一种用于降解新兴污染物的微环境系统及构建方法与流程

本发明涉及一种用于降解新兴污染物的微环境系统及构建方法，属于环境生物技术领域。

背景技术：

新兴污染物(emergingcontaminants，ecs)主要是合成的有机化学品，包括药物、个人护理产品、农药、增塑剂等，污水处理厂污水的排放是新兴污染物进入环境的主要来源。在城市污水、地表水、地下水、饮用水、沉积物及土壤中都有不同的新兴有机物检出，浓度在ng/l～ug/l不等，其中药物及个人护理用品(pharmaceuticalandpersonalcareproducts，ppcps)和农药由于其用途广泛且溶解度高，是水环境中检测频率最高的新兴污染物，如抗生素、抗菌剂、激素、止痛药等。这些物质在环境中的浓度低，不易受到人们关注；但其性质稳定，具有一定的持久性和积累性。

研究表明，持续暴露于某些ppcps的低毒浓度环境中，会导致水生生物的内分泌、发育和表观遗传紊乱，并对人类健康产生直接影响。如环境中残留的抗生素进入土壤后不仅可以通过杀死植物根际微生物来改变土壤微生物的结构和功能，而且还能增加土壤中抗性基因(args)发生的频率和丰度。同时，残留在土壤和水体中的抗生素可通过食物链或饮用水途径进入人体，诱导体内病原体产生抗性，从而降低抗生素治疗疾病的能力。因此，新兴污染物在环境中所产生的环境风险需引起重视。

水生植物可通过吸收、吸附、转化等作用去除污染物，此外，植物的根茎叶可以为微生物提供大量的附着区域，更重要的是水生植物的根系泌氧和根系分泌物会对系统微生物活性、种群多样性以及功能产生影响。植物可以通过根系泌氧向植物根部提供氧气，使根际周围形成不同的好氧、兼氧、厌氧环境，有利于多种微生物的繁殖生长，同时为微生物降解各类污染物质提供适宜的环境条件。而植物健康和衰老组织分解释放的无机离子或小分子有机物是刺激根际微生物繁殖的重要能源和养分，对微生物的代谢和生长发育产生一定的影响，从而强化微生物矿化有机污染物的速度。

人工湿地中也存在少量的甲烷氧化菌，甲烷氧化菌能够以甲烷作为唯一的能源和碳源进行异化和同化代谢，在自然界碳循环和工业生物技术中具有重要的应用价值。甲烷氧化菌在氧化甲烷过程中产生关键酶甲烷单加氧酶(mmo)，分为颗粒性甲烷单加氧酶(pmmo)和可溶性甲烷单加氧酶(smmo)。mmo对有机底物的利用具有广谱性，使得甲烷氧化菌在重金属污染、有机物污染的生物修复中发挥着重要作用。mmo已被证明可以氧化多种有机底物，包括芳香族化合物，即卤代苯、甲苯、苯乙烯以及脂肪族碳氢化合物，最多可氧化8个碳的有机物。也可在共代谢条件下对难降解有机物进行降解，如共代谢降解磺胺甲基噁唑的效率可达90％。甲烷氧化菌methylosinustrichosporiumob3b表达的pmmo被证明可以氧化一系列邻卤代联苯(2-氯、2-溴和2-碘联苯)。

技术实现要素：

针对常规污水处理构筑物对新兴污染物的去除效率低，处理设备运行成本高、环境效益不够显著等问题突出；同时，新兴污染物具有一定的持久性和积累性，不断进入环境带来较高的环境风险，威胁人类健康及生态环境，本发明提出一种用于降解新兴污染物的微环境系统及构建方法，以克服现有技术中的不足。

