CN109279747B - 一种零价铁强化剩余污泥水热削减抗性基因的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种零价铁强化剩余污泥水热削减抗性基因的方法，其特征在于，污水经厌氧处理后，在零价铁作用下进行好氧处理，在曝气条件下反应，减少污泥的EPS含量；然后进行二沉，其中，含铁剩余活性污泥再经过重力沉降浓缩；将浓缩后的含铁污泥先预热，再加热进行水热反应；反应结束，待污泥降温后，进行离心脱水，得到水热液及污泥炭；将水热液进行芬顿氧化反应。本发明在活性污泥系统中加入零价铁强化生物处理，产生的含铁剩余污泥利用高温高压水热处理，部分污泥中的抗性基因被去除，由于EPS的降低，胞内的ARGs更易释放到水热液中，因此对水热液的集中高级氧化处理可进一步强化去除ARGs，从而实现污泥中抗性基因的的高效削减。

Description

一种零价铁强化剩余污泥水热削减抗性基因的方法
技术领域
本发明涉及一种零价铁强化剩余污泥水热削减抗性基因的方法，属于环保技术领域。
背景技术
抗生素被广泛用作人类和动物传染性疾病的预防和治疗药品以及动物的生长促进剂。近年来，抗生素的大量使用导致抗性微生物大量增殖和抗性基因的富集和传播，研究表明抗性基因在水体环境中普遍存在，对人类健康已构成严重威胁，抗生素抗性基因的去除和消减刻不容缓。污水处理厂接收各污染源排放的抗性基因(ARGs)，并通过不同途径排放到自然水体和土壤中，是环境中主要的抗性基因的重要储存库及排放源，同时也是消减抗性基因的重要途径。污水处理厂中的活性污泥是抗性基因存在的重要场所，对某污水处理厂抗性基因(tet A、tet C、tet E、tet M、tet O、tet W和sul I)的污染水平研究结果表明，抗性基因在活性污泥中检出频率最高(0.86)(Water Res,2007,41(5):1143-1151)，因此抗性基因可能在剩余污泥的处置过程中进入环境，对生态环境及人类健康造成严重的威胁。因此，高效削减污泥中抗性基因势在必行。
研究发现，水热处理污泥能够有效的削减ARGs(Bioresource Technology 235(2017)316–324)，且会破坏细胞，使细胞内的DNA释放到上清液中(Water Research 99(2016)122-128)。然而，活性污泥的胞外聚合物(EPS)能够保护细胞以抵抗环境压力(Frontiers in Microbiology 9(2018)1-14)，使细胞不易破裂，影响ARGs的去除效率。研究发现高剂量的零价铁能够减少活性污泥的胞外聚合物(EPS)(Bioresource Technology262(2018)294–301)，使细胞更易受到外界的刺激而破裂，因此若污泥微生物EPS含量减少，污泥在水热过程中更易受到破损，污泥中的抗性基因被削减，此外，胞内抗性基因部分释放至水热液相，若对残余在水热液中的抗性基因再进行集中处理，则可实现污泥中抗性基因的高效削减控制。
发明内容
本发明所要解决的问题是：如何提高剩余污泥水热过程中抗性基因的削减率。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种零价铁强化剩余污泥水热削减抗性基因的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：污水经厌氧处理后，在零价铁作用下进行好氧处理，在曝气条件下反应，减少污泥的EPS含量，提高污水的处理效率；
步骤2)：污水经处理后进行二沉，二沉池排出的污泥部分回流至厌氧处理系统，部分含铁剩余活性污泥经过重力沉降浓缩；
步骤3)：将浓缩后的含铁污泥先预热，再加热进行水热反应；
步骤4)：反应结束，待污泥降温后，进行离心脱水，得到水热液及污泥炭；
步骤5)：将水热液进行芬顿氧化反应，实现抗性基因的进一步削减；经脱水后的污泥炭作为农用还田及土壤改良。
优选地，上述方法采用污水处理系统，所述步骤1)中的厌氧处理在厌氧反硝化池中进行，好氧处理在好氧硝化池中进行，好氧硝化池出水的硝化液内回流至厌氧反硝化池进行反硝化脱氮反应，步骤2)中的二沉在二沉池中进行，重力沉降浓缩在污泥浓缩池进行，步骤3)中的预热在预热反应罐中进行，水热反应在密闭的水热反应罐中进行。
优选地，所述步骤1)中的零价铁的来源采用铁刨花，其为车床切割废料长度为3～10cm的螺旋弯曲形状的工业铁屑，使用前,将铁刨花洗净，然后用0.2M的氢氧化钠浸泡除去其表面油渍。
