CN115677053A - 基于铁/锰胶膜去除抗生素的基质、人工湿地系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于铁/锰胶膜去除抗生素的基质、人工湿地系统及方法，所述基质包括赤铁矿与石英砂混匀层或天然锰矿与石英砂混匀层以及砾石层；人工湿地系统，包括上述的去除抗生素的基质，所述基质的上面设置湿地植物，下面设置砾石层；本发明通过将混合均匀的赤铁矿与石英砂或天然锰矿与石英砂作为人工湿地系统的基质，构建了良好的氧化还原环境，赤铁矿、天然锰矿为胞外电子传递提供了受体，增强了电子传递条件，促进了异化金属还原菌等相关微生物的活性，有效的促进了磺胺甲恶唑的去除。
Description
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种基于铁/锰胶膜去除抗生素的基质、人工湿地系统及方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
抗生素因其广泛用于临床治疗、疾病预防和促进植物生长，并在环境中得到了广泛的传播，且经常在污水、地表水、地下水、土壤等环境中经常被检查到，尤其在水生环境中，对水生生物构成威胁，同时，它们具有高的生态毒性并可促进耐药基因转移和传播的过程，引起了广泛的关注。磺胺甲恶唑(SMX)作为常见的有机废水污染物之一，由于代谢率有限和污水处理厂的去除率差，存在较高的生态和健康风险。研究表明，将高浓度的磺胺甲恶唑降低为较低水平，主要通过生物降解、吸附、氧化还原、电解等途径去除，但是，对于磺胺甲恶唑的高效去除没有找到合适方法。因此，需要寻找一种经济有效的技术来处理含磺胺甲恶唑的废水。
人工湿地因成本低、操作简单、处理效果好，环境效益高等优点，广泛用于处理污水厂各种废水常见污染物。目前，人工湿地可以通过植物吸收、基质吸附和微生物降解等多种机制去除常规氮磷等污染物和微量有机污染物，其中在去除氮磷污染物、解决水体富营养化等方面研究较为广泛，但是现有技术对于难降解有机污染物(抗生素)高效去除研究较少，在实际中主要存在问题，一是抗生素通过普通基质对于磺胺甲恶唑的去除率较低，未得到有效提高；二是抗生素降解中没有充足的电子供体，得不到有效去除。因此，如何利用简单的方法强化去除污水中难降解微量有机物成为亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于铁/锰胶膜去除抗生素的基质、人工湿地系统及方法，通过在人工湿地系统中添加铁锰基质形成根系铁锰胶膜，强化人工湿地中磺胺甲恶唑的去除。
本发明的技术方案如下：
第一方面，提供了一种基于铁/锰胶膜去除抗生素的基质，包括赤铁矿与石英砂混匀层或天然锰矿与石英砂混匀层以及砾石层。
第二方面，提供了一种基于铁/锰胶膜去除抗生素的人工湿地系统，包括基于铁/锰胶膜去除抗生素的基质，所述基质的上方种植湿地植物。
第三方面，提供了一种去除抗生素的方法，包括以下步骤：
步骤一：获取好氧活性污泥和厌氧活性污泥，其中将好氧活性污泥、厌氧活性污泥、自来水按照1:3-5:6-8的比例进行混合，使活性污泥的浓度达到900-1100mg/L后，得到稀释后的混合活性污泥；
步骤二：利用蠕动泵将混合活性污泥泵入人工湿地系统，连续泵入10-15d；
步骤三：向人工湿地通入含有抗生素的二级合成废水，人工湿地的进水处理方式为下进上出的连续流，水力停留时间36-72h。
本发明的技术特点及有益效果：
本发明将混合均匀的赤铁矿与石英砂或天然锰矿与石英砂作为人工湿地系统的基质，构建了良好的氧化还原环境，赤铁矿、天然锰矿为胞外电子传递提供了受体，增强了电子传递条件，促进了异化金属还原菌等相关微生物的活性，有效的促进了磺胺甲恶唑的去除。由于赤铁矿和天然锰矿在自然界中广泛存在，微生物能够借助外援的非生物导电材料如赤铁矿、天然锰矿等实现电子的转移传递。
