有益参考。
英文摘要
Aiming at the technical difficulties that restrict the promotion and application of pesticide wastewater with low BOD5/COD (<0.05), many toxic and hazardous substances, poor treatment effect of existing treatment processes and high operating costs, this topic is intended to basically degrade pollutants based on bioelectrochemistry. The principle is that through the electrocatalysis of the anode and cathode, the abundance and diversity of bacteria related to hydrolysis, acid and fermentation can be improved, so that difficult-to-degrade substances can be converted into easily-degradable substances (improve BOD5/COD), and by providing more of electrons to reduce the toxic pressure of functional microorganisms. On this basis, this project intends to compare the differences between the anaerobic-electrocatalytic coupling process (UASB-BES) and the commonly used pesticide wastewater treatment process (Fenton + UASB) from the perspective of long-term operating efficiency, methane fermentation characteristics, investment and operating costs. Focus on the analysis of the abundance changes of resistance genes (ARGs) and anaerobic function genes (AFGs), and reveal the resistance mechanism against toxic and harmful substances and new methane production pathways of the microorganisms carrying ARGs by the cathode and anode in the UASB-BES. Based on the life cycle cost theory, the UASB-BES energy balance calculation method is proposed to analyze its economic feasibility and provide a useful reference for its engineering application.
针对高浓度难降解农药生产废水高COD、低BOD5/COD(<0.05)、含有大量对产甲烷菌有毒性抑制的物质等特点,拟采用升流式厌氧生物电化学系统(UASB-BES)对其进行中试处理,并与未施加电化学的厌氧生物反应器(C-UASB)进行对照,结果表明:在相同启动策略下,UASB-BES能够缩短启动周期。UASB-BES最适HRT为48 h,与C-UASB相比缩短了24 h,有效增强了系统的日处理能力;UASB-BES出水中胶体COD和颗粒性COD的总浓度被降低了41.9%-60.4%;降低了污泥产量,提高了污泥的沉淀性能,缓解了污泥后续处理带来的负担,其MLSS浓度降低了8.4%-11.5%,污泥产量显著降低41.2±6.7%,SVI降低了32.5±13.8%;此外,降低了悬浮污泥和附着污泥中的EPS含量。在反应器运行性能方面,UASB-BES有利于在低HRT下维持系统的稳定性,并可以减缓VFA对产甲烷菌的抑制,确保反应器良好的性能;同样,UASB-BES具有更高的产甲烷潜力,与C-UASB相比,甲烷产量显著提高了34.4±17.4%;UASB-BES中被消化的COD增加了2.4%-14.0%,转化为活性污泥的COD比例由C-UASB的16.3%-28.1%降低至11.3%-19.9%。考察系统运行效能与携带ARGs的微生物群落结构的动态关系,阐明引起运行效能变化的微生物学机制,结果表明:随着电压的升高,cmlA、floR和tetC的丰度显著增加,表明电刺激的应用增强了ARGs的增殖。较高电压和较高的四唑嘧磺隆、苯酰菌胺浓度下sul1和intI1、FTHFS、mcrA和ACAS丰度显著增高,这表明可以促进ARGs的水平基因转移和厌氧功能基因的增殖。基于全生命周期成本理论,对UASB-BES进行能量平衡计算及经济、环境和社会效益分析,结果表明:在最佳HRT条件下,UASB-BES增加了约7.4%的能源回收效益,将削减COD的环境效益提高了65.6%,并将单位建设成本和单位运营成本分别降低了26.3%和38.9%。因此,采用电化学与厌氧生物反应器相结合的强化系统处理农药废水具有环境与经济可行性,表明UASB-BES系统是一种性能上稳定高效,投资上经济环保,能真正意义上实现节能减排效果的农药废水处理工艺。
AHLs信号分子对AnMBR中趋磁细菌代谢产物调控机制及与膜污染的构效关系研究
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批准号:22376021
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项目类别:面上项目
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资助金额:50.00万元
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批准年份:2023
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负责人:陈兆波
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依托单位:
基于Hopf分叉理论和ASMs模型的多级环流MBR处理β-内酰胺类抗生素及中间体废水的多重稳态性调控机制研究
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批准号:51778114
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项目类别:面上项目
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资助金额:62.0万元
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批准年份:2017
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负责人:陈兆波
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依托单位:
国内基金
海外基金