强化人工湿地中微生物对典型PPCPs的降解研究

发布时间：2020-08-20 12:28

【摘要】：近年来,由于药品及个人护理品(PPCPs)的大量使用,在我国河流、湖泊等自然水体中广泛存在,其含量处于ng/L~μg/L。虽然PPCPs在水环境中含量较低,但是由于传统污水处理厂对此类污染物的去除效果有限,使得PPCPs随着污水厂尾水持续性的进入水环境当中,在水环境中积累呈现出一种“伪持久性”现象,而人或动物长期暴露于含有PPCPs的水环境当中会对人或动物的健康产生潜在威胁,人工湿地作为一种生态的污水处理措施,现有研究表明其对大部分PPCPs具有良好的去除效果。由于城市快速发展,国内城市水资源越来越紧缺,为了响应海绵城市的建设,通过人工湿地净化雨水径流,以达到雨水回用的目的,但是由于雨水对城市道路以及农田土壤的冲刷,会导致雨水径流中存在各种污染物,其中PPCPs也会随着雨水冲刷进入雨水径流当中,在人工湿地净化雨水径流时需要关注人工湿地对PPCPs去除效果。本文选取两种典型磺胺类抗生素磺胺甲恶唑(SMX)和磺胺嘧啶(SDZ)以及一种喹诺酮类抗生素环丙沙星(CIP)作为目标PPCPs,以研究水平潜流人工湿地处理雨水径流中的PPCPs效果,并通过富集、驯化、纯化以及鉴定获取三种PPCPs降解菌,以筛选出的降解菌进行优化构建复合菌群,对人工湿地中微生物进行生物强化提升降解PPCPs效果。并探究复合菌群强化人工湿地去除PPCPs原理,以期能够为实际工程中应用生物强化人工湿地去除雨水径流中PPCPs提供参考。本文主要研究内容如下:(1)通过人工配水模拟北京市雨水径流水质作为人工湿地进水启动人工湿地,其中SMX、SDZ以及CIP三种PPCPs浓度为100μg/L。人工湿地运行45d后各项污染物去除效果稳定,对SMX、SDZ以及CIP去除效果分别为74.24%、64.70%以及51.53%。在运行稳定的人工湿地表层5~10cm处取基质,通过富集、驯化、纯化以及筛分获得6株PPCPs降解菌,命名为J-2~J-7,其中J-2与J-5为SMX降解菌,J-3与J-6为SDZ降解菌,J-4为CIP降解菌,而J-7对SDZ以及CIP均有良好降解效果。通过6株降解菌的形态特征以及其中生理生化特征,初步鉴定J-4以及J-7为变形菌属(Proteus),J-2与J-5为假单胞菌属(Pseudomonas),J-3与J-6为芽孢杆菌属(Bacillus)。(2)通过微生物拮抗实验产生的抗菌环直径大小来确定降解同种PPCPs降解组合,发现当以J-2与J-5组合作为降解SMX混合菌、J-3、J-6与J-7组合作为降解SDZ混合菌以及J-4与J-7组合作为降解CIP混合菌时,抗菌环最小。并将三种混合菌通过不同比例复配构建复合菌群,在SMX混合菌:SDZ混合菌:CIP混合菌比例为2:1:1时,复合菌群对三种PPCPs去除效果最佳,并控制不同p H、温度以及接种量探究复合菌群最佳降解条件,发现在p H=7、温度为35℃以及接种量为1.5%时,复合菌群对三种PPCPs降解效果达到最大,SMX、SDZ以及CIP降解率分别为67.4%、47.6%以及50.8%。(3)以最佳接种量1.5%,投加复合菌群进入2#人工湿地,经过复合菌群强化后的2#人工湿地在HRT=48h时,对SMX、SDZ以及CIP去除率分别提升了8.88%、3.88%以及6.68%,通过控制不同人工湿地HRT=12h、24h、36h以及48h,发现2#人工湿地对SMX以及SDZ降解效果先增大后减少,在36h时降解效果达到最大,对SMX以及SDZ去除率别为86.34%和76.36%。CIP去除效果随着人工湿地HRT增大逐渐升高,在48h时具有最大去除率57.72%,在此HRT下,人工湿地对SMX以及SDZ去除率分别下降了6.71%以及9.70%,而且还导致人工湿地日污水处理量下降。当HRT由48h缩短至36h,虽然使得CIP去除率下降,但仅下降了2.38%,综合考虑水力停留时间对去除率以及日污水处理量的影响,最终确定最佳HRT=36h。(4)经过复合菌群强化后2#人工湿地中细菌、真菌以及放线菌数量以及土壤酶活性出现了显著变化,人工湿地中上层、中层以及下层中细菌数量均提升了1~2个数量级,放线菌数量最大提升了1.08、1.06以及1.87倍,真菌数量逐渐减少,表明人工湿地逐渐由真菌性湿地转化为细菌型湿地,处理效果得到改善,在上层、中层以及下层中分别减少了36.18%、13.60%以及10.14%。POD、DHA、PPO以及UR活性也得到明显提升,在上层基质中均表现出最为显著提升效果。在上层基质3个取样位置中POD活性分别提升了100.0%、75.0%以及64.0%,DHA活性分别提升了100.0%、84.0%以及96.8%,PPO活性分别提升了207.1%、166.7%以及139.4%,UR活性分别提升了38.14%、33.38%以及36.77%。表明复合菌群投加到人工湿地后,主要提升了上层基质中微生物活性。(5)通过相关关系分析,发现细菌数量变化均对SMX、SDZ以及CIP降解有着显著影响,而真菌数量以及放线菌数量变化与SMX和SDZ去除率变化之间没有显著联系,而真菌数量变化与CIP有着较弱的负相关关系。SMX去除率变化与POD活性以及UR活性变化呈现出显著的正相关关系,SDZ去除率变化与POD活性变化量呈现显著正相关关系,而UR以及PPO活性均对CIP降解有着正相关关系。
【学位授予单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703;X172
【图文】：