本发明选择灯芯草作为人工湿地系统的湿地植物，除了去除污染物的同时，还可以有效净化环境，且具有较高的经济价值和观赏价值。
本发明对于磺胺甲恶唑的治理具有较高的参考价值，具有合理的实际应用性。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明中人工湿地系统的根箱示意图；
图2为本发明中人工湿地系统根箱的正视结构示意图；
图3(a)为本发明中人工湿地系统根箱的外部侧视结构示意图，图3(b)为本发明中人工湿地系统根箱的内部侧视结构示意图；
图4为本发明中人工湿地系统根箱内部隔板的结构示意图；
图5为本发明中不同基质的COD出水浓度对比图，其中，In表示进水COD浓度，C表示基质为石英砂的COD出水浓度，Fe表示基质为赤铁矿和石英砂混匀层的COD出水浓度，Mn表示基质为天然锰矿和石英砂混匀层的COD出水浓度；
图6为本发明中不同基质的SMX出水浓度对比图，其中，In表示进水SMX浓度，C表示基质为石英砂的SMX出水浓度，Fe表示基质为赤铁矿和石英砂混匀层的SMX出水浓度，Mn表示基质为天然锰矿和石英砂混匀层的SMX出水浓度；
图7为本发明中不同基质的SMX根系、非根系和出水的SMX去除效率图，其中C-R表示石英砂组根系SMX去除率，C-N表示石英砂组非根系SMX去除率，C-O表示石英砂组出水SMX去除率；Fe-R表示石英砂组根系SMX去除率，Fe-N表示石英砂组非根系SMX去除率，Fe-O表示石英砂组出水SMX去除率；Mn-R表示石英砂组根系SMX去除率，Mn-N表示石英砂组非根系SMX去除率，Mn-O表示石英砂组出水SMX去除率。
图中：1、人工湿地箱体；2、混匀层；3、湿地植物；4、管道；5、砾石层；6、进水口；7、出水口；8、底部出水口。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
针对现有技术存在的问题，发明人经过研究发现，在人工湿地植物根系和基质共同作用的微环境中，由于较高的氧化还原环境，增强了电子传递，为微生物提供了电子供体，进而促进了碳源进行反硝化作用，发明人还发现，将赤铁矿和天然锰矿作为人工湿地系统的基质，能够充分利用其还原特性，创造良好的厌氧环境，使得微生物能够借助外援的非生物导电材料如赤铁矿、天然锰矿等实现电子的转移传递，在此环境中，抗生素的加入增加了碳源，促进了硝酸盐去除的同时也可以促进自身的降解去除。
在本发明的一种实施方案中，提供一种基于铁/锰胶膜去除抗生素的基质，包括赤铁矿与石英砂混匀层或天然锰矿与石英砂混匀层以及砾石层。
人工湿地系统中的异化金属还原菌等相关微生物借助赤铁矿、天然锰矿溶解形成的铁/锰胶膜，快速实现胞外电子传递，提高了磺胺甲恶唑的去除效率，赤铁矿、天然锰矿与石英砂均匀混合，使得接触面积最大，难降解微量有机物的去除效率最高。
进一步地，赤铁矿与石英砂按照1：5-7的体积比进行均匀混合，优选的，赤铁矿与石英砂的体积比为1：6；
或，天然锰矿与石英砂按照1：5-7的体积比进行均匀混合，优选的，天然锰矿与石英砂的体积比为1：6。
进一步地，为了增加植物与基质的接触面积，以便根系与基质形成铁锰胶膜，选择粒径为1-2mm石英砂、赤铁矿、天然锰矿，和粒径为1-3cm砾石；进一步地，为了支撑载体和均匀布水将砾石层位于混匀层的下方。
在本发明的又一实施方案中，提供一种基于铁/锰胶膜去除抗生素的人工湿地系统，包括去除抗生素的基质，所述基质的上方种植湿地植物。
所述基质中砾石层的厚度和混匀层的厚度根据实际应用中的需要进行设定。