本发明的技术方案：一种用于降解新兴污染物的微环境系统，包括厌氧折流板反应器、垂直流人工湿地以及水平潜流人工湿地，所述厌氧折流板反应器为双层结构，外层为热水循环区域，内部为反应区域，在反应区域内部填充改性纤维球填料，所述热水循环区域的一侧通过热水循环管与热水循环泵连接，热水循环泵通过热水循环管与恒温水槽的出水口连接，热水循环区域的另一侧通过热水循环管与恒温水槽的进水口连接；反应区域的一侧通过水管依次与进水泵和进水箱连接，反应区域的另一侧通过水管依次与垂直流人工湿地以及水平潜流人工湿地连接；所述垂直流人工湿地根据水流方向分为下行流湿地和上行流湿地，在垂直流人工湿地内部从下至上依次填充有垫层和填料，在填料上部种植有水生植物，在垫层的底部布置有曝气管，所述曝气管通过气体收集管与进气蠕动泵的出口端连接，进气蠕动泵的进口端通过气体收集管与厌氧折流板反应器的反应区域顶部连接；所述水平潜流人工湿地的左右两侧填充有垫层，中间部分填充填料，在填料上栽种有水生植物。

进一步，所述反应区域的顶部连接有气体收集管，在气体收集管上分别安装有阀门和甲烷监测仪。

进一步，所述反应区域内部分为四个反应腔，并在各个反应腔内填充有改性纤维球填料，改性纤维球填料的直径为30～50mm。

进一步，所述填料为砾石，粒径为2～4mm；所述垫层为卵石，粒径为10～15mm。

进一步，所述水生植物的种植密度为0.02～0.03m²/棵，幼苗高度为15～30cm。

同时，本发明还提供一种基于上述用于降解新兴污染物的微环境系统的构建方法，包括以下步骤：

步骤一：向厌氧折流板反应器的反应区域内加入比例为1:3的污泥和废水，同时向垂直流人工湿地以及水平潜流人工湿地中加入比例为1:6污泥和废水，静置2～3天，进行微生物挂膜，厌氧折流板反应器密封，同时对三个反应装置进行遮光处理，避免藻类生长；

步骤二：挂膜阶段结束后，启动进水泵，厌氧折流板反应器正常进水，整个反应装置连续运行的水力停留时间范围为24～72h；经过一段时间的培养，使厌氧折流板反应器内开始产生甲烷，然后启动进气蠕动泵，开始对垂直流人工湿地曝气；曝气方式为，将厌氧折流板反应器产生的甲烷与空气混合成低浓度的甲烷混合气体，再经进气蠕动泵加压送入垂直流人工湿地下行流湿地底部，并通过气体单向阀控制气体流向，进气流量控制在20～50ml/min；同时，通过甲烷监测仪在线检测甲烷浓度；

步骤三：检测水平潜流人工湿地出水的氨氮、cod、总磷及抗生素的浓度，观察系统的稳定性以及对新兴污染物的去除情况；

步骤四：系统运行一段时间后，计算系统对甲烷的消耗量并分析系统对新兴污染物的降解效率，根据实际情况调整进气流量和浓度；

步骤五：系统运行稳定后，观察各个填料表面微生物的生长情况和微生物的形态，观察水生植物根系不同部位微生物的形态，并采用16srrna高通量测序分析微生物种群结构，分析植物根系-甲烷氧化菌微环境系统的构建情况。

上述方法中，系统运行时，启动恒温水槽来控制厌氧折流板反应器的反应温度，使反应温度范围为30～35℃，运行过程中需向恒温水槽内及时补充热水。

上述方法中，所述污泥来自城镇污水处理厂浓缩池，污泥的浓度为8～10g/l。

由于采用上述技术方案，本发明的优点在于：

(1)简单易行，成本低，参数易于控制；

(2)采用厌氧折流板反应器与人工湿地的组合，厌氧折流板反应器具有良好的抗冲击负荷和抗水力负荷的能力，同时具有良好的生物固体截留能力，能实现功能微生物的分区，对有机物的去除效果好；人工湿地基于植物、基质和微生物三要素的协同作用，对新兴污染物具有较高的去除效果，两者结合可充分互补，促进污染物的去除；

