CW-MFC污水處理中抗生素去除并同步抑制甲烷排放的研究
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摘要：抗生素作為抗病原細(xì)菌的藥物，在人和動(dòng)物疾病的預(yù)防治療等方面發(fā)揮著重要作用。多數(shù)抗生素在人和動(dòng)物體內(nèi)都不能夠被完全代謝，會以原形和活性代謝產(chǎn)物的形式排到體外，并經(jīng)不同途徑進(jìn)入水體環(huán)境。人工濕地生態(tài)處理技術(shù)以投資低，管理簡便等優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用，但其對部分抗生素的去除性能較差，并且存在排放溫室氣體甲烷的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。近年來，微生物燃料電池(MFC)技術(shù)得到廣泛關(guān)注，本研究充分利用人工濕地(CW)天然的氧化還原梯度和其對難降解有機(jī)物凈化潛能，將微生物燃料電池系統(tǒng)與人工濕地耦合，于垂直流人工濕地中構(gòu)建了多組以石墨為陰陽極填料的微生物燃料電池型人工濕地(CW-MFC)系統(tǒng)，研究了MFC在增強(qiáng)人工濕地抗生素去除效能并減少其甲烷排放方面的作用。文中分析了各組裝置在處理含磺胺嘧啶和環(huán)丙沙星兩種抗生素人工模擬廢水時(shí)的運(yùn)行性能，并通過不同CW-MFC系統(tǒng)間的對比，探討了各因素對抗生素去除和甲烷排放的影響；此外，還構(gòu)建了以天然錳礦石為陰陽極填料的CW-MFC系統(tǒng)，考察了天然錳礦石對甲烷排放的削減作用，初步分析了各過程的相關(guān)機(jī)理。主要研究結(jié)論如下： 構(gòu)建了3組CW-MFC系統(tǒng)和2組CW系統(tǒng)，3組CW-MFC系統(tǒng)分別為以石墨為陰陽極填料的CW-MFC系統(tǒng)、不種植菖蒲的CW-MFC系統(tǒng)以及以天然錳礦石為陰陽極填料的CW-MFC系統(tǒng)，2組CW系統(tǒng)為兩種填料CW-MFC系統(tǒng)的開路模式(相當(dāng)于普通人工濕地)，作為試驗(yàn)的對照組，考察了不同構(gòu)型CW-MFC系統(tǒng)處理含抗生素廢水的運(yùn)行性能。結(jié)果表明，在處理含抗生素的廢水時(shí)，系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行，CW-MFC系統(tǒng)對COD和NH4+-N去除效果較好，去除率分別達(dá)到90%和50%以上。植物的存在有利于NH4+-N的去除。所構(gòu)建的天然錳礦石CW-MFC也有較好的污染物凈化性能，COD和NH4+-N去除率分別達(dá)到了94.00%和54.26%。在產(chǎn)電性能方面，各組CW-MFC系統(tǒng)均能夠穩(wěn)定產(chǎn)電。CW-MFC系統(tǒng)在陰極有無菖蒲存在的情況下，能夠分別輸出450mV和410mV左右的電壓，植物的存在可以顯著提高CW-MFC產(chǎn)電。以天然錳礦石為陰陽極填料的CW-MFC系統(tǒng)具有最高的產(chǎn)電電壓，穩(wěn)定輸出電壓在520mV左右�！ ≡谑獵W-MFC系統(tǒng)中，CW-MFC系統(tǒng)與CW系統(tǒng)對兩種抗生素的去除率都超過90%，CW-MFC系統(tǒng)中磺胺嘧啶和環(huán)丙沙星的出水濃度均低于CW系統(tǒng)。在天然錳礦石CW-MFC系統(tǒng)中，CW-MFC系統(tǒng)與CW系統(tǒng)對兩種抗生素的去除率均大于90%，閉路系統(tǒng)對磺胺嘧啶的去除率比CW系統(tǒng)提高6.20%。天然錳礦石CW-MFC系統(tǒng)對抗生素的去除效果低于石墨CW-MFC系統(tǒng)，相比于石墨CW-MFC，天然錳礦石CW-MFC系統(tǒng)對磺胺嘧啶的去除率降低了8.89%。 通過與CW系統(tǒng)對比，研究了CW-MFC系統(tǒng)對甲烷排放的抑制作用。結(jié)果表明，在石墨CW-MFC系統(tǒng)中，CW-MFC系統(tǒng)平均甲烷排放通量減少了15.29%，在天然錳礦石CW-MFC系統(tǒng)中，CW-MFC系統(tǒng)較CW系統(tǒng)甲烷排放量減少了31.00%，閉路系統(tǒng)可以部分減少普通人工濕地的甲烷排放。此外，與石墨CW-MFC系統(tǒng)相比，天然錳礦石CW-MFC甲烷排放量更低，閉路系統(tǒng)平均甲烷排放通量減少了25.42%�！ ￡帢O植物菖蒲的存在對于CW-MFC系統(tǒng)去除磺胺嘧啶和環(huán)丙沙星無明顯的影響，有無植物的CW-MFC系統(tǒng)對于兩種抗生素的去除率都在95%以上。在甲烷排放方面，陰極未種植菖蒲的CW-MFC相比于有植物的CW-MFC，平均甲烷排放通量降低了21.79%，菖蒲的存在不利于CW-MFC系統(tǒng)甲烷減排。通過梯度增加進(jìn)水葡萄糖濃度的方式，研究了進(jìn)水有機(jī)物負(fù)荷變化對CW-MFC系統(tǒng)產(chǎn)甲烷的影響。結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)水葡萄糖濃度從200mg/L增加到300mg/L和400mg/L時(shí)，閉路CW-MFC系統(tǒng)中甲烷排放通量隨著進(jìn)水葡萄糖濃度升高而增大�！ ∵M(jìn)水中加入100mg/L的重金屬鋅后，CW-MFC系統(tǒng)和CW系統(tǒng)的抗生素去除率均降低，兩組裝置對磺胺嘧啶的去除已沒有顯著性差異。在甲烷排放方面，重金屬鋅的存在明顯抑制了CW-MFC系統(tǒng)的甲烷排放，CW-MFC減少甲烷排放的作用隨時(shí)間的增長逐漸減弱�！ W-MFC系統(tǒng)填料上的微生物相分析表明，天然錳礦石的菌種豐富度和多樣性較高。不同的填料會對CW-MFC微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，石墨CW-MFC系統(tǒng)和天然錳礦石CW-MFC系統(tǒng)電極附近的填料上均存在產(chǎn)電菌，但天然錳礦石CW-MFC中Geobacter地桿菌屬的相對豐度更高。