表面流,湿地,流人,溶解氧

第 1 章绪论作为深度处理设施，但由于湿地基质附着面积较小，限制了湿地系，导致需要更大的水面面积用于 PPCPs 降解，而且表面流人工湿地为敏感，夏季和冬季气候与温度相差较大，湿地对 PPCPs 降解效果夏季时温度最适宜植物与微生物生长，湿地对 PPCPs 降解大部分，而在冬季温度较低时，湿地系统保温性能差，植物和微生物生长PCPs 的去除效果受到影响。湿地系统中的溶解氧也是限制微生物流人工湿地的溶解氧主要来自水面大气复氧、藻类光合作用以及氧量十分有限，不足以提供足够溶解氧用于常见污水污染物负荷而且在表面流人工湿地运行期间，更容易滋长蚊蝇，产生恶臭。

湿地,流人,双氯芬酸,城市污水处理

图 1-2 水平潜流人工湿地结构Fig.1-2 Horizontal subsurface flow constructed wetland structure潜流人工湿地人工湿地中污水通过布水管道均匀的从人工湿地表面或底部垂直湿地以及水平潜流人工湿地，克服供氧不足的缺陷，通过不同基面流人工湿地以及水平潜流人工湿地应用于城市污水处理最大的，而垂直潜流人工湿地处理效率高，在有氧条件下运行并且需要垂直潜流人工湿地的水力停留时间（HRT）是几个小时而不是水几天[39]，因此，垂直潜流人工湿地更适用于处理人口较多区域所潜流人工湿地对 PPCPs 降解更为有效，Matamoros 等[40]研究 13工湿地中去除效果，发现布洛芬、双氯芬酸在垂直人工湿地中去，而在水平潜流人工湿地中对二者去除率分别为 71%和 15%，这过程对 PPCPs 的降解更占优势[41]。但是垂直潜流人工湿地运行管现象，主要由于不可滤物质积累导致，而且在布水口周围单位基其他位置高[42]。

湿地,流人,双氯芬酸,城市污水处理

图 1-2 水平潜流人工湿地结构Fig.1-2 Horizontal subsurface flow constructed wetland structure直潜流人工湿地流人工湿地中污水通过布水管道均匀的从人工湿地表面或底部垂工湿地以及水平潜流人工湿地，克服供氧不足的缺陷，通过不同表面流人工湿地以及水平潜流人工湿地应用于城市污水处理最大积，而垂直潜流人工湿地处理效率高，在有氧条件下运行并且需且垂直潜流人工湿地的水力停留时间（HRT）是几个小时而不是的几天[39]，因此，垂直潜流人工湿地更适用于处理人口较多区域直潜流人工湿地对 PPCPs 降解更为有效，Matamoros 等[40]研究 1人工湿地中去除效果，发现布洛芬、双氯芬酸在垂直人工湿地中3%，而在水平潜流人工湿地中对二者去除率分别为 71%和 15%，氧过程对 PPCPs 的降解更占优势[41]。但是垂直潜流人工湿地运行塞现象，主要由于不可滤物质积累导致，而且在布水口周围单位较其他位置高[42]。

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