利用根系分泌物強(qiáng)化濕地耦合系統(tǒng)去除地表水中抗生素的系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水污染控制與水處理領(lǐng)域，具體涉及一種利用根系分泌物強(qiáng)化濕地耦合系統(tǒng)去除地表水中抗生素的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，抗生素在受到廣泛青睞的同時(shí)，其應(yīng)用過(guò)程中存在的濫用現(xiàn)象卻令人擔(dān)憂，大量具有活性的抗生素排入環(huán)境中，不僅造成有機(jī)污染，還會(huì)提升土著微生物對(duì)抗生素的耐藥性，對(duì)公共衛(wèi)生安全造成威脅，其環(huán)境安全效應(yīng)越來(lái)越受到關(guān)注，其去除工藝也成為亟待解決的難題。生物電化學(xué)處理法在處理含抗生素廢水的應(yīng)用中，具有高效性、低成本、操作簡(jiǎn)便、環(huán)境清潔友好等特點(diǎn)，具有光明的應(yīng)用前景。
[0003]生物電化學(xué)法作為一種高效的水處理技術(shù)成為了當(dāng)今水處理技術(shù)中的熱點(diǎn)。與現(xiàn)有的其他抗生素廢水處理工藝相比，生物電化學(xué)處理可以用于處理抗生素和C0D濃度較高的毒性污水(例如制藥廠廢水)。有研究表明，運(yùn)用生物電化學(xué)法處理抗生素廢水，對(duì)蒽環(huán)類抗生素及喹諾酮類抗生素都具有較高去除效率。其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面:(1)將微生物附著于電極表面形成生物膜，通以一定電流，污染物可在生物和電化學(xué)雙重作用下得到降解；(2)電解過(guò)程中產(chǎn)生的具有強(qiáng)氧化性的.0H有助于打破抗生素中的復(fù)雜環(huán)狀結(jié)構(gòu)，將抗生素降解為簡(jiǎn)單的易降解的有機(jī)物；(3)反應(yīng)條件容易控制，一般在常溫常壓下就可完成，且設(shè)備簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)；(4)可以單獨(dú)應(yīng)用也可耦合其他處理工藝單元，使用靈活性強(qiáng)。
[0004]但是，采用生物電化學(xué)技術(shù)處理抗生素廢水消耗大量電能、成本高，這限制了生物電化學(xué)在處理抗生素廢水領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。
[0005]目前，水污染控制領(lǐng)域的另一研究熱點(diǎn)是將微生物產(chǎn)電原理應(yīng)用到污水處理過(guò)程中，利用微生物燃料電池在凈化污水的同時(shí)收獲電能，并在一定程度上為其他工藝單元供電。目前已有不少關(guān)于產(chǎn)電型人工濕地的研究與應(yīng)用。但是，產(chǎn)電型人工濕地的產(chǎn)電功率較低，只能輸出低壓電流，其主要原因還是產(chǎn)電型人工濕地中的產(chǎn)電菌傾向利用生物易降解有機(jī)物，卻很難利用難降解有機(jī)物，因此產(chǎn)電效果較差。因此，如何提高產(chǎn)電型人工濕地的輸出功率，提高其實(shí)用化性能還需進(jìn)一步探索。
[0006]有研究表明，當(dāng)水生植物種植地非常淺、生長(zhǎng)空間非常擁擠時(shí)，即對(duì)植物根系進(jìn)行一定程度的空間脅迫，植物根系會(huì)產(chǎn)生應(yīng)激響應(yīng)，生長(zhǎng)的根系將更為密集，所產(chǎn)生根系分泌物將大大增多，而植物根系分泌物中的易降解物質(zhì)可作為產(chǎn)電共基質(zhì)，與其他有機(jī)物共同作為產(chǎn)電基質(zhì)被產(chǎn)電菌利用。另外根系分泌物中的環(huán)狀分子結(jié)構(gòu)有機(jī)物可作為共代謝降解機(jī)制中的一級(jí)基質(zhì)，促進(jìn)部分難降解有機(jī)物(二級(jí)基質(zhì))的降解。根系分泌物中的環(huán)狀分子結(jié)構(gòu)物質(zhì)有可能在濕地填料生物膜中選擇馴化出豐富的具有開環(huán)能力的微生物菌群，此類微生物能對(duì)具有類似結(jié)構(gòu)的原形分子或中間產(chǎn)物進(jìn)行生物降解，或者對(duì)它們以共代謝方式進(jìn)行降解。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，針對(duì)現(xiàn)有抗生素廢水處理技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種利用根系分泌物強(qiáng)化濕地耦合系統(tǒng)去除地表水中抗生素的系統(tǒng)及方法，充分利用植物根系分泌物來(lái)強(qiáng)化CW-MFC的產(chǎn)電性能，并利用CW-MFC產(chǎn)生的電能為BER供電，加強(qiáng)BER對(duì)抗生素的降解效果。
