CN112919756A - 一种医疗废水或医疗废水处理工艺产生的污泥中的抗生素抗性基因的处理方法 - Google Patents

一种医疗废水或医疗废水处理工艺产生的污泥中的抗生素抗性基因的处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种医疗废水或医疗废水处理工艺产生的污泥中的抗生素抗性基因的处理方法，属于污水处理领域。医疗废水中抗生素抗性基因的处理装置为生物电化学系统，具体为：以纳米CaO2负载石墨毡电极作为阳极，碳纤维刷作为阴极，两极室之间由阳离子交换膜分隔，重铬酸钾溶液为阴极液，将医疗废水或医疗废水处理工艺产生的污泥作为阳极底物，阴、阳极通过导线连接构成完整的电路，所述生物电化学系统进行闭路运行。纳米CaO2电极遇水反应生成羟基自由基，削减医疗废水处理工艺中产生污泥中的ARGs，尤其是对四环素类和磺胺类抗生素抗性基因的削减效果最佳。

Description

一种医疗废水或医疗废水处理工艺产生的污泥中的抗生素抗 性基因的处理方法
技术领域
本发明涉及一种医疗废水或医疗废水处理工艺产生的污泥中的抗生素抗性基因的处理方法，属于污水处理领域。
背景技术
近年来，抗生素被广泛用于人类和兽类传染病的治疗上，而大部分抗生素并不能被人体和动物代谢吸收，导致大量抗生素进入污水中，其中医疗废水中含有的抗生素浓度极高，并产生了一定丰度的抗生素抗性基因(ARGs)，这些ARGs经水处理工艺后传递至末端产物污泥中。污水处理厂作为抗生素进入环境的最后一道屏障，其现有工艺不能有效去除污水中的抗生素，可能还会导致抗生素抗性基因的扩增和转移。
环境中的抗生素抗性基因的主要削减方法和途径主要有：
1.高/低温厌氧处理
高/低温厌氧处理是利用厌氧技术在高温或低温的环境中处理污泥的方法，温度会改变环境中菌群的DNA组成结构，有效去除抗生素抗性基因。但是厌氧生物启动与处理时间长，处理过程反应复杂、反应速度较慢，产能少；厌氧生物对温度、pH等环境因素更为敏感，低温下降解速率低。
2.光降解
光降解是指通过光化学反应灭活细胞的方法，该方法可以加速抗生素抗性基因的削减，由光合作用产生的生态压力控制着抗性基因在水中的归趋。但光照对四环素类抗性基因有一定的选择作用，所需紫外剂量较高，远超过实际应用的剂量。目前，该技术大多与其他物质或工艺组合使用。
发明内容
本发明提供了一种用于有效削减污泥中抗生素抗性基因的方法，尤其是针对医疗废水处理工艺产生的污泥的方法。
本发明提供了一种医疗废水或医疗废水处理工艺产生的污泥中的抗生素抗性基因的处理方法，所述处理方法中所使用的装置为生物电化学系统，具体为：以纳米CaO2负载石墨毡电极作为阳极，碳纤维刷作为阴极，两极室之间由阳离子交换膜分隔，将铁氰化钾溶液和磷酸二氢钾溶液按比例混合作为阴极液，将医疗废水或医疗废水处理工艺产生的污泥作为阳极底物，阴、阳极通过导线连接构成完整的电路，所述生物电化学系统进行闭路运行。
进一步地，上述技术方案中，所述纳米CaO2负载石墨毡电极的纳米CaO2负载量为0.3g～0.7g。
进一步地，上述技术方案中，所述铁氰化钾溶液的浓度为0.1mol/L，磷酸二氢钾溶液的浓度为0.1mol/L，铁氰化钾溶液与磷酸二氢钾溶液的混合比例为按体积比1:1混合。
进一步地，上述技术方案中，生物电化学系统外接500Ω或1000Ω电阻。
进一步地，上述技术方案中，阳极底物为医疗废水处理工艺产生的污泥时，需利用超声细胞破碎仪在30％～60％功率下处理15～40分钟后使用。
进一步地，上述技术方案中，所述纳米CaO2负载石墨毡电极的制备方法，包括如下步骤：
(1)合成纳米CaO2；
