摘要:抗生素作为抗病原细菌的药物,在人和动物疾病的预防治疗等方面发挥着重要作用。多数抗生素在人和动物体内都不能够被完全代谢,会以原形和活性代谢产物的形式排到体外,并经不同途径进入水体环境。人工湿地生态处理技术以投资低,管理简便等优势得到广泛应用,但其对部分抗生素的去除性能较差,并且存在排放温室气体甲烷的环境风险。近年来,微生物燃料电池(MFC)技术得到广泛关注,本研究充分利用人工湿地(CW)天然的氧化还原梯度和其对难降解有机物净化潜能,将微生物燃料电池系统与人工湿地耦合,于垂直流人工湿地中构建了多组以石墨为阴阳极填料的微生物燃料电池型人工湿地(CW-MFC)系统,研究了MFC在增强人工湿地抗生素去除效能并减少其甲烷排放方面的作用。文中分析了各组装置在处理含磺胺嘧啶和环丙沙星两种抗生素人工模拟废水时的运行性能,并通过不同CW-MFC系统间的对比,探讨了各因素对抗生素去除和甲烷排放的影响;此外,还构建了以天然锰矿石为阴阳极填料的CW-MFC系统,考察了天然锰矿石对甲烷排放的削减作用,初步分析了各过程的相关机理。主要研究结论如下: 构建了3组CW-MFC系统和2组CW系统,3组CW-MFC系统分别为以石墨为阴阳极填料的CW-MFC系统、不种植菖蒲的CW-MFC系统以及以天然锰矿石为阴阳极填料的CW-MFC系统,2组CW系统为两种填料CW-MFC系统的开路模式(相当于普通人工湿地),作为试验的对照组,考察了不同构型CW-MFC系统处理含抗生素废水的运行性能。结果表明,在处理含抗生素的废水时,系统能够长期稳定运行,CW-MFC系统对COD和NH4+-N去除效果较好,去除率分别达到90%和50%以上。植物的存在有利于NH4+-N的去除。所构建的天然锰矿石CW-MFC也有较好的污染物净化性能,COD和NH4+-N去除率分别达到了94.00%和54.26%。在产电性能方面,各组CW-MFC系统均能够稳定产电。CW-MFC系统在阴极有无菖蒲存在的情况下,能够分别输出450mV和410mV左右的电压,植物的存在可以显著提高CW-MFC产电。以天然锰矿石为阴阳极填料的CW-MFC系统具有最高的产电电压,稳定输出电压在520mV左右。 在石墨CW-MFC系统中,CW-MFC系统与CW系统对两种抗生素的去除率都超过90%,CW-MFC系统中磺胺嘧啶和环丙沙星的出水浓度均低于CW系统。在天然锰矿石CW-MFC系统中,CW-MFC系统与CW系统对两种抗生素的去除率均大于90%,闭路系统对磺胺嘧啶的去除率比CW系统提高6.20%。天然锰矿石CW-MFC系统对抗生素的去除效果低于石墨CW-MFC系统,相比于石墨CW-MFC,天然锰矿石CW-MFC系统对磺胺嘧啶的去除率降低了8.89%。 通过与CW系统对比,研究了CW-MFC系统对甲烷排放的抑制作用。结果表明,在石墨CW-MFC系统中,CW-MFC系统平均甲烷排放通量减少了15.29%,在天然锰矿石CW-MFC系统中,CW-MFC系统较CW系统甲烷排放量减少了31.00%,闭路系统可以部分减少普通人工湿地的甲烷排放。此外,与石墨CW-MFC系统相比,天然锰矿石CW-MFC甲烷排放量更低,闭路系统平均甲烷排放通量减少了25.42%。 阴极植物菖蒲的存在对于CW-MFC系统去除磺胺嘧啶和环丙沙星无明显的影响,有无植物的CW-MFC系统对于两种抗生素的去除率都在95%以上。在甲烷排放方面,阴极未种植菖蒲的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系统甲烷减排。通过梯度增加进水葡萄糖浓度的方式,研究了进水有机物负荷变化对CW-MFC系统产甲烷的影响。结果表明,当进水葡萄糖浓度从200mg/L增加到300mg/L和400mg/L时,闭路CW-MFC系统中甲烷排放通量随着进水葡萄糖浓度升高而增大。 进水中加入100mg/L的重金属锌后,CW-MFC系统和CW系统的抗生素去除率均降低,两组装置对磺胺嘧啶的去除已没有显著性差异。在甲烷排放方面,重金属锌的存在明显抑制了CW-MFC系统的甲烷排放,CW-MFC减少甲烷排放的作用随时间的增长逐渐减弱。 CW-MFC系统填料上的微生物相分析表明,天然锰矿石的菌种丰富度和多样性较高。不同的填料会对CW-MFC微生物群落结构产生一定的影响,石墨CW-MFC系统和天然锰矿石CW-MFC系统电极附近的填料上均存在产电菌,但天然锰矿石CW-MFC中Geobacter地杆菌属的相对丰度更高。
CW-MFC污水处理中抗生素去除并同步抑制甲烷排放的研究