申请日2018.07.16
公开(公告)日2018.12.18
IPC分类号C02F9/14; C02F103/06
摘要
本发明公开了一种去除并控制渗滤液中抗生素抗性基因和抗性菌的联合处理方法，通过生物、物理、化学联合反应装置，削减实际填埋场渗滤液中的抗生素抗性基因和抗性菌的丰度，并控制其二次传播。使用本发明的技术方法能够实现对渗滤液中抗生素抗性基因和抗性菌的处理，去除率分别可达到约99%和80%以上。本发明联合处理方法技术成熟、可靠性高，对渗滤液中抗生素抗性基因和抗性菌的去除和扩散阻隔效果显著，对降低周边环境风险具有实际应用价值。本发明还公开了一种去除并控制渗滤液中抗生素抗性基因和抗性菌的联合装置。
权利要求书
1.一种去除并控制渗滤液中抗生素抗性基因和抗性菌的联合装置，其特征在于，包括：高浓度膜生物反应器(1)、超滤膜分离单元(2)、紫外杀菌辐射器(3)、基于二氧化钛的高级氧化反应器(4)、流量计(5)和泵(6);其中，
所述高浓度膜生物反应器(1)、所述超滤膜分离单元(2)、所述紫外杀菌辐射器(3)、所述基于二氧化钛的高级氧化反应器(4)依次连通;
所述高浓度膜生物反应器(1)和所述超滤膜分离单元(2)之间、所述超滤膜分离单元(2)和所述紫外杀菌辐射器(3)之间、及所述紫外杀菌辐射器(3)和所述基于二氧化钛的高级氧化反应器(4)之间均设置有所述流量计(5)和所述泵(6)。
2.如权利要求1所述的联合装置，其特征在于，所述高浓度膜生物反应器(1)设置鼓风风机(12)和微孔板式过微孔滤膜(8);其中，所述鼓风风机(12)设置在所述高浓度膜生物反应器(1)内部高度1/2处。
3.如权利要求1所述的联合装置，其特征在于，所述超滤膜分离单元(2)中内置卷式过滤膜(9)，所述卷式过滤膜(9)的孔径为25纳米。
4.如权利要求1所述的联合装置，其特征在于，所述紫外杀菌辐射器(3)内置紫外灯管(10);所述紫外灯管(10)功率为0.15mW/cm2，辐射量为45mJ/cm2;所述紫外灯管(10)发射波长为230至280纳米。
5.权利要求1所述的联合装置，其特征在于，所述基于二氧化钛的高级氧化反应器(4)内置紫外灯管(10)和搅拌器(11);所述紫外灯管(10)功率为0.15mW/cm2，辐射量为45mJ/cm2;所述紫外灯管(10)发射波长为315至370纳米。
6.如权利要求1所述的联合装置，其特征在于，还包括排泥阀(13)、排水阀(14)、渗滤液调节池(15);其中，
所述排泥阀(13)设置在所述高浓度膜生物反应器(1)底部;所述排水阀(14)与所述超滤膜分离单元(2)上的所述流量计(5)连通;所述渗滤液调节池(15)与所述高浓度膜生物反应器(1)连通。
7.一种去除并控制渗滤液中抗生素抗性基因和抗性菌的联合处理方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)利用泵控制液体流量，将垃圾渗滤液泵入如权利要求1所述的联合处理装置中;
(2)然后依次经过高浓度膜生物反应器(1)、超滤膜分离单元(2)、紫外杀菌辐射器(3)、以及基于二氧化钛的高级氧化反应器(4)中处理，最终从高级氧化反应器排出。
8.如权利要求7所述的联合处理方法，其特征在于，所述渗滤液为垃圾填埋中产生的实际垃圾渗滤液，其中，所述渗滤液中含有抗生素抗性基因和抗性菌;所述抗生素抗性基因为磺胺类抗生素抗性基因sulR-ARGs，贝塔内酰胺类抗生素抗性基因blaR-ARGs，大环内酯类抗生素抗性基因MLsR-ARGs;所述抗性菌为磺胺类抗生素抗性菌sulR-ARB、贝塔内酰胺类抗生素抗性菌blaR-ARB、大环内酯类抗生素抗性菌MLsR-ARB。
9.如权利要求7所述的联合处理方法，其特征在于，所述高浓度膜生物反应器(1)采用板式过微孔滤膜分离活性污泥，其中，所述活性污泥的浓度大于8000gMLSS/L。
10.如权利要求1所述的联合处理方法，其特征在于，所述膜生物反应器(2)内氧气含量维持在3～5mg/L。
11.如权利要求7所述的联合处理方法，其特征在于，所述紫外杀菌辐射器(3)中紫外灯管(10)开启反应时长为200-400秒;所述高级氧化反应器(4)中紫外灯管(10)开启反应时长为200-400秒。
说明书
一种去除并控制渗滤液中抗生素抗性基因和抗性菌的联合处理装置及方法
技术领域