(2)纳米CaO2负载石墨毡电极的制备：将石墨毡进行预处理，采用真空蒸镀法将纳米CaO2负载到预处理后的石墨毡上，使纳米CaO2在石墨毡表面凝结形成固态薄膜，即得。
进一步地，上述技术方案中，步骤(1)所述纳米CaO2的合成包括如下步骤：将40～50mL的0.90mol/L CaCl2水溶液、15～20mL mL NH3·H2O和15～20mL聚乙二醇PEG200均匀混合，滴加13mL～30mL的H2O2溶液，生成纳米过氧化钠颗粒，添加1mol/L NaOH溶液至pH＝11.5；离心分离，沉淀物用1mol/L NaOH溶液洗涤3～5次，再用去离子水洗涤直至获得残留水的pH为8.2～8.6，所得沉淀物在真空干燥箱中于50～80℃干燥1～2h。
进一步地，上述技术方案中，石墨毡预处理的方法为：将石墨毡在纯水中浸泡2～4h，再反复冲洗3～5遍，置于真空干燥箱中在不超过100℃下干燥，放入丙酮中浸泡1～3h，在真空干燥箱50～70℃条件下干燥。
发明有益效果
1.过氧化钙是一种经典的安全氧化剂，无毒无臭，常温下干燥品稳定，遇水会产生过氧化氢，生成羟基自由基。过氧化氢和羟基自由基具有强氧化性，能有效氧化分解污泥，加快细胞溶解，为后续微生物氧化污泥和降解ARGs提供更好的条件，提高处理效率缩短处理时间。CaO2遇水会提高反应体系的pH值，有利于ARGs的削减。纳米过氧化钙电极遇水反应生成羟基自由基，削减医疗废水处理工艺中产生污泥中的ARGs，尤其是对四环素类和磺胺类抗生素抗性基因的削减效果最佳。
2.本发明使用的纳米过氧化钙合成方法是自发的，不需要其他设备或能源，简单，快速，原料易获取又低成本。
3.CaO2的纳米晶化增加了CaO2颗粒的表面积，可以增加与污泥的接触面积，从而大大提高了对污泥中ARGs的去除效率。纳米粒子还可以大大提高反应效率并缩短生物电化学系统降解ARGs的处理时间。
4.CaO2负载到石墨毡电极上，可以间接减缓过氧化钙的释放速率，提高过氧化氢和羟基自由基的利用率。再者石墨毡的多孔结构减少了CaO2的聚集度，也增加了与污泥的接触时间和反应时间，大大提高反应效率。
具体实施方式
下述非限定性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
1、纳米过氧化钙粉末的合成。将4克CaCl2用40mL去离子水溶解在一个500mL的三颈烧瓶中，制成0.90mol/L的CaCl2水溶液。同时，将15mL～20mL NH3·H2O和15～20mL聚乙二醇PEG200添加至上述溶液中。然后在剧烈搅拌下向混合物中滴加过量的H2O2溶液(13～30mL)，以确保化合物完全反应。悬浮液颜色从淡黄色变为白色，生成CaO2纳米颗粒。然后添加NaOH溶液(pH＝13)直到获得pH为11.5的碱性介质。加入NaOH后，混合物变成白色悬浮液。通过离心分离白色沉淀物，并且在离心过程之后，将粉末用NaOH溶液洗涤3次。最后，用蒸馏水进行两次额外的洗涤，直到获得残留水的pH为8.2～8.6。将所得沉淀物在真空干燥箱中于80C干燥2h。
2、纳米过氧化钙负载石墨毡电极的制备。首先预处理石墨毡，先将石墨毡放在纯水中浸泡4h，除去石墨毡表面的不溶性杂质，并使可溶性的无机杂质溶于水中，之后再用纯水反复冲洗几遍，用干燥箱在100℃下干燥，然后将石墨毡放入丙酮中浸泡3h，使有机杂质得以去除，取出石墨毡，直至丙酮挥发后，在真空干燥箱70℃条件下干燥，备用。