人工濕地耦合微生物燃料電池產(chǎn)電及去除抗生素的效能研究.pdf

1、我國抗生素濫用現(xiàn)象嚴(yán)重，抗生素進入自然水環(huán)境，不但會造成嚴(yán)重的化學(xué)污染和生態(tài)毒性，而且還會誘導(dǎo)環(huán)境中耐藥菌和抗性基因的產(chǎn)生，從而對人類健康造成潛在的威脅。本文以水環(huán)境中最常見的四環(huán)素和磺胺甲惡唑為代表，利用人工濕地(CW)在結(jié)構(gòu)上具備構(gòu)建微生物燃料電池(MFC)的有利條件和在功能上對難降解有機物具有凈化潛能的特點，在垂直流人工濕地中構(gòu)建微生物燃料電池(CW-MFC)，通過多重對比優(yōu)化其構(gòu)型和運行條件，以達到最高的抗生素凈化效能和產(chǎn)電效能

2、。并通過測定系統(tǒng)沿程填料內(nèi)抗生素和抗性基因分布，初步分析抗生素的去除機理。主要結(jié)論如下:
　　1、成功組建3組CW和5組CW-MFC，3組CW根據(jù)進水抗生素濃度由低到高命名為CW(L)、CW(M)和CW(H)，對應(yīng)的3組CW-MFC命名為CW-MFC(L)、CW-MFC(M)和CW-MFC(H);另設(shè)置2組CW-MFC命名為CW-MFC(1/2M)和CW-MFC(2M)，分別對應(yīng)進水中濃度抗生素條件下，1/2倍碳源與2倍碳源進水。

3、8組系統(tǒng)均能長期穩(wěn)定運行，穩(wěn)定后出水COD去除率都能達到95％以上。CW-MFC(M)、CW-MFC(2M)能夠穩(wěn)定輸出電壓630mV左右，CW-MFC(1/2M)為580mV左右，CW-MFC(L)平均產(chǎn)電電壓能夠達到615mV，CW-MFC(H)輸出電壓波動較大，但平均產(chǎn)電電壓也能達到550mV。
　　2、優(yōu)化CW-MFC構(gòu)型和產(chǎn)電條件，將CW-MFC陽極定在溶解氧含量最低的裝置中部20cm處，陰極定在溶解氧含量最高的頂端。研

4、究浸沒式和抬升式兩種陰極構(gòu)型，結(jié)果表明陰極抬升構(gòu)造產(chǎn)電性能更佳。進水抗生素濃度越低，共基質(zhì)濃度越高，系統(tǒng)的產(chǎn)電電壓越高;但降低進水抗生素濃度和增加共基質(zhì)濃度又會增大系統(tǒng)內(nèi)阻。綜合來看，CW-MFC(M)雖然產(chǎn)電電壓處于中等水平，但內(nèi)阻小，所以在5組裝置中得到了最高的功率密度(0.0572W/m2)。說明進水抗生素濃度和共基質(zhì)濃度都應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，才能使系統(tǒng)在產(chǎn)電電壓、功率密度和庫侖效率方面達到優(yōu)化平衡。
　　3、優(yōu)化CW和CW

5、-MFC對抗生素去除的運行條件，比較不同進水抗生素濃度的裝置對抗生素的去除效果，發(fā)現(xiàn)進水抗生素濃度越高，系統(tǒng)填料中抗生素的吸附量越大，且耐藥菌的馴化程度越高，對抗生素的去除能力表現(xiàn)為CW(H)＞CW(M)＞CW(L)，CW-MFC(H)＞CW-MFC(M)＞CW-MFC(L)。另外，共基質(zhì)濃度不同的系統(tǒng)吸附能力表現(xiàn)為CW-MFC(1/2M)＞CW-MFC(M)＞CW-MFC(2M)，主要是因為過多的有機物和培養(yǎng)出的微生物會與抗生素競爭填

6、料上的吸附位點。與吸附規(guī)律相反，CW-MFC(2M)的降解能力要強于CW-MFC(M)，因為共基質(zhì)越多，培養(yǎng)出的耐藥菌也越多。另外，CW-MFC(1/2M)的抗生素去除能力也要強于CW-MFC(M)，可能是因為共基質(zhì)偏少，導(dǎo)致抗生素作為次級碳源直接被微生物分解利用以滿足日常代謝需要。
　　4、對比傳統(tǒng)CW和CW-MFC對抗生素的處理效果，發(fā)現(xiàn)CW-MFC效果更佳。首先，陰陽極材料為活性炭并接種活性污泥，比沙土混合物具有更強的吸附性

7、能和微生物降解能力，研究結(jié)果表明，CW-MFC兩極的抗生素吸附量是CW系統(tǒng)的4～5倍，且陰極微生物量要遠大于CW頂部填料中的微生物量，抗性基因豐度也更高。其次，CW-MFC陽極存在電化學(xué)作用，能夠在耐藥菌將抗生素降解為簡單有機物的基礎(chǔ)上，進一步將簡單有機物完全降解。最后，CW-MFC能夠影響內(nèi)部微生物的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和酶的活性而促進其對有機物的降解與利用。
　　5、四環(huán)素和磺胺甲惡唑存在不同的去除機理。四環(huán)素具有較強的極性，進入系統(tǒng)后