所述湿地植物采用灯心草，在基质的上方均匀种植，湿地植物通过光合作用分解和转化废水中的有机物、硝态氮和磷酸盐等污染物，同时，植物的根系能吸附和富集重金属和有毒有害物质，亦对废水中固体颗粒具有吸附和拦截作用，其作为湿地植物的同时，还可以有效净化环境，且具有较高的经济价值和观赏价值。
人工湿地系统中还设置进水口和多个出水口，采用下进水上出水模式，所述进水口设置在人工湿地系统箱体的下部，与砾石层连通，出水口设置在箱体的侧面和正面，为了方便取根系出水和非根系出水，在正面设置四个不同高度的出水口，包括根系出水和非根系出水。
进一步地，所述出水口的内侧设置纱网，防止基质进入堵塞出水口。
系统的工作原理为：
进入人工湿地系统的废水，与基质、植物和微生物的相互作用，如基质和植物的吸附作用、植物根系与基质形成铁/锰胶膜促进微生物的代谢有效地去除湿地根箱系统的抗生素。
本实施例的人工湿地系统，构建了良好的氧化还原环境，赤铁矿、天然锰矿为胞外电子传递提供了受体，增强了电子传递条件，促进了异化金属还原菌等相关微生物的活性，有效地促进了SMX的去除。
在本发明的又一实施方案中，提供了一种去除抗生素的方法，包括以下步骤：
步骤一：获取好氧活性污泥和厌氧活性污泥，将好氧活性污泥、厌氧活性污泥、自来水按照1:3-5:6-8的比例进行混合，使活性污泥的浓度达到900-1100mg/L后，得到稀释后的混合活性污泥；
步骤二：利用蠕动泵将混合活性污泥泵入人工湿地系统，连续泵入10-15天；
步骤三：向人工湿地通入含有抗生素的二级合成废水，人工湿地的进水处理方式为下进上出的连续流，水力停留时间为36-72小时。
下面结合具体实施例进行详细说明：
通过调节不同基质的设置，能够为难降解微量有机污染物的去除提供最佳环境，有助于增加难降解微量有机物的去除效率。
实施例1
如图1-4所示，一种基于铁/锰胶膜去除抗生素的人工湿地系统，包括人工湿地箱体1，箱体采用丙烯酸塑料制成并用铝箔包裹，以防止根部受到光照射。进水模式为连续流，水力停留时间为2d。装置为总高度35cm，宽度为10cm，长度为50cm的根箱人工湿地系统。箱体上设置多个出水口8，每个出水口间隔8cm，顶部出水口7在距离顶部高度为8cm处，进水口6在高度为2cm处。在根箱系统的Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ隔间种植湿地植物3，Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ作为非根际的对照组，根际区和非根际区用尼龙布包裹的图4中的隔板的分割，隔板上设置多个圆孔，实现各个隔间的连通。PVC多孔管道4位于Ⅵ隔间中心处，与湿地系统等高，从上到下插入人工湿地主体内的，管道与基质呈贴紧配合，方便污水流动，并可通过管道实时测定湿地的理化指标溶解氧、电导率、ORP和pH。其中，基质包括砾石层5和混匀层2，砾石层的砾石粒径为3cm，底部添加3cm厚的砾石，在高度为3-30cm处填充体积比为1:6的赤铁矿和石英砂，石英砂和赤铁矿的粒径为2mm。上层种植3株灯芯草，在去除污染物的同时，还具有一定的经济、欣赏价值。
一种去除抗生素的方法，首次使用包括以下步骤：
步骤一：获取好氧活性污泥和厌氧活性污泥，其中以1:4:7的好氧：厌氧：自来水稀释，最后使活性污泥的浓度达到1000mg/L后，得到稀释后的混合活性污泥；
步骤二：以0.3rpm/min的转速，利用蠕动泵将混合活性污泥泵入湿地根箱系统，连续泵入2周。
步骤三：向人工湿地通入含有抗生素的二级合成废水，人工湿地的进水处理方式为下进上出的连续流，水力停留时间为2天。
其中，再次使用的方法包括以下步骤：