优选地，所述铁刨花的投加量为20～100g/L，投加后，污水的COD降解率提高15～50％，总氮去除率提高25～50％。
优选地，所述步骤2)中浓缩后含铁污泥的浓度为15-25g/L，污泥的含铁量为150～300mg/g TSS，污泥EPS减少15～50％，浓缩过程产生的上清液返回至厌氧反硝化池。
更优选地，所述预热反应罐加热至60～80℃，预热时间为0.5～5h；所述水热反应罐加热至140～200℃，加热时间为60～180min，加热方式采用蒸汽加热、导热油加热或电加热方式；预热反应罐、水热反应罐中污泥的注入量均为相应反应罐容积的40％-85％。
优选地，所述步骤4)中污泥温度降至50℃以下再进行离心脱水，离心机的转速为1500～2600r/min，离心机的差速为2～3.5r/min。
优选地，所述步骤5)中加入H2O2和Fe2+进行芬顿氧化反应；H2O2的质量浓度为30％，投加量为0.5～2mL/L(水热液)；H2O2与Fe2+的摩尔比为3～0.5:1；芬顿氧化反应的温度为室温，pH值调节至3～4；反应时间为20～60min。
优选地，所述步骤5)中的芬顿氧化后的出水返回至污水处理系统的厌氧反硝化池作为反硝化碳源。
本发明在活性污泥系统中加入零价铁强化生物处理，在提高污水生物处理效能的同时，减少污泥胞外聚合物含量，产生的含铁剩余污泥利用高温高压水热处理，部分污泥中的抗性基因被去除，由于EPS的降低，胞内的ARGs更易释放到水热液中，因此对水热液的集中高级氧化处理可进一步强化去除ARGs，从而实现污泥中抗性基因的的高效削减，同时还可实现污泥的减量及资源化利用。本发明具有如下有益效果：
(1)本方法通过在生化处理好氧段投加经济易得的零价铁，提高生物污水处理效能的同时减少EPS，从而利于水热过程污泥ARGs削减过程DNA的胞外释放；
(2)本方法在污泥相削减抗性基因的同时，对释放至液相的ARGs进一步高级氧化去除，从而提高ARGs总的削减效率；
(3)本方法中经芬顿氧化处理后的水热液可用作生化处理中反硝化的碳源，同步实现污泥的资源化利用。
附图说明
图1为本发明提供的零价铁强化剩余污泥水热削减抗性基因的方法的工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1
一种零价铁强化剩余污泥水热削减抗性基因的方法：
(1)在污水处理系统中的好氧硝化池中投加铁刨花，铁刨花的投量为30g/L；
(2)将二沉池的剩余污泥通过浓缩池浓缩至污泥浓度为20g/L，所得含铁污泥和普通活性污泥的胞外聚合物含量见表1；
(3)将浓缩后的污泥泵送至预热反应罐，采用蒸汽加热方式进行预热处理，预热温度为60℃，预处理时间为2h。将预热后的污泥注入高压密闭反应罐中，污泥的注入量为反应罐容积的55％，采用蒸汽加热方式，密闭加热至罐内污泥温度为160℃，保持120min，水热反应对污泥中ARGs的削减率及释放到水热液的情况见表2；
(4)降温至50℃以下，降温后的物料输送至离心机，离心机的转鼓转速为2000r/min，离心机的差速在3r/min，得到水热液及污泥炭。
(5)水热液进入芬顿氧化池，调节pH至3.5，投加质量浓度为30％的H2O2，投加量为1mL(H2O2)/L(水热液)，H2O2/Fe2+的摩尔质量比为3:1。氧化反应时间60分钟。反应结束后，调节出水pH至7后返回污水处理系统的厌氧反硝化池。芬顿氧化对水热液中ARGs的削减率见表3。
表1含铁污泥和普通活性污泥EPS的含量对比
Figure GDA0002935559470000041
表2水热反应对普通活性污泥及含铁污泥中ARGs的削减对比
Figure GDA0002935559470000042
表3芬顿氧化出水中ARGs的削减率
活性污泥 含铁污泥
tetA 25.7％ 35.8％
tetC 41.7％ 51.0％
tetX 33.9％ 67.6％
16s rRNA 95.2％ 99.2％
intI1 87.3％ 97.1％
实施例2
一种零价铁强化剩余污泥水热削减抗性基因的方法：
(1)在污水处理系统中的好氧硝化池中投加铁刨花，铁刨花的投量为50g/L；
(2)将二沉池的剩余污泥通过浓缩池浓缩至污泥浓度为18g/L，所得含铁污泥和普通活性污泥的胞外聚合物含量见表4；
(3)将浓缩后的污泥泵送至预热反应罐，采用蒸汽加热方式进行预热处理，预热温度为70℃，预处理时间为3h。将处理后的污泥注入高压密闭反应罐中，污泥的注入量为反应罐容积的55％，采用蒸汽加热方式，密闭加热至罐内污泥温度为150℃，保持180min，水热反应对污泥中ARGs的削减率及释放到水热液的情况见表5；