(3)各个反应装置内形成好氧、缺氧、厌氧的生物膜系统可培养出不同功能的微生物，从而实现对新兴有机物的降解，而其中的甲烷氧化菌对能量和碳源的需求简单，且能够利用甲烷作为共代谢基质并产生甲烷单加氧酶，甲烷单加氧酶氧化分解新兴污染物，从而实现对新兴污染物的降解；

(4)构建出的植物根系-甲烷氧化菌微环境系统能够充分利用低浓度的甲烷混合气体作为共代谢基质，实现污水中新兴污染物的有效降解。

因此，本发明利用厌氧折流板反应器产生的甲烷与空气形成的低浓度甲烷混合气体，构建人工湿地植物根系-甲烷氧化菌微环境，能够实现对新兴污染物的降解，降低污染物进入环境带来的环境风险，具有显著的经济效益和环境效益。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明实施例中系统连续运行稳定期间常规污染物的去除率示意图；

图3是本发明实施例中系统连续运行稳定期间对新兴污染物抗生素的去除率示意图。

附图标记说明：1-厌氧折流板反应器、2-垂直流人工湿地、3-水平潜流人工湿地、4-进水箱、5-恒温水槽、6-进水泵、7-热水循环泵、8-水管、9-气体收集管、10-热水循环管、11-阀门、12-改性纤维球填料、13-垫层、14-填料、15-水生植物、16-甲烷监测仪、17-进气蠕动泵、18-气体单向阀、19-曝气管。

具体实施方式

为了使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的实施例：用于降解新兴污染物的微环境系统的结构示意图如图1所示，包括厌氧折流板反应器1、垂直流人工湿地2以及水平潜流人工湿地3，所述厌氧折流板反应器1为双层结构，外层为热水循环区域，内部为反应区域，在反应区域内部填充改性纤维球填料12，所述热水循环区域的一侧通过热水循环管10与热水循环泵7连接，热水循环泵7通过热水循环管10与恒温水槽5的出水口连接，热水循环区域的另一侧通过热水循环管10与恒温水槽5的进水口连接；反应区域的一侧通过水管8依次与进水泵6和进水箱4连接，反应区域的另一侧通过水管8依次与垂直流人工湿地2以及水平潜流人工湿地3连接；所述垂直流人工湿地2根据水流方向分为下行流湿地和上行流湿地，在垂直流人工湿地2内部从下至上依次填充有垫层13和填料14，在填料14上部种植有水生植物15，在垫层13的底部布置有曝气管19，所述曝气管19通过气体收集管9与进气蠕动泵17的出口端连接，进气蠕动泵17的进口端通过气体收集管9与厌氧折流板反应器1的反应区域顶部连接，收集厌氧折流板反应器1产生的甲烷(沼气)作为垂直流人工湿地底部曝气来源；所述水平潜流人工湿地3的左右两侧填充有垫层13，中间部分填充填料14，在填料14上栽种有水生植物15。所述反应区域的顶部连接有气体收集管9，在气体收集管9上分别安装有阀门11和甲烷监测仪16，通过甲烷监测仪16检测气体中甲烷浓度，检测后的气体直接从气体收集管9排出系统。所述反应区域内部分为四个反应腔，并在各个反应腔内填充有改性纤维球填料12，改性纤维球填料12的直径为30～50mm。所述填料14为砾石，粒径为2～4mm；所述垫层13为卵石，粒径为10～15mm。所述水生植物15的种植密度为0.02～0.03m²/棵，幼苗高度为15～30cm。

构建上述用于降解新兴污染物的微环境系统时，可以采用以下步骤进行：

步骤一：向厌氧折流板反应器1的反应区域内加入比例为1:3的污泥和废水，同时向垂直流人工湿地2以及水平潜流人工湿地3中加入比例为1:6的污泥和废水，静置2～3天，进行微生物挂膜，厌氧折流板反应器1，同时对三个反应装置进行遮光处理，避免藻类生长；所述污泥和废水来自城镇污水处理厂浓缩池，污泥的浓度为8～10g/l。系统运行时，启动恒温水槽5来控制厌氧折流板反应器1的反应温度，使反应温度范围为30～35℃，运行过程中需向恒温水槽5内及时补充热水；

