一种用于处理高浓度抗生素废水的厌氧电化学膜生物反应器

技术领域

本发明涉及一种用于处理高浓度抗生素废水的厌氧电化学膜生物反应器，属于污水处理技术领域。

背景技术

由于抗生素在医药行业、养殖行业及农业中的大量广泛使用，已经造成了全球范围内的抗生素污染情况。含有抗生素的废水排放到环境中，由于抗生素的抑菌效果势必会破坏接纳环境中的微生物结构。同时抗生素还会为微生物提供选择压力，导致抗生素抗性菌的富集，促进抗生素抗性基因的传播。因此抗生素废水在排放到环境前需要被谨慎处理。然而目前传统的活性污泥法对抗生素以及抗性基因的去除效率都较差，难以保证废水的安全排放。

相对于活性污泥法，厌氧膜生物处理工艺具有众多优势，比如对难降解污染物具有更强的去除能力、具有更强的毒性物质耐受能力、可以将废水中的有机物转换成甲烷实现能源回收、产生极少的剩余污泥降低污泥处置成本等，是一种生态友好、经济效益高的新型废水处理工艺。但是厌氧膜生物处理工艺仍存在一些待解决的问题，例如膜污染严重、对高浓度抗生素废水处理效果差、抗生素抗性基因相对丰度去除率低等问题。

生物电化学系统通过电化学氧化电位增强微生物代谢，可以显著提高微生物对难降解有机污染物的去除能力，但受限于其出水水质较差问题，生物电化学系统难以直接应用在实际废水处理系统中。而厌氧膜生物反应器通过膜截留可以实现高出水水质排放。因此，将厌氧膜生物技术和生物电化学系统有效结合，用于处理高浓度抗生素废水，具有重要意义。

发明内容

本发明提供了一种用于处理高浓度抗生素废水的厌氧电化学膜生物反应器，旨在通过将厌氧膜生物技术与生物电化学系统结合，实现对高浓度抗生素废水的高效去除和反应器的稳定运行，降低抗生素抗性基因的传播风险，同时通过回收甲烷实现废水的资源化，并降低厌氧膜生物反应器的膜污染速率和运行成本。

本发明为解决技术问题，所采取的技术方案为：

一种用于处理高浓度抗生素废水的厌氧电化学膜生物反应器，其特点在于：所述厌氧电化学膜生物反应器由厌氧膜生物技术和生物电化学系统结合得到；

所述厌氧电化学膜生物反应器包括反应器本体，在所述反应器本体的底部设置有进水口(进水口和进水管相接，通过蠕动泵将进水通入反应器底部)、顶部设置有气体采集口和出水口；在所述反应器本体内，下部分区域为生物区、上部分区域为膜分离区；

在所述生物区固定有作为阳极的导电碳刷、并接种有厌氧污泥；

在所述膜分离区固定有作为阴极的膜组件，所述膜组件由两片间隔且平行排布的不锈钢钢丝网和固定两片不锈钢钢丝网的膜框架(由有机玻璃制成)组成，所述膜组件内部为空腔结构；

设置电化学工作站，所述电化学工作站通过电线连接阴极和阳极，为系统提供电压。

所述膜组件上设置有开口，所述开口通过管道连接出水口。出水通过蠕动泵连接出水管从出水口抽出。

在所述反应器本体的侧壁上，位于膜分离区的上方，还设置有悬浊液采集口。未经膜组件处理的悬浊液可通过蠕动泵连接出水管从悬浊液采集口抽出。通过对比未经膜组件处理的悬浊液和膜后出水的差异可以探究膜过滤对出水水质提高的效果。

所述碳刷是将导电碳纤维通过金属导电支撑物固定而制成。所述导电碳纤维具有高比表面积(400-600m

所述膜组件中的不锈钢钢丝网的孔径为1-20μm。膜组件可以将悬浊液中污泥絮体截留在钢丝网上，同时后期膜污染形成的滤饼层可以增强膜过滤能力。

本发明的厌氧电化学膜生物反应器用于处理污水的运行过程为：将导电碳刷与电化学工作站的正极相连，膜组件上不锈钢钢丝网与电化学工作站的负极相连，通过电化学工作站为该系统施加-1V～1V电压，既可通过电化学氧化还原反应增强微生物代谢能力同时富集抗生素降解菌，又可以通过电极排斥的作用降低膜污染速率。运行方式为：通过蠕动泵将待处理的高浓度抗生素废水从反应器底部进水口以升流式通入反应器内，先进入由导电碳刷截留厌氧污泥形成的厌氧生物区，经过微生物处理后，所形成的悬浊液继续向上进入膜过滤区的膜组件，经过膜组件过滤后，从出水口被蠕动泵抽出，产生的气体从反应器顶部的气体收集口收集，本工艺污泥产量极低，运行过程中不排泥，污水停留时间为8-20小时。

本发明的有益效果体现在：

本发明利用厌氧膜生物技术和生物电化学系统的结合，利用电化学氧化还原作用增强了厌氧微生物的代谢作用并富集了抗生素降解菌，从而提高了厌氧污泥对高浓度抗生素的去除能力，降低了抗生素抗性的选择压，实现了废水中抗生素抗性基因的削减；利用电场作用富集产甲烷古菌并强化微生物种间电子传递，增强了对污染物的去除效率，提高了甲烷产量，保障了厌氧电化学膜生物反应器的运行稳定性，有效回收能源；通过电极排斥实现膜污染物的缓解，同时提高出水水质，保证出水安全排放。本发明具有应用前景广泛、构建成本低、操作简单的优势，可以实现对高浓度抗生素废水的稳定去除并控制抗生素抗性基因的传播风险。具体的：

