利用根系分泌物强化湿地耦合系统去除地表水中抗生素的系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于水污染控制与水处理领域，具体涉及一种利用根系分泌物强化湿地耦合系统去除地表水中抗生素的方法。
【背景技术】
[0002]近年来，抗生素在受到广泛青睐的同时，其应用过程中存在的滥用现象却令人担忧，大量具有活性的抗生素排入环境中，不仅造成有机污染，还会提升土著微生物对抗生素的耐药性，对公共卫生安全造成威胁，其环境安全效应越来越受到关注，其去除工艺也成为亟待解决的难题。生物电化学处理法在处理含抗生素废水的应用中，具有高效性、低成本、操作简便、环境清洁友好等特点，具有光明的应用前景。
[0003]生物电化学法作为一种高效的水处理技术成为了当今水处理技术中的热点。与现有的其他抗生素废水处理工艺相比，生物电化学处理可以用于处理抗生素和C0D浓度较高的毒性污水(例如制药厂废水)。有研究表明，运用生物电化学法处理抗生素废水，对蒽环类抗生素及喹诺酮类抗生素都具有较高去除效率。其优势主要表现为以下几个方面:(1)将微生物附着于电极表面形成生物膜，通以一定电流，污染物可在生物和电化学双重作用下得到降解；(2)电解过程中产生的具有强氧化性的.0H有助于打破抗生素中的复杂环状结构，将抗生素降解为简单的易降解的有机物；(3)反应条件容易控制，一般在常温常压下就可完成，且设备简单，可操作性强；(4)可以单独应用也可耦合其他处理工艺单元，使用灵活性强。
[0004]但是，采用生物电化学技术处理抗生素废水消耗大量电能、成本高，这限制了生物电化学在处理抗生素废水领域的大规模应用。
[0005]目前，水污染控制领域的另一研究热点是将微生物产电原理应用到污水处理过程中，利用微生物燃料电池在净化污水的同时收获电能，并在一定程度上为其他工艺单元供电。目前已有不少关于产电型人工湿地的研究与应用。但是，产电型人工湿地的产电功率较低，只能输出低压电流，其主要原因还是产电型人工湿地中的产电菌倾向利用生物易降解有机物，却很难利用难降解有机物，因此产电效果较差。因此，如何提高产电型人工湿地的输出功率，提高其实用化性能还需进一步探索。
[0006]有研究表明，当水生植物种植地非常浅、生长空间非常拥挤时，即对植物根系进行一定程度的空间胁迫，植物根系会产生应激响应，生长的根系将更为密集，所产生根系分泌物将大大增多，而植物根系分泌物中的易降解物质可作为产电共基质，与其他有机物共同作为产电基质被产电菌利用。另外根系分泌物中的环状分子结构有机物可作为共代谢降解机制中的一级基质，促进部分难降解有机物(二级基质)的降解。根系分泌物中的环状分子结构物质有可能在湿地填料生物膜中选择驯化出丰富的具有开环能力的微生物菌群，此类微生物能对具有类似结构的原形分子或中间产物进行生物降解，或者对它们以共代谢方式进行降解。
【发明内容】
[0007]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，针对现有抗生素废水处理技术的缺陷，本发明的目的是提供一种利用根系分泌物强化湿地耦合系统去除地表水中抗生素的系统及方法，充分利用植物根系分泌物来强化CW-MFC的产电性能，并利用CW-MFC产生的电能为BER供电，加强BER对抗生素的降解效果。
[0008]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0009]一种利用根系分泌物强化湿地耦合系统去除地表水中抗生素的系统，包括生物膜电极反应池，和利用植物根系分泌物强化产电型人工湿地的植物根系分泌物生成区、强化产电型人工湿地，所述生物膜电极反应池、植物根系分泌物生成区、强化产电型人工湿地依次连接。
[0010]进一步的，在本发明中，所述生物膜电极反应池内的阴极电极、阳极电极分别通过导线与所述强化产电型人工湿地的阳极电极、阴极电极相连，综合导电性能与成本因素考虑，可选用铜导线。
[0011]进一步的，在本发明中，所述生物膜电极反应池内的电极由碳纤维和钛丝制成，以两根钛丝为骨架，等距的若干碳纤维夹于两根钛丝之间，再由两根钛丝互相绕合缠紧形成刷状电极；其中在阴极刷状电极上驯化生长微生物形成成熟生物膜。
[0012]进一步的，在本发明中，所述植物根系分泌物生成区由上下三层植物生长池搭建而成，种植植物为芦苇，种植密度为20?22株/m2。
[0013]进一步的，在本发明中，所述植物根系分泌物生成区进水口位于顶部左侧，植物根系分泌物生成区出水口位于底部右侧；
[0014]所述植物根系分泌物生成区由上下三层植物生长池搭建而成，左右池壁为垂直方向设置的穿孔板用以进出水；其中，顶层为矩形池，由左侧进水布水，右侧出水并跌流至下一层的进水区；下两层为“回”型槽结构，前后两侧为植物生长区，内侧槽壁作为植物生长池之间的支架，固定于上一层植物生长池的底部构成塔状结构；在上下三层植物生长池的内侧槽壁与外侧槽壁之间固设有多孔的板架。
[0015]进一步的，在本发明中，所述下两层植物生长池的“回”字型植物生长槽结构，其内侧矩形槽壁高于外侧矩形槽壁；对应的穿孔板为两侧接触部分为穿孔，植物生长区不穿孔的局部穿孔板，将“回”字型槽的左右两侧纵槽与前后两侧横槽隔开，分别作为进水区与出水区；所述穿孔板高度不高于内侧槽壁高度，以加强支撑作用以及防止水滴溅出。
[0016]进一步的，在本发明中，所述强化产电型人工湿地的湿地进水口位于左侧底部，湿地出水口位于右侧顶部；强化产电型人工湿地的主体内填充有填料，且从下到上依次设置有阴极、阳极以及湿地植物，种植的湿地植物为蔓生型水生植物，湿地负荷为0.1?