人工湿地系统在首次使用后，将含有难降解有机物SMX的二级处理的合成废水连续通入人工湿地根箱系统，污水浸满填料，水力停留时间为2d，控制室内温度为22℃左右。不仅可以使常规污染物如COD得到净化去除，而且，人工湿地根箱系统对合成废水中的难降解有机物SMX也有着较高的去除效率,根系位置去除效率更高为99.39％。
实施例2
与实施例1相比不同之处在于，在3-30cm处填充体积比为1:6的天然锰矿和石英砂，根系位置去除效率更高为97.59％。
对比例1
与实施例1相比不同之处在于，在3-30cm处全部填充石英砂，该对比例中不添加赤铁矿和天然锰矿，只含有石英砂。
对实施例1、实施例2、对比例1的COD出水浓度、SMX出水浓度、SMX去除效率进行检测，其结果如图5-7所示。通过对图5、6的分析可以得知，采用赤铁矿与石英砂、天然锰矿与石英砂的混合组作为去除抗生素的基质，能够将COD出水浓度降低至30mg/L以下，将SMX出水浓度降低至30μg/L以下，与单纯采用石英砂相比，采用赤铁矿与石英砂、天然锰矿与石英砂的混合组作为去除抗生素的基质，使得难降解有机物SMX和COD得到了高效去除。
通过对图7的分析可以得知，SMX的去除率：赤铁矿组>锰矿组>石英砂组，根际区难降解有机物去除效果都高于非根际区域，基质为赤铁矿与石英砂混合的实施例1和天然锰矿与石英砂混合的实施例2的人工湿地系统根际区与以石英砂为基质的对比例根际区域相比，有效增强常规污染物和抗生素的去除。
因此，本发明采用赤铁矿与石英砂混匀层或天然锰矿与石英砂混匀层作为去除抗生素的基质，能够利用植物根系铁/锰胶膜的作用强化湿地系统电子转移以增强对COD和难降解有机物SMX的去除。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于铁/锰胶膜去除抗生素的基质，其特征在于，包括赤铁矿与石英砂混匀层或天然锰矿与石英砂混匀层以及砾石层。
2.如权利要求1所述的基于铁/锰胶膜去除抗生素的基质，其特征在于，赤铁矿与石英砂按照1：5-7的体积比进行均匀混合；
或，天然锰矿与石英砂按照1：5-7的体积比进行均匀混合。
3.如权利要求2所述的基于铁/锰胶膜去除抗生素的基质，其特征在于，石英砂、赤铁矿、天然锰矿的粒径为1-2mm，砾石粒径为1-3cm。
4.如权利要求3所述的基于铁/锰胶膜去除抗生素的基质，所述砾石层位于混匀层的下方。
5.一种基于铁/锰胶膜去除抗生素的人工湿地系统，其特征在于，包括如权利要求1-4任一项所述的去除抗生素的基质，所述基质的上方种植湿地植物。
6.如权利要求5所述的基于铁/锰胶膜去除抗生素的人工湿地系统，其特征在于，湿地系统上设置进水口和出水口。
7.如权利要求6所述的基于铁/锰胶膜去除抗生素的人工湿地系统，其特征在于，所述出水口的内侧设置纱网。
8.如权利要求4所述的去除抗生素的人工湿地系统，其特征在于，所述湿地植物采用灯芯草。
9.一种去除抗生素的方法，采用权利要求5-8任一项所述的人工湿地系统来实现，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：获取好氧活性污泥和厌氧活性污泥，将好氧活性污泥、厌氧活性污泥、自来水按照1:3-5:6-8的比例进行混合，使活性污泥的浓度达到900-1100mg/L后，得到稀释后的混合活性污泥；
步骤二：利用蠕动泵将混合活性污泥泵入人工湿地系统，连续泵入10-15d；
步骤三：向人工湿地通入含有抗生素的二级合成废水，人工湿地的进水处理方式为下进上出的连续流，水力停留时间为36-72h。
10.如权利要求9所述的去除抗生素的方法，其特征在于，好氧活性污泥、厌氧活性污泥、自来水的混合比例为1：4：7。
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