[0008]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0009]一種利用根系分泌物強(qiáng)化濕地耦合系統(tǒng)去除地表水中抗生素的系統(tǒng)，包括生物膜電極反應(yīng)池，和利用植物根系分泌物強(qiáng)化產(chǎn)電型人工濕地的植物根系分泌物生成區(qū)、強(qiáng)化產(chǎn)電型人工濕地，所述生物膜電極反應(yīng)池、植物根系分泌物生成區(qū)、強(qiáng)化產(chǎn)電型人工濕地依次連接。
[0010]進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，所述生物膜電極反應(yīng)池內(nèi)的陰極電極、陽(yáng)極電極分別通過(guò)導(dǎo)線與所述強(qiáng)化產(chǎn)電型人工濕地的陽(yáng)極電極、陰極電極相連，綜合導(dǎo)電性能與成本因素考慮，可選用銅導(dǎo)線。
[0011]進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，所述生物膜電極反應(yīng)池內(nèi)的電極由碳纖維和鈦絲制成，以兩根鈦絲為骨架，等距的若干碳纖維夾于兩根鈦絲之間，再由兩根鈦絲互相繞合纏緊形成刷狀電極；其中在陰極刷狀電極上馴化生長(zhǎng)微生物形成成熟生物膜。
[0012]進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，所述植物根系分泌物生成區(qū)由上下三層植物生長(zhǎng)池搭建而成，種植植物為蘆葦，種植密度為20?22株/m2。
[0013]進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，所述植物根系分泌物生成區(qū)進(jìn)水口位于頂部左側(cè)，植物根系分泌物生成區(qū)出水口位于底部右側(cè)；
[0014]所述植物根系分泌物生成區(qū)由上下三層植物生長(zhǎng)池搭建而成，左右池壁為垂直方向設(shè)置的穿孔板用以進(jìn)出水；其中，頂層為矩形池，由左側(cè)進(jìn)水布水，右側(cè)出水并跌流至下一層的進(jìn)水區(qū)；下兩層為“回”型槽結(jié)構(gòu)，前后兩側(cè)為植物生長(zhǎng)區(qū)，內(nèi)側(cè)槽壁作為植物生長(zhǎng)池之間的支架，固定于上一層植物生長(zhǎng)池的底部構(gòu)成塔狀結(jié)構(gòu)；在上下三層植物生長(zhǎng)池的內(nèi)側(cè)槽壁與外側(cè)槽壁之間固設(shè)有多孔的板架。
[0015]進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，所述下兩層植物生長(zhǎng)池的“回”字型植物生長(zhǎng)槽結(jié)構(gòu)，其內(nèi)側(cè)矩形槽壁高于外側(cè)矩形槽壁；對(duì)應(yīng)的穿孔板為兩側(cè)接觸部分為穿孔，植物生長(zhǎng)區(qū)不穿孔的局部穿孔板，將“回”字型槽的左右兩側(cè)縱槽與前后兩側(cè)橫槽隔開，分別作為進(jìn)水區(qū)與出水區(qū)；所述穿孔板高度不高于內(nèi)側(cè)槽壁高度，以加強(qiáng)支撐作用以及防止水滴濺出。
[0016]進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，所述強(qiáng)化產(chǎn)電型人工濕地的濕地進(jìn)水口位于左側(cè)底部，濕地出水口位于右側(cè)頂部；強(qiáng)化產(chǎn)電型人工濕地的主體內(nèi)填充有填料，且從下到上依次設(shè)置有陰極、陽(yáng)極以及濕地植物，種植的濕地植物為蔓生型水生植物，濕地負(fù)荷為0.1?
