一种用于降解新兴污染物的微环境系统及构建方法技术方案

本发明专利技术提供一种用于降解新兴污染物的微环境系统及构建方法，该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，在反应区域填充改性纤维球填料，所述垂直流人工湿地和水平潜流人工湿地中填充填料和垫层并栽种根系发达的水生植物。本发明专利技术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加压通入垂直流人工湿地底部，构建人工湿地植物根系‑甲烷氧化菌微环境，甲烷氧化菌氧化甲烷所产生的甲烷单加氧酶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。

A microenvironment system for degradation of new pollutants and its construction method

【技术实现步骤摘要】
一种用于降解新兴污染物的微环境系统及构建方法
本专利技术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

技术介绍
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)。
技术实现思路
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，本专利技术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。本专利技术的技术方案：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，本专利技术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，本专利技术的优点在于：(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，从而实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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(1)、垂直流人工湿地(2)以及水平潜流人工湿地(3)，其特征在于：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；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)。/n...

【技术特征摘要】
1.一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(1)、垂直流人工湿地(2)以及水平潜流人工湿地(3)，其特征在于：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；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)。


2.根据权利要求1所述的用于降解新兴污染物的微环境系统，其特征在于：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)。


3.根据权利要求1所述的用于降解新兴污染物的微环境系统，其特征在于：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。


4.根据权利要求1所述的用于降解新兴污染物的微环境系统，其特征在于：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。


5.根据权利要求1所述的用于降解新兴污染物的微环境系统，其特征在于：所述水生植物(15)的种植密度为0.02～0.03...

【专利技术属性】
技术研发人员：李彦澄，刘邓平，李江，吴攀，吕杨，钟雄，
申请(专利权)人：贵州大学，
类型：发明
国别省市：贵州;52