申请日2016.12.13
公开(公告)日2017.05.24
IPC分类号C02F3/12; C02F3/30; C02F3/34; C02F9/14; C02F103/34
摘要
本发明涉及一种去除污水中抗生素抗性基因的方法，属于污水净化处理技术领域。本发明考察了膜面污染物组分与抗生素抗性基因的关联性，采用生物处理和膜技术联合工艺，将生物处理、膜技术与膜面污染物吸附截留作用有机耦合，确定并优化了膜生物反应器生物过程的调控和运行参数，确定了膜面有机污染物对强化去除污水中抗生素抗性基因所需的最佳浓度，使污水中抗生素抗性基因的去除率高达93.7%。无需额外投加化学药剂，降低了二次污染，节省了运行管理费用，满足了经济、社会和环境可持续发展的重大需求，工艺简洁合理，符合污水深度处理与回用的工业化应用需求，为控制污水中抗生素抗性基因的传播提供了一种科学可靠的新技术。
权利要求书
1.一种去除污水中抗生素抗性基因的方法，其特征在于：
A，构建缺氧/好氧-膜生物反应器，向缺氧/好氧-膜生物反应器接种城市污水处理厂曝气池中活性污泥，采用人工配制模拟城市污水进水,使城市污水进水中的待测抗生素抗性基因相对丰度为1.11copies/16S RNA，启动缺氧/好氧-膜生物反应器运行;
上述步骤A中的构建缺氧/好氧-膜生物反应器，其中，缺氧/好氧-膜生物反应器中缺氧区有效容积：好氧区有效容积=2：1;好氧区内的膜组件使用孔径为0.1μm的聚偏氟乙烯平板膜，采用浸没式运行方式，膜组件下方设置底部穿孔曝气管，膜组件中部位置设置微孔曝气头构成供氧方式，控制曝气的气：水=50：1;使用蠕动泵作为抽吸动力，将待处理污水从膜的两侧跨膜抽吸进入膜内部，膜过滤后出水通过真空压力表以恒定流量和间歇循环方式出水，每一个间歇循环为过滤10min，停歇2min;在出水前增加真空压力表;
上述步骤A中的接种城市污水处理厂曝气池中活性污泥中MLSS为4.8g/L，VSS为3.70g/L，SVI为162.5mL/g，DO为6.4～6.5mg/L，pH为3.5～4.5，温度为25±1℃;
上述步骤A中的进水采用人工配制模拟城市污水，是以乙酸钠为碳源，氯化铵为氮源，磷酸二氢钾为磷源，控制COD为350～400mg/L、总氮为30～50mg/L、总磷浓度为10mg/L，人工模拟污水具体组分：780mg/L CH3COONa，230mg/L NH4Cl，43mg/L KH2PO4，8mg/L FeSO4，102mg/L MgSO4，42mg/L CaCl2和0.5mL/L微量元素液;其中，每升微量元素液中含有0.2gH3BO3，0.2g CoCl2·6H2O，0.06g CuSO4·5H2O，2g FeCl3·6H2O，0.22g MnCl2·2H2O，0.2gZnSO4·7H2O，0.06g KI，0.12g NiCl2;人工配置污水中ARGs丰度平均为1.26×108copies/mL;
B，定期检测系统的污染物去除率，调整运行参数，稳定运行状态，控制膜通量为15L/m2/h，污泥停留时间设为60d，水力停留时间设为6h，好氧区膜生物反应器悬浮固体浓度MLSS为8～12g/L，活性污泥从好氧区至缺氧区内回流比为250～300%，反应运行温度控制在25±1℃，缺氧区搅拌转速为200～250r/min;当真空压力表压差到达40kPa时，关闭蠕动泵停止进水，作为一个过滤周期，将膜组件换洗，先进行物理清洗，再用0.5%NaClO进行化学清洗，得到膜面污染物;
C，检测膜面污染物组分，其中细菌溶解性微生物代谢产物组分浓度为20～35mg/m2，细菌胞外聚合物组分浓度为150～300mg/m2时，既能保证膜生物反应器较高的出水流量，同时也能达到强化抗生素抗性基因吸附拦截的效果，出水中抗生素抗性基因丰度下降2～5个数量级，抗生素抗性基因去除率高达93.7%。