0.2m3.m 2.d i。按照这一低负荷条件运行可保证出水水质达到排放标准。蔓生型水生植物可以为空心菜或/和水芹菜。
[0017]一种利用根系分泌物强化湿地耦合系统去除地表水中抗生素的系统的方法，包括以下步骤:
[0018]a)含有抗生素的地表水流入所述生物膜电极反应池进行初次降解，得到预处理水；
[0019]b)所述预处理水流入所述植物根系分泌物产生区，其中的植物根系分泌出植物根系分泌物，得到二次处理水；
[0020]c)所述二次处理水流入所述强化产电型人工湿地，进行再次降解和产电。
[0021]进一步的，在本发明中，步骤a)中的生物膜电极反应池的停留时间为1?2h ;步骤b)中植物根系分泌物生成区的停留时间为20?30h;步骤c)中在强化产电型人工湿地中的停留时间为24?48h。
[0022]进一步的，在本发明中，所述强化产电型人工湿地的阴、阳电极分别与所述生物膜电极反应池的阳、阴电极相连，并将其所产生的电能反哺供给给生物膜电极反应池。充分利用植物根系分泌物来强化CW-MFC的产电性能，并利用CW-MFC产生的电能为BER供电，加强BER对抗生素的降解效果，去除效果良好，且无需外加能源，是一种低碳化的水处理技术。
[0023]有益效果:本发明提供的利用根系分泌物强化湿地耦合系统去除地表水中抗生素的系统及方法，将生物膜电极(B1-film Electrode Reactor, BER)、植物根系分泌物强化产电、及植物根系分泌物强化产电型人工湿地(Root-exudate Constructed WetlandMicrobial Fuel Cell, REX-CWMFC)等多种技术进行优化组合，同现有技术相比，具有以下优点和有益效果:
[0024]1、本方法将所述三种技术有机联合，突出整体效应。
[0025]2、本方法较传统的含抗生素地表水处理工艺相比，电极生物膜池中电化学耦合微生物的处理模式强化了抗生素的降解效果，利用植物根系分泌物强化产电型人工湿地起深度去除作用，系统整体的去除效果更优。
[0026]3、本方法在已有研究成果上，创新地提出了在电极生物膜池与产电型人工湿地两个段区之间增设根系分泌物生成区，利用植物根系分泌物强化产电人工湿地的产电性能，并用强化产电型人工湿地所产生的电能为生物膜电极供电。
[0027]4、由于根系分泌物浓度一般远远高于抗生素的环境浓度，因此非常适于作为一级基质；此外，根系分泌物作为天然来源的有机质，对生态环境无害，这也是任何其它人为来源有机物所无可比拟的优势。
[0028]5、和传统的人工湿地相比，强化产电型人工湿地引入电化学强化效果，不仅可产生能量，且对污染物的去除效果更好。
[0029]6、本系统操作简单，运行费用低，适合处理含抗生素的地表水及抗生素废水。
【附图说明】
[0030]图1为本发明工艺流程图；
[0031]图2为本发明所使用的系统结构示意图；
[0032]图3为图2植物根系分泌物产生区的1-1视图；
[0033]图4为图2植物根系分泌物产生区的2-2视图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0035]如图1所示为本发明工艺流程图，图2所示为系统结构示意图，一种利用植物根系分泌物强化产电型人工湿地与电极生物膜耦合系统去除地表水中抗生素的系统及方法，包括如下步骤:
[0036]a)含抗生素的地表水从BER左侧底部的进水口 3进入，抗生素在生物膜电极上被初步降解:在BER池中电化学与微生物的联合作用下，在阴极电极表面，抗生素分子结构中的关键化学键发生断裂，从而将抗生素转化成易生物降解的中间产物，得到预处理水；
[0037]在低压直流电作用下，BER反应池电极上的微生物产生电催化作用，激活或增强某些微生物的生长及酶的活性，并且在电