(4)降温至50℃以下，降温后的物料输送至离心机，离心机的转鼓转速为2500r/min，离心机的差速在2.5r/min，得到脱水液及污泥炭。
(5)脱水液进入强氧化池，调节pH至4，投加质量浓度为30％的H2O2，投加量为1.5(H2O2)/L(水热液)，H2O2/Fe2+的摩尔质量比为2.5:1。氧化反应时间50分钟。反应结束后，调节出水pH至6.5后返回污水处理系统的厌氧反硝化池。芬顿氧化对水热液中ARGs的削减率见表6。
表4含铁污泥和普通活性污泥EPS的含量对比
Figure GDA0002935559470000051
Figure GDA0002935559470000061
表5水热反应对普通活性污泥及含铁污泥中ARGs的削减对比
Figure GDA0002935559470000062
表6芬顿氧化出水中ARGs的削减率
活性污泥 含铁污泥
tetA 22.7％ 44.8％
tetC 45.3％ 64.3％
tetX 33.2％ 75.6％
16s rRNA 96.4％ 99.7％
intI1 88.3％ 991％

Claims (9)

1.一种零价铁强化剩余污泥水热削减抗性基因的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：污水经厌氧处理后，在零价铁作用下进行好氧处理，在曝气条件下反应，减少污泥的EPS含量，提高污水的处理效率；
步骤2)：污水经处理后进行二沉，二沉池排出的污泥部分回流至厌氧处理系统，部分含铁剩余活性污泥再经过重力沉降浓缩；
步骤3)：将浓缩后的含铁污泥先预热，再加热进行水热反应；
步骤4)：反应结束，待污泥降温后，进行离心脱水，得到水热液及污泥炭；
步骤5)：将水热液进行芬顿氧化反应，实现抗性基因的进一步削减；经脱水后的污泥炭作为农用还田及土壤改良。
2.如权利要求1所述的零价铁强化剩余污泥水热削减抗性基因的方法，其特征在于，采用污水处理系统，所述步骤1)中的厌氧处理在厌氧反硝化池中进行，好氧处理在好氧硝化池中进行，好氧池出水的硝化液内回流至厌氧反硝化池进行反硝化脱氮反应，步骤2)中的二沉在二沉池中进行，重力沉降浓缩在污泥浓缩池进行，步骤3)中的预热在预热反应罐中进行，水热反应在密闭的水热反应罐中进行。
3.如权利要求1所述的零价铁强化剩余污泥水热削减抗性基因的方法，其特征在于，所述步骤1)中的零价铁的来源采用铁刨花，其为车床切割废料长度为3～10cm的螺旋弯曲形状的工业铁屑，使用前,将铁刨花洗净，然后用0.2M的氢氧化钠浸泡除去其表面油渍。
4.如权利要求3所述的零价铁强化剩余污泥水热削减抗性基因的方法，其特征在于，所述铁刨花的投加量为20～100g/L，投加后，污水的COD降解率提高15～50％，总氮去除率提高25～50％。
5.如权利要求1所述的零价铁强化剩余污泥水热削减抗性基因的方法，其特征在于，所述步骤2)中浓缩后含铁污泥的浓度为15-25g/L，污泥的含铁量为150～300mg/g TSS，污泥EPS减少15～50％，浓缩过程产生的上清液返回至厌氧反硝化池。
6.如权利要求2所述的零价铁强化剩余污泥水热削减抗性基因的方法，其特征在于，所述预热反应罐加热至60～80℃，预热时间为0.5～5h；所述水热反应罐加热至140～200℃，加热时间为60～180min，加热方式采用蒸汽加热、导热油加热或电加热方式；预热反应罐、水热反应罐中污泥的注入量均为相应反应罐容积的40％-85％。
7.如权利要求1所述的零价铁强化剩余污泥水热削减抗性基因的方法，其特征在于，所述步骤4)中污泥温度降至50℃以下再进行离心脱水，离心机的转速为1500～2600r/min，离心机的差速为2～3.5r/min。
8.如权利要求1所述的零价铁强化剩余污泥水热削减抗性基因的方法，其特征在于，所述步骤5)中加入H2O2和Fe2+进行芬顿氧化反应；H2O2的质量浓度为30％，投加量为0.5～2mL/L(水热液)；H2O2与Fe2+的摩尔比为3～0.5:1；芬顿氧化反应的温度为室温，pH值调节至3～4；反应时间为20～60min。
9.如权利要求2所述的零价铁强化剩余污泥水热削减抗性基因的方法，其特征在于，所述步骤5)中的芬顿氧化后的出水返回至污水处理系统的厌氧反硝化池作为反硝化碳源。
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