下一步负载过氧化钙纳米粉末，在真空室中，当真空度达到5×10-4mbar，除气完成后可以进行过氧化钙蒸发，将喷镀档调制1挡，电压调至7或8V蒸镀方式选择PULSE，按1～2秒后释放，加热蒸发容器中的纳米CaO2颗粒，使其分子从表面气化逸出，形成蒸汽流，入射到预处理过的石墨毡表面，凝结形成固态薄膜，待真空度恢复后再反复操作，直至负载量达到0.3g～0.7g。CaO2负载到石墨毡电极上，可以间接减缓过氧化钙的释放速率，提高过氧化氢和羟基自由基的利用率。再者石墨毡的多孔结构减少了CaO2的聚集度，也增加了与污泥的接触时间和反应时间，大大提高反应效率。另外，本发明的发明点之一在于将合成纳米过氧化钙粉末的技术与真空蒸镀负载纳米过氧化钙至石墨毡电极的方法组合在一起，制成新型的纳米过氧化钙负载石墨毡电极。
纳米过氧化钙粉末的负载量选择在0.3g～0.7g，是由于低于0.3g的负载量过氧化钙的释放速率低于生物电化学系统降解污泥抗生素抗性基因的速率，达不到预处理的效果；而负载量高于0.7g不仅会降低电极的导电率阻碍生物电化学系统降解效率，而且会造成粉末结块导致材料的浪费。
3、反应器装置构型。双室生物电化学反应装置采用有机玻璃材质，阴阳极室采用双头螺栓和蝶形螺母连接，阴阳极室体积均为50mL，两极室之间采用阳离子交换膜分隔，以纳米过氧化钙颗粒负载石墨毡为工作电极(阳极)，碳纤维刷作为阴极，将0.1mol/L铁氰化钾溶液和0.1mol/L磷酸二氢钾按1:1混合作为阴极液。将医疗废水污水处理工艺产生的污泥，利用超声细胞破碎仪在60％功率下预处理30分钟，将预处理后的污泥用针管注射器抽取50mL接种到组装完成的反应器中，阴阳极通过导线将1000Ω外阻连接构成完整的电路。本发明点之二在于将新型的纳米过氧化钙负载石墨毡电极应用到生物电化学系统双室反应器中。
实施例2
取从医疗废水污水处理工艺产生的污泥，利用超声细胞破碎仪在60％功率下预处理30分钟，将预处理后的50mL污泥用针管注射器分别接种到负载了0，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8g纳米CaO2的生物电化学系统中，阴阳极通过导线将1000Ω外阻连接构成完整的电路，所有生物电化学系统分别进行开路和闭路运行。
原泥样品中ARGs丰度为1.2×10-1to 1.7×10-1ARGs copy/16S rRNA gene copy。在较高CaO2负载量下样品的ARGs丰度(0.5g CaO2的2.9×10-2～3.2×10-2ARGs copy/16SrRNA gene copy和0.6g CaO2的2.3×10-2～2.4×10-2ARGs copy/16S rRNA gene copy)低于其他样品。0.5和0.6g CaO2负载量下样品的平均ARGs丰度值显著低于其他较低CaO2负载量(0～0.3g CaO2)的样品(ANOVA,P<0.05)。结果显示，负载CaO2可以促进样品中ARGs水平的下降，负载量为0.7和0.8g CaO2的样品ARGs丰度没有显著性差异，表明多余的CaO2负载量不能有效促进样品ARGs丰度的降低。该结果可能的解释是高CaO2负载量未必会增加底物的消耗和ARGs丰度降低。
所有样品共检测出18类ARGs，样品中多种ARGs类型可能与相应抗生素在人类和兽医药品的广泛应用相关。在18类ARGs中，四环素、杆菌肽、氨基酸糖苷类和大环内脂林可霉素链阳杀菌素(MLS)的抗性基因均存在于所有的样品，表明这些种类的抗生素在污泥系统中广泛存在，它们也存在于其他环境样品(如土壤、人类粪便等)中。需要指出的是，未负载纳米CaO2的样品中MLS和四环素抗性基因的丰度比负载纳米CaO2的样品高，主要因为未负载CaO2的样品中总ARGs丰度高于未负载CaO2的样品。