说明书
一种去除污水中抗生素抗性基因的方法
技术领域
本发明涉及一种去除污水中抗生素抗性基因的方法。属于污水净化处理技术领域。
背景技术
目前，抗生素在医疗、养殖及制药等行业中的滥用不断加重，导致了细菌对抗生素产生抗性，为细菌性疾病的防控和治疗带来极大困难。抗生素抗性基因(Antibioticresistance genes,ARGs)作为一种新型环境污染物，是细菌获得抗性的重要因素之一，ARGs的产生主要来自基因的诱导突变和水平转移。环境中的诱变剂如抗生素、重金属等会诱导细菌突变产生ARGs，这类获得抗性的抗性细菌将在不同环境介质间进行增殖和传播。抗性细菌所携带的ARGs通过转化、转导和接合等基因的水平转移作用，与质粒、转座子、整合子、嵌合基因等可移动基因元件结合，从而在种内、种间传播扩散。ARGs具有可迁移性和持久存在性，在环境中难以被降解和去除，而ARGs进入食物链后会借助微生物作为载体，在食物链不同层级间转移扩增，对宿主生物造成潜在危害。污水处理系统是ARGs进入自然环境的主要途径和潜在存储库。有效去除污水中ARGs是实现污水再生回用的关键问题，污水再生回用是全球范围内水资源持续利用重要策略。在控制抗生素抗性传播，和避免抗生素抗性的潜在生态风险方面发挥重要作用。
我国是抗生素生产和使用大国，抗生素生产、医院、养殖产生的废水和市政污水中ARGs检出丰度较高，现有城镇污水处理厂多采用传统活性污泥法等传统污水处理技术，其处理目标主要定位于碳氮磷等常规污染物的去除，对污水中ARGs的去除能力十分有限，部分种类的ARGs检出率、丰度和多样性甚至有所升高。在污水处理厂中未能去除的ARGs通过出水排放进入受纳水体，我国不同水体和水环境中已检出了较高浓度ARGs。
现有去除污水中ARGs的技术主要包括：基于紫外和氯化的消毒技术，通过投加铝盐和铁盐实现的混凝沉淀技术，混凝沉淀与消毒联合处理，以及一些流程复杂的复合处理技术(包括“混凝沉淀-生化处理-过氧乙酸消毒-高压CO2消毒-纳米二氧化钛催化-沉淀”和“格栅过滤-沉淀分离-Fenton氧化-UV/H2O2氧化-消毒”等)。这些现有技术都需要增设大量水处理单元、设备，并需投加大量化学药剂，极大地增加了处理成本、占地面积和运行管理难度;同时，当进水的水量和水质波动较大时，如未及时调整消毒剂的剂量或者混凝剂的投加量，处理流程的出水存在ARGs泄露风险;另外，为达到较好的ARGs去除效果而向污水厂二级出水中过多投加化学药剂，将会对收纳水体造成二次污染。
发明内容
本发明的目的是提供一种处理效果好、运行简便稳定的去除污水中抗生素抗性基因工艺。用该方法解决了目前污水净化处理工艺对于ARGs去除存在的处理效果欠佳、处理成本高、运行管理复杂等难题。
为了达到上述目的，本发明通过对现有污水厂的调查，发现膜生物反应器(MBR)较长的固体停留时间和较高的活性污泥浓度等特点，都十分有助于处理难降解污染物。此外膜组件的膜截留作用和膜污染物的吸附作用能有效拦截小分子污染物。本发明采用生物处理和膜技术联合工艺去除污水中ARGs，通过优化调控MBR生物过程和运行参数，达到较好的ARGs去除效果。
本发明具体步骤如下：
A，构建缺氧/好氧-膜生物反应器(A/O-MBR)，向缺氧/好氧-膜生物反应器(A/O-MBR)接种城市污水处理厂曝气池中活性污泥后，采用人工配制模拟城市污水进水中待测ARGs相对丰度为1.11拷贝数/16S rRNA序列条数，启动缺氧/好氧-膜生物反应器运行;