(1)反应器底部碳刷具有高比表面积，可以为微生物提供载体，降低反应器悬浊液中污泥含量，减缓膜污染的生成；同时导电性能优异的碳纤维材料可以促进微生物之间电子转移速率，促进污染物降解效率。

(2)在厌氧膜生物反应器中引入生物电化学系统有多重作用：一可以通过电化学氧化还原反应增强微生物的代谢活性，提高其对抗生素的去除能力和耐受能力；二可以通过电场排斥作用，减少带负电荷的微生物和有机质在膜表面的累积，减缓膜污染；三可以通过电场作用增强种间电子传递，促进甲烷产率，有效回收能源；四可以富集抗生素降解菌并增强污泥中基因的水平转移，促进抗生素降解基因在污泥中的增殖，提高厌氧污泥对抗生素的耐受能力，保证了反应器在处理高浓度抗生素废水时的稳定运行。

(3)通过生物电化学系统降低厌氧反应器内抗生素浓度，降低废水中抗生素抗性基因的选择压，达到降低反应器出水中抗生素抗性基因丰度的目的，降低了抗生素抗性基因在环境中传播的风险。

附图说明

图1为本发明的厌氧电化学膜生物反应器的示意图。

图2为厌氧电化学膜生物反应器处理含有2.5-45mg/L氯四环素废水时的COD去除情况。

图3为厌氧电化学膜生物反应器处理含有2.5-45mg/L氯四环素废水时的产甲烷情况。

图4为厌氧电化学膜生物反应器对2.5-45mg/L氯四环素的去除情况。

图5为厌氧电化学膜生物反应器处理2.5-45mg/L氯四环素时出水中抗生素抗性基因丰度变化情况。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。以下内容仅仅是对本发明的构思所做的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施案例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式代替，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

实施例1：利用厌氧电化学膜生物反应器处理含有不同浓度氯四环素的废水

本实施例的厌氧电化学膜生物反应器的反应器本体为圆筒状有机玻璃，反应器工作体积为2.4L。反应器采用循环水浴保证反应器内部温度为35±1℃。反应器的结构如图1所示。

反应器本体的底部设置有进水口、顶部设置有气体采集口和出水口；在反应器本体内，下部分区域为生物区、上部分区域为膜分离区。在生物区固定有作为阳极的导电碳刷、并填充有厌氧污泥，接种污泥浓度为4g/L。在膜分离区固定有作为阴极的膜组件，膜组件由两片间隔且平行排布的不锈钢钢丝网(孔径约为15μm)和固定两片不锈钢钢丝网的有机玻璃膜框架组成，膜组件内部为空腔结构。膜组件上设置有开口，开口通过管道连接出水口。在反应器本体的侧壁上，位于膜分离区的上方，还设置有悬浊液采集口。将导电碳刷与电化学工作站的正极相连，膜组件上不锈钢钢丝网与电化学工作站的负极相连，通过电化学工作站为该系统施加电压。

厌氧电化学膜生物反应器的工作流程为：

(1)将导电碳刷固定在反应器底部后，将厌氧污泥颗粒投加在反应器中，然后逐步注入模拟污水至2.4L，此过程控制污泥浓度为4g/L，厌氧颗粒污泥主要被截留在底部的碳刷上，保证了底部高污泥浓度及降低反应器悬浊液中微生物量；

(2)含有不同浓度抗生素的废水通过进水蠕动泵从反应器底部进入生物区；

(3)厌氧反应器中，利用厌氧微生物的降解能力分解废水中COD并去除废水中抗生素，在此过程中同时产生沼气，游离的沼气在反应器顶部空间富集从顶部气体收集口排出；

(4)废水经过生物区厌氧微生物处理后，进入到膜过滤区，通过不锈钢钢丝网膜过滤后，从出水口由蠕动泵抽出。

含有氯四环素的废水从反应器底部的进水口由蠕动泵输入反应器当中，首先经过生物区中的截留在碳刷上的厌氧污泥反应，然后进入到膜过滤区，经过膜过滤后从出水口被蠕动泵抽出。反应器第I阶段为对照阶段，该阶段不加电也不处理含氯四环素废水；第II阶段在不加电条件下处理较低浓度的氯四环素废水(2.5mg/L)，探究厌氧电化学膜生物反应器在低浓度抗生素作用下的运行情况；第III个阶段在不加电条件下处理较高浓度氯四环素废水(第148-182天：15mg/L；第183-198天：45mg/L)，来探究厌氧电化学膜生物工艺不加电条件下对氯四环素的耐受极限；最后一个IV阶段用电化学工作站添加0.7V电压并处理45mg/L氯四环素废水，探究加电条件下厌氧电化学膜生物工艺对高浓度氯四环素的去除情况和对废水中抗生素抗性基因传播的控制能力作用。

本实施方案运行过程中，处理的污水COD为500±50mg/L，氯四环素浓度为2.5-45mg/L。如图2-4所示，在处理2.5-15mg/L氯四环素时(第70-182天)，反应器不加电，反应器展现超过90％的COD去除率，出水COD低于40mg/L，甲烷产量可以达到300mL/d，氯四环素完全去除。但当氯四环素浓度提高到45mg/L时，反应器在15天内(第183-198天)迅速恶化，COD去除率降低至68％，出水COD达到170mg/L，反应器产甲烷完全被抑制，氯四环素去除率降低至60％。在第IV阶段通过添加外加电源，反应器运行了超过60天仍可以保证超过70％的COD去除率，产甲烷量稳定在150mL/d，氯四环素去除率在70％左右，证明了厌氧电化学膜生物反应器面对高浓度抗生素废水的优异运行能力。如图5所示，同时检测抗生素抗性基因在出水中的变化情况，发现电场的引入可以显著降低出水中的抗性基因丰度，降低了抗生素抗性基因在环境中的传播风险。

以上仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。