步骤二：挂膜阶段结束后，启动进水泵6，厌氧折流板反应器1正常进水，整个装置连续运行的水力停留时间范围为24～72h；经过一段时间的培养，使厌氧折流板反应器1内开始产生甲烷，然后启动进气蠕动泵17，开始对垂直流人工湿地2曝气；曝气方式为，将厌氧折流板反应器1产生的甲烷(沼气)与空气混合成低浓度的甲烷混合气体，再经进气蠕动泵17加压送入垂直流人工湿地2下行流湿地底部，并通过气体单向阀18控制气体流向，进气流量控制在20～50ml/min；同时，通过甲烷监测仪16在线检测甲烷浓度；

步骤三：检测水平潜流人工湿地3出水的氨氮、cod、总磷及抗生素的浓度，观察系统的稳定性以及对新兴污染物的去除情况；

步骤四：系统运行一段时间后，计算系统对甲烷的消耗量并分析系统对新兴污染物的降解效率，根据实际情况调整进气流量和浓度；

步骤五：系统运行稳定后，观察各个填料14表面微生物的生长情况和微生物的形态，观察水生植物15根系不同部位微生物的形态，并采用16srrna高通量测序分析微生物种群结构，分析植物根系-甲烷氧化菌微环境系统的构建情况。

本发明的微环境系统具体的操作过程为：

向厌氧折流板反应器1的反应区域内加入比例为1:3的污泥和废水，同时向垂直流人工湿地2以及水平潜流人工湿地3中加入比例为1:6污泥和废水，将厌氧折流板反应器1密封，对三个反应装置用遮光布进行遮光，抑制藻类生长，随后静置3天进行挂膜，使改性纤维球填料12表面形成的兼氧、厌氧的生物环境与废水充分接触以去除简单的有机物，从第4天起开始运行反应装置。装置采取连续运行的方式：打开厌氧折流板反应器1上部的进水阀，废水经进水泵6从厌氧折流板反应器1上部进入，在各个竖流式折流板的作用下以上下折流的方式通过厌氧折流板反应器1，与其内部改性纤维球填料12表面的生物膜充分接触，从厌氧折流板反应器1上部经出水管到达垂直流人工湿地2的下行流湿地。在重力作用下，流经垂直流人工湿地2中的填料14和水生植物15的根系，随后通过底部的穿水孔到垂直流人工湿地2的上行流湿地，经溢水槽溢出至水平潜流人工湿地3的进水槽，废水穿过水平潜流人工湿地3的基质和植物根系到达出水槽，最终排出整个系统。同时，将厌氧折流板反应器1产生的甲烷(沼气)气体与空气进行混合形成低浓度的甲烷混合气体，再通过进气蠕动泵17加压后送入垂直流人工湿地2的下行流湿地，并通过气体单向阀18控制气体流向，对其进行低浓度甲烷混合气体曝气，在植物根系周围驯化培养甲烷氧化菌，从而构建植物根系-甲烷氧化菌微环境，甲烷氧化菌产生的甲烷单加氧酶氧化分解新兴有机物，实现对新兴有机物的降解。另外，将厌氧折流板反应器1收集的甲烷气体经甲烷监测仪16检测其甲烷浓度，随后排出整个系统。最后，收集水平潜流人工湿地3的出水，分析常规污染物和新兴污染物浓度的变化特征，完成一个完整的运行过程。

经实践证明，本发明微环境系统连续运行稳定期间对常规污染物进行处理，参见图2，在进水氨氮浓度为12mg/l、总磷浓度2mg/l和cod浓度为100mg/l情况下，氨氮平均去除率为46.94％，总磷平均去除率为61.53％，cod平均去除率为83.12％。本发明微环境系统连续运行稳定期间对新兴污染物抗生素进行处理，参见图3，在进水磺胺甲基噁唑抗生素浓度20ug/l情况下，磺胺甲基噁唑的平均去除率分别为98.09％。