未负载CaO2的样品中，开路条件下吖啶黄、争光霉素和磷霉素抗性基因的丰度高于闭路条件(吖啶黄开路条件下8.7×10-5～1.1×10-4ARGs copy/16S rRNA gene copy，闭路条件下1.3×10-4to 3.5×10-4ARGs copy/16SrRNA gene copy；争光霉素开路条件下3.8×10-6～4.5×10-6ARGs copy/16S rRNA genecopy，闭路条件下1.2×10-6～1.8×10-6ARGs copy/16S rRNA gene copy；磷霉素开路条件下6.5×10-6～9.8×10-6ARGs copy/16S rRNA gene copy，闭路条件下5.4×10-7～7.3×10-6ARGs copy/16S rRNA gene copy)。

Claims (8)

1.一种医疗废水或医疗废水处理工艺产生的污泥中的抗生素抗性基因的处理方法，其特征在于，所述处理方法中所使用的装置为生物电化学系统，具体为：以纳米CaO2负载石墨毡电极作为阳极，碳纤维刷作为阴极，两极室之间由阳离子交换膜分隔，将铁氰化钾溶液和磷酸二氢钾溶液按比例混合作为阴极液，将医疗废水或医疗废水处理工艺产生的污泥作为阳极底物，阴、阳极通过导线连接构成完整的电路，所述生物电化学系统进行闭路运行。
2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述纳米CaO2负载石墨毡电极的纳米CaO2负载量为0.3g～0.7g。
3.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述铁氰化钾溶液的浓度为0.1mol/L，磷酸二氢钾溶液的浓度为0.1mol/L，铁氰化钾溶液与磷酸二氢钾溶液的混合比例为按体积比1:1混合。
4.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，生物电化学系统外接500Ω或1000Ω电阻。
5.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，阳极底物为医疗废水处理工艺产生的污泥时，需利用超声细胞破碎仪在30％～60％功率下处理15～40分钟后使用。
6.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述纳米CaO2负载石墨毡电极的制备方法，包括如下步骤：
(1)合成纳米CaO2；
(2)纳米CaO2负载石墨毡电极的制备：将石墨毡进行预处理，采用真空蒸镀法将纳米CaO2负载到预处理后的石墨毡上，使纳米CaO2在石墨毡表面凝结形成固态薄膜，即得。
7.根据权利要求6所述的处理方法，其特征在于，步骤(1)所述纳米CaO2的合成包括如下步骤：将40～50mL的0.90mol/L CaCl2水溶液、15mL～20mL NH3·H2O和15mL～20mL聚乙二醇PEG200均匀混合，滴加13mL～30mL的H2O2溶液，生成纳米过氧化钠颗粒，添加NaOH溶液至pH＝11.5；离心分离，沉淀物用1mol/L NaOH溶液洗涤3～5次，再用去离子水洗涤直至获得残留水的pH为8.2～8.6，所得沉淀物在真空干燥箱中于50～80℃干燥1～2h。
8.根据权利要求6所述的处理方法，其特征在于，石墨毡预处理的方法为：将石墨毡在纯水中浸泡2～4h，再反复冲洗3～5遍，置于真空干燥箱中在不超过100℃下干燥，放入丙酮中浸泡1～3h，在真空干燥箱50～70℃条件下干燥。
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