A~2/MBBR工艺对喹诺酮类和磺胺类抗生素的强化去除研究

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抗生素作为典型新型污染物,持续输入环境,已严重威胁生态环境安全和人体健康。城市污水处理厂作为抗生素污染主要来源之一,提高其抗生素去除效率,降低抗生素及其代谢产物生态环境风险,对有效防控抗生素污染具有重要现实意义。厌氧/缺氧/好氧(A~2/O)工艺广泛用于城市污水处理,其在面对抗生素处理时存在两个关键难题:1)高生物浓度要求高回流比,但污泥高回流比将导致厌氧区、缺氧区硝酸盐和溶解氧浓度过高进而影响抗生素等污染物的去除效果;2)世代期较长和世代期较短的微生物难以优势共存。移动床生物膜反应器(MBBR)具有生物膜和活性污泥双污泥系统,生物浓度高,将其作为A~2/O工艺二级生化处理优化策略或能弥补上述不足,提高抗生素的去除效果。基于此,本研究采用批实验与中试相结合,对A~2/MBBR工艺去除实际污水中喹诺酮类和磺胺类抗生素进行了研究。主要结果及结论如下:(1)探究了A~2/O工艺对典型抗生素的去除机制及关键工段。氧氟沙星(OFL)的去除主要通过吸附和生物降解完成,且吸附大于生物降解作用;对磺胺甲噁唑(SMX)的去除,生物降解占主导地位,吸附几乎可忽略。发现对OFL和SMX的生物降解主要在好氧工段,提高A~2/O工艺对抗生素的去除效果,关键是改良好氧作用。(2)揭示了MBBR对OFL、SMX的生物降解降解动力学及机制。其伪一级反应TSS归一化降解速率常数分别为0.003±0.0005 L·(g·h)-1、0.012±0.0025 L·(g·h)-1。MBBR对SMX的生物降解主要通过17 N上乙酰化反应和羟基化反应、4C上羟基化反应以及7S-10N、10N-13C的断键反应,其产物主要包括N-乙酰磺胺甲恶唑、N-烃基磺胺甲噁唑、4-烃基磺胺甲噁唑、3-氨基-5-甲基异恶唑等。(3)诺氟沙星(NOR)压力下,A~2/MBBR工艺出水水质及稳定性好于A~2/O。MBBR强化增加了生物膜EPS中蛋白质和多糖含量,MBBR促进了具有抗生素降解作用的微生物的积累和“富集”,为A~2/MBBR工艺具有较好的耐受性、抗冲击能力提供了微观保证。(4)MBBR的强化效果主要体现在生物降解方面。A~2/MBBR工艺对实际污水中OFL和SMX去除率分别为30.0%和53.3%,比A~2/O工艺分别提高了12.3%和24.7%;对OFL和SMX的生物降解作用分别为13.9%和52.4%,分别提高了7.7%和26.7%。(5)高通量测序分析表明,MBBR双污泥系统实现了不同世代期微生物优势共存。生物膜中不动杆菌属Acinetobacter、假单胞菌属Pseudomonas、气单胞菌属Aeromonas、独岛菌属Dokdonella、硝化螺菌属Nitrospira相对丰度极显著或显著高于污泥,反映出MBBR有利于这些微生物的积累和富集,促进和保证了A~2/MBBR工艺对OFL和SMX的降解效果。
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