本发明属于环境保护污染控制和处理技术领域，涉及一种去除并控制渗滤液中抗生素抗性基因和抗性菌的联合处理装置及方法。
背景技术
目前，抗生素广泛应用于牲畜饲料添加剂、临床抗感染治疗、家用个人护理品等。据统计，世界范围内抗生素的人均使用量为15g/年。大量的科学研究表明，抗生素在使用后，大部分最终以原药形态直接排放于环境中，致使环境中的细菌获得抗生素的抗性(Antibiotic to Resistance，AR)，变为抗性细菌(ARB)，同时也加速了抗性基因(Antibiotic Resistance Genes，ARGs)的传播过程。ARGs和ARB的广泛存在，引起了巨大的生态环境风险、也给人类健康带来了严重威胁。
在我国，由于固体废弃物管理不善，很多抗生素最终随着生活垃圾进入到垃圾填埋场中，使垃圾填埋场成为潜在的抗生素和抗性基因储存库，其中部分残留的抗生素和抗性基因又随着垃圾渗滤液排出填埋场，如若不经妥善处理，这种新型、持久性的环境污染物会对地下水、土壤等造成严重污染，威胁人类的公共健康和环境卫生。此外，ARGs作为一种新兴污染物，针对控制其传播的技术仍严重不足，容易导致ARGs在排放后在受纳的自然环境中进行二次的传播，增加其中ARB的丰度。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明结合传统的生物、物理分离等垃圾渗滤液处理技术，并结合杀菌、灭活等技术，提出一种新的联合处理装置及方法，能够实现垃圾渗滤液中主要ARGs和ARB的高效去除，并有效控制了两者在渗滤液受纳水体中的传播。
本发明技术方法如下：
本发明提出了一种去除并控制渗滤液中抗生素抗性基因和抗性菌的联合处理装置，包括：
高浓度膜生物反应器(MBR)、超滤膜分离单元(UF)、紫外杀菌辐射器(UV)、以及基于二氧化钛(TiO2)的高级氧化反应器(AOP)、流量计和泵。
本发明中，所述高浓度膜生物反应器(MBR)、超滤膜分离单元(UF)、紫外杀菌辐射器(UV)、以及基于二氧化钛(TiO2)的高级氧化反应器(AOP)依次连通。
本发明中，所述高浓度膜生物反应器(MBR)和所述超滤膜分离单元(UF)之间;所述超滤膜分离单元(UF)和所述紫外杀菌辐射器(UV)之间;所述紫外杀菌辐射器(UV)和所述基于二氧化钛(TiO2)的高级氧化反应器(AOP)之间均设置有所述流量计和所述泵。
本发明中，所述高浓度膜生物反应器(MBR)设置微孔板式过微孔滤膜和鼓风风机。
其中，所述供气设施设置在高浓度膜生物反应器(MBR)内部高度1/2处。
本发明中，所述超滤膜分离单元(UF)内置卷式过滤膜。
其中，所述卷式过滤膜的孔径为25纳米。
本发明中，所述紫外辐射器(UV)内置紫外灯管。
其中，所述紫外灯管的功率为0.15mW/cm2，辐射量为45mJ/cm2;所述紫外灯管发射的波长为230至280纳米。
本发明中，所述高级氧化反应器(AOP)内置紫外灯管、搅拌器。
其中，所述紫外灯管的功率为0.15mW/cm2，辐射量为45mJ/cm2;所述紫外灯管发射的波长为315至370纳米。
本发明中所述泵为污水提升泵或出水泵。
进一步地，本发明还包括排泥阀、排水阀和渗滤液调节池。
所述排泥阀设置在所述高浓度膜生物反应器(MBR)底部;所述排水阀与所述超滤膜分离单元(UF)上的所述流量计连通;所述渗滤液调节池与所述高浓度膜生物反应器(MBR)、连通。
所述渗滤液调节池与所述高浓度膜生物反应器(MBR)之间设置有所述流量计和所述泵。
所述污水阀可以是浓水排水阀。
现有渗滤液等其它污水处理装置，虽然有紫外或其它消毒装置，但主要起到针对病原菌的灭活作用，但针对抗生素抗性基因ARGs这类新兴污染物的去除鲜有关注。本研究通过“微滤-超滤”膜分离技术、结合组合处理和杀菌时间的优化，克服了现有污水处理工艺的不足，实现了抗生素抗性基因ARGs的高效去除以及抗性菌ARB的显著削减。此外，该组合工艺通过模拟排放自然水体，证实了工艺对目标污染的传播的高效控制能力，是对目前工艺仅实现“达标排放”的实质性改进。
本发明还提出了一种去除并控制渗滤液中抗生素抗性基因和抗性菌的联合处理方法，将垃圾渗滤液一次泵入上述所述的联合处理装置中，依次经过高浓度膜生物反应器(MBR)、超滤膜分离单元(UF)、紫外杀菌辐射器(UV)、以及基于二氧化钛(TiO2)的高级氧化反应器(AOP)，达到高效去除渗滤液中抗生素抗性基因ARGs和抗性菌ARB目的，实现对两者二次传播的遏制。