上述步骤A中的构建缺氧/好氧-膜生物反应器(A/O-MBR)，缺氧/好氧-膜生物反应器中缺氧区和好氧区的有效容积之比为2：1;在A/O-MBR系统出水泵前增加真空压力表;好氧区内的膜组件使用孔径为0.1μm的聚偏氟乙烯平板膜，采用浸没式运行方式，膜组件下方设置底部穿孔曝气管，膜组件中部位置设置微孔曝气头构成供氧方式，控制曝气的气：水=50：1;使用蠕动泵作为抽吸动力将待处理污水从膜的两侧跨膜抽吸进入膜内部，膜过滤后出水通过真空压力表以恒定膜通量和间歇循环方式出水，每一个间歇循环为过滤10min，停歇2min;
上述步骤A中的接种污泥取自上海市曲阳污水处理厂曝气池，接种污泥MLSS(g/L)为4.8，VSS(g/L)为3.70，SVI(mL/g)为162.5，DO(mg/L)为6.4～6.5，pH为3.5～4.5，温度(℃)为25±1;
上述步骤A中的进水采用人工配制模拟城市污水，以乙酸钠为碳源，氯化铵为氮源，磷酸二氢钾为磷源，控制COD为350～400mg/L、总氮为30～50mg/L、总磷浓度为10mg/L，人工模拟污水具体组分：780mg/L CH3COONa，230mg/L NH4Cl，43mg/L KH2PO4，8mg/L FeSO4，102mg/L MgSO4，42mg/L CaCl2和0.5mL/L微量元素液(每升微量元素液中含有0.2g H3BO3，0.2g CoCl2·6H2O，0.06g CuSO4·5H2O，2g FeCl3·6H2O，0.22g MnCl2·2H2O，0.2g ZnSO4·7H2O，0.06g KI，0.12g NiCl2);人工配置污水中ARGs丰度平均为1.26×108拷贝数/mL。
B，定期检测系统的污染物去除率，调整运行参数，稳定A/O-MBR运行状态，控制膜通量为15L/m2/h，污泥停留时间设为60d，水力停留时间设为6h，好氧区MBR池悬浮固体浓度MLSS为8～12g/L，活性污泥从好氧区至缺氧区内回流比为250～300%，反应运行温度控制在25±1℃，缺氧区搅拌转速为200～250r/min;当真空压力表压差到达40kPa时，关闭蠕动泵停止进水，作为一个过滤周期，将膜组件换洗，先进行物理清洗，再用0.5%NaClO进行化学清洗，减小膜面污染物浓度;
C，检测膜面污染物组分，其中细菌溶解性微生物代谢产物(Soluble MicrobialProducts，SMP)组分浓度为20～35mg/m2，细菌胞外聚合物(Extracellular PolymericSubstances，EPS)组分浓度为150～300mg/m2时，既能保证膜生物反应器较高的出水流量，同时也能达到强化ARGs吸附拦截的效果，出水中ARGs丰度下降2～5个数量级，ARGs去除率高达93.7%;
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过将膜技术和生物处理技术结合，使污水中的ARGs一方面能够被MBR中活性污泥吸附降解，另一方面，MBR膜面适量污染物能够较好地吸附并拦截ARGs，避免小分子胞外游离ARGs穿透膜孔泄露于出水中，可有效去除污水中ARGs污染，避免受纳水体的ARGs污染;
(2)本发明通过检测MBR膜面污染物中各组分的浓度，确定了膜面有机污染物对强化去除污水中ARGs所需的最佳浓度，较好保证了ARGs去除效果，弥补了传统活性污泥法出水中存在较高ARGs泄露风险的不足，避免了现有高级处理工艺的流程复杂、化学药剂投量大、运行管理复杂等弊端;
(3)本发明整个工艺流程操作运行简单，易于实现，且自动化程度高，便于工业化应用，相比于现有ARGs去除工艺，本发明在处理流程的运行管理方面更加便捷高效，且无需额外投加化学药剂，降低了污水处理过程中的二次污染，且有效节省了运行管理费用。
(4)该方法重点处理新型环境污染物ARGs，符合污水深度处理与回用的需求，符合促进经济、社会和环境可持续发展的国家重大需求，利用膜生物反应器技术在污水处理中的应用有效去除污水中ARGs，为污水深度处理和水质安全保障提供理论支持和技术保障。