0.2m3.m 2.d i。按照這一低負(fù)荷條件運(yùn)行可保證出水水質(zhì)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。蔓生型水生植物可以為空心菜或/和水芹菜。
[0017]一種利用根系分泌物強(qiáng)化濕地耦合系統(tǒng)去除地表水中抗生素的系統(tǒng)的方法，包括以下步驟:
[0018]a)含有抗生素的地表水流入所述生物膜電極反應(yīng)池進(jìn)行初次降解，得到預(yù)處理水；
[0019]b)所述預(yù)處理水流入所述植物根系分泌物產(chǎn)生區(qū)，其中的植物根系分泌出植物根系分泌物，得到二次處理水；
[0020]c)所述二次處理水流入所述強(qiáng)化產(chǎn)電型人工濕地，進(jìn)行再次降解和產(chǎn)電。
[0021]進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，步驟a)中的生物膜電極反應(yīng)池的停留時(shí)間為1?2h ;步驟b)中植物根系分泌物生成區(qū)的停留時(shí)間為20?30h;步驟c)中在強(qiáng)化產(chǎn)電型人工濕地中的停留時(shí)間為24?48h。
[0022]進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，所述強(qiáng)化產(chǎn)電型人工濕地的陰、陽(yáng)電極分別與所述生物膜電極反應(yīng)池的陽(yáng)、陰電極相連，并將其所產(chǎn)生的電能反哺供給給生物膜電極反應(yīng)池。充分利用植物根系分泌物來(lái)強(qiáng)化CW-MFC的產(chǎn)電性能，并利用CW-MFC產(chǎn)生的電能為BER供電，加強(qiáng)BER對(duì)抗生素的降解效果，去除效果良好，且無(wú)需外加能源，是一種低碳化的水處理技術(shù)。
[0023]有益效果:本發(fā)明提供的利用根系分泌物強(qiáng)化濕地耦合系統(tǒng)去除地表水中抗生素的系統(tǒng)及方法，將生物膜電極(B1-film Electrode Reactor, BER)、植物根系分泌物強(qiáng)化產(chǎn)電、及植物根系分泌物強(qiáng)化產(chǎn)電型人工濕地(Root-exudate Constructed WetlandMicrobial Fuel Cell, REX-CWMFC)等多種技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，同現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0024]1、本方法將所述三種技術(shù)有機(jī)聯(lián)合，突出整體效應(yīng)。
[0025]2、本方法較傳統(tǒng)的含抗生素地表水處理工藝相比，電極生物膜池中電化學(xué)耦合微生物的處理模式強(qiáng)化了抗生素的降解效果，利用植物根系分泌物強(qiáng)化產(chǎn)電型人工濕地起深度去除作用，系統(tǒng)整體的去除效果更優(yōu)。
[0026]3、本方法在已有研究成果上，創(chuàng)新地提出了在電極生物膜池與產(chǎn)電型人工濕地兩個(gè)段區(qū)之間增設(shè)根系分泌物生成區(qū)，利用植物根系分泌物強(qiáng)化產(chǎn)電人工濕地的產(chǎn)電性能，并用強(qiáng)化產(chǎn)電型人工濕地所產(chǎn)生的電能為生物膜電極供電。
[0027]4、由于根系分泌物濃度一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于抗生素的環(huán)境濃度，因此非常適于作為一級(jí)基質(zhì)；此外，根系分泌物作為天然來(lái)源的有機(jī)質(zhì)，對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)害，這也是任何其它人為來(lái)源有機(jī)物所無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。
[0028]5、和傳統(tǒng)的人工濕地相比，強(qiáng)化產(chǎn)電型人工濕地引入電化學(xué)強(qiáng)化效果，不僅可產(chǎn)生能量，且對(duì)污染物的去除效果更好。
[0029]6、本系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行費(fèi)用低，適合處理含抗生素的地表水及抗生素廢水。
【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1為本發(fā)明工藝流程圖；
[0031]圖2為本發(fā)明所使用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖3為圖2植物根系分泌物產(chǎn)生區(qū)的1-1視圖；
[0033]圖4為圖2植物根系分泌物產(chǎn)生區(qū)的2-2視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0035]如圖1所示為本發(fā)明工藝流程圖，圖2所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，一種利用植物根系分泌物強(qiáng)化產(chǎn)電型人工濕地與電極生物膜耦合系統(tǒng)去除地表水中抗生素的系統(tǒng)及方法，包括如下步驟:
[0036]a)含抗生素的地表水從BER左側(cè)底部的進(jìn)水口 3進(jìn)入，抗生素在生物膜電極上被初步降解:在BER池中電化學(xué)與微生物的聯(lián)合作用下，在陰極電極表面，抗生素分子結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，從而將抗生素轉(zhuǎn)化成易生物降解的中間產(chǎn)物，得到預(yù)處理水；
[0037]在低壓直流電作用下，BER反應(yīng)池電極上的微生物產(chǎn)生電催化作用，激活或增強(qiáng)某些微生物的生長(zhǎng)及酶的活性，并且在電