本发明中，所述抗性菌指抗性细菌、抗性真菌等。
本发明中，所述渗滤液进水污泥负荷推荐为0.9gCOD/gMLSS·d左右。
本发明中，所述渗滤液为垃圾填埋中产生的实际垃圾渗滤液。
本发明中，所述渗滤液中含有抗生素抗性基因和抗性菌。
其中，所述抗生素抗性基因为磺胺类抗生素抗性基因(sulR-ARGs)，贝塔内酰胺类抗生素抗性基因(blaR-ARGs)，大环内酯类抗生素抗性基因(MLsR-ARGs)。
其中，所述磺胺类抗生素抗性基因(sulR-ARGs)包括sul1-ARGs、sul2-ARGs、sul3-ARGs;优选地，为sul1-ARGs、sul2-ARGs。
所述贝塔内酰胺类抗生素抗性基因(blaR-ARGs)包括blaCTX-M-ARGs、blaOXA-ARGs、blaTEM-ARGs、blaNDM-ARGs、blaSVE-ARGs;优选地，为blaCTX-M-ARGs、blaOXA-ARGs、blaTEM-ARGs。
所述大环内酯类抗生素抗性基因(MLsR-ARGs)包括mefA-ARGs、ermB-ARGs、ermA-ARGs、carA-ARGs;优选地，为mefA-ARGs、ermB-ARGs。
其中，所述抗性菌为磺胺类抗生素抗性菌(sulR-ARB)、贝塔内酰胺类抗生素抗性菌(blaR-ARB)、大环内酯类抗生素抗性菌(MLsR-ARB)。
所述磺胺类抗性细菌包括表现出磺胺类抗性的总细菌;所述贝塔内酰胺类抗性细菌包括表现出贝塔内酰胺类抗性的总细菌;所述大环内酯类抗性细菌包括表现出大环内酯类抗性的总细菌。
本发明中，所述高浓度膜生物反应器(MBR)中的活性污泥浓度大于8000gMLSS/L;优选地，为8500gMLSS/L。
本发明中，所述高浓度膜生物反应器(MBR)内氧气含量维持在3～5mg/L;优选地，为3mg/L。
进一步地，本发明渗滤液经高浓度膜生物反应器(MBR)处理出水，在进入超滤膜分离单元(UF)之前，还包括对液体流量的控制;其中，所述液体流量控制为10m3/h(0.25MPa)。
本发明中，渗滤液经超滤膜分离单元(UF)处理出水进入所述紫外杀菌辐射器(UV)之前，流入液体流量控制为10m3/h;所述紫外杀菌辐射器(UV)中紫外灯管开启反应时长为200-400秒;优选地，为300秒。
本发明中，渗滤液经紫外杀菌辐射器(UV)处理出水进入所述高级氧化反应器(AOP)之前，流入液体流量控制为10m3/h;所述高级氧化反应器(AOP)中紫外灯管开启反应时长为200-400秒;优选地，为300秒。
本发明中，所述高级氧化反应器(AOP)中TiO2的质量纯度为99%，反应时与紫外杀菌辐射器(UV)出水混合搅拌。
本发明中，通过泵将上一级反应器中处理好的渗滤液打入下一个反应器，然后依次打入下一个反应器，流量计记录并控制进水流量，调节水力负荷。
渗滤液污水在流经各反应器后，其中的污染物如有机物，氮、重金属和微生物等，污染指标逐级降低。
本处理方法中，优化时长为工艺的重要创新点。通过调整紫外辐射的时间(200-400秒)，可以实现抗生素抗性基因ARGs和抗性菌ARB的除去，并且最大程度地优化了因紫外灯管照射带来的能耗。
本发明的技术原理在于，有机物的降解是降低微生物活性和增殖的重要途径，渗滤液经高浓度膜生物反应器(MBR)处理去除了渗滤液中的有机碳、氮磷等营养物质;超滤膜分离单元(UF)有效对部分抗性菌ARB和抗生素抗性基因ARGs进行了物理分离、紫外杀菌辐射器(UV)和高级氧化反应器(AOP)进行了基因变性照射和灭菌，有利于实现渗滤液ARGs和ARB含量的削减、并降低其进行传播的能力。本发明通过紫外杀菌辐射器(UV)对抗生素抗性菌进行高效去除，对ARGs的去除约1个数量级(图2)，对ARB的去除约50%左右(图3);通过后续高级氧化反应器(AOP)对抗性基因进行去除，对ARGs的去除约1.5个数量级(图2)，对ARB的去除约85%(图3)。
运用本发明将达到如下有益效果：
(1)通过调控运行条件和参数，垃圾渗滤液中的抗生素抗性基因ARGs与抗性菌ARB就地原位去除，去除率可分别达到99%和80%以上。
(2)在本发明设计的联合反应器中，处理后的渗滤液中抗生素抗性基因ARGs和抗性菌ARB的二次传播基本被遏制，其丰度低于周边水体的丰度，能显著阻隔和减轻对周边环境的生态风险。
