CN111620493A

CN111620493A - 去除污水中抗生素抗性菌和抗性基因的方法及专用设备

Info

Publication number: CN111620493A
Application number: CN202010637370.1A
Authority: CN
Inventors: 李红娜; 张治国; 朱昌雄; 李斌绪; 叶婧; 耿兵; 田云龙; 郭萍; 李莲芳
Original assignee: Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculturem of CAAS
Current assignee: Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculturem of CAAS
Priority date: 2020-07-03
Filing date: 2020-07-03
Publication date: 2020-09-04

Abstract

本发明涉及一种去除污水中抗生素抗性菌和抗性基因的方法及专用设备，属于污水处理技术领域。本发明去除污水中抗生素抗性菌和抗性基因的方法以电化学反应、紫外消毒、超声波处理、H₂O₂消毒同一时间共同处理，去除污水中的抗生素抗性菌和抗性基因。本发明的专用设备包括设置有进水口和出水口的反应容器；所述反应容器内的下部设置有至少一对阳极电极和阴极电极、和至少一个超声元件；所述反应容器内的上部设置有至少一个紫外光源。使用本发明的方法及专用设备可使得H₂O₂消毒、电化学处理、紫外消毒、超声处理四者协同增效，运行效率高、成本低，且不产生副产物。

Description

去除污水中抗生素抗性菌和抗性基因的方法及专用设备

技术领域

本发明涉及一种去除污水中抗生素抗性菌和抗性基因的方法及专用设备，属于污水处理技术领域。

背景技术

由于过去几十年抗生素的过量与不合理使用，使得由此引起的抗生素抗性对人类健康与生态安全的威胁正在加剧。研究人员在全球范围内水土气等环境介质中都检测到了较高浓度的抗生素抗性菌和抗性基因。抗性基因能通过水平转移等方式在环境中进行传播扩散，即使抗性菌死亡，释放出的抗性基因片段也会在环境中存在一段时间，并且具有转移给其它致病菌的潜在风险。水环境是细菌的主要栖息地与繁殖介质，在抗生素抗性菌与抗性基因传播方面扮演着重要的角色。抗生素生产厂废水、医院废水和养殖废水是环境中抗生素抗性的主要初始来源，其经过污水处理厂处理后排放到地表水中，或回用进入农田环境中。然而污水处理厂的生物处理过程并不能有效地去除抗生素抗性菌与抗性基因，因此开展污水处理厂出水中抗生素抗性菌和抗性基因的深度去除方法研究是十分必要的。

目前污水处理厂的深度处理工艺多为紫外消毒、氯消毒和臭氧消毒等工艺，这些单一工艺的使用虽然能较为有效的去除抗生素抗性菌，但是对抗性基因的去除率却较低。并且大量研究表明这些消毒处理还会筛选并富集多重抗生素抗性菌，导致消毒出水抗生素抗性水平的增加。电化学处理能产生氧化性较强的羟基自由基，在氯离子存在的条件下还会产生活性氯，因而大大提高了消毒效果。此外，电化学处理无需在废水中添加任何试剂，不会对处理出水造成二次污染。已有研究表明，电化学处理具有较好的有机污染物去除效果和消毒效果，但是其对抗生素抗性菌和抗性基因的去除效果较少被考察。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够有效的去除抗生素抗性菌，尤其是能够有效去除抗性基因，且不产生副产物、运行成本低的污水处理装置。

为实现上述目的，本发明提供一种去除污水中抗生素抗性菌和抗性基因的方法，采用以下技术方案：以电化学反应、紫外消毒、超声波处理、H₂O₂消毒同一时间共同处理，去除污水中的抗生素抗性菌和抗性基因。

上述方法中，所述电化学反应，阳极电极和阴极电极流经的电流密度为10mA/cm²～40mA/cm²，优选为20mA/cm²。

上述方法中，所述紫外消毒的紫外照射剂量为20mJ/cm²～80mJ/cm²，优选为20mJ/cm²。

上述方法中，所述超声波处理的超声波辐射频率为20kHz～40kHz，优选为20kHz。

上述方法中，所述H₂O₂消毒为将H₂O₂添加到待处理污水中，使H₂O₂在污水中的浓度为10mg/L～40mg/L，优选为20mg/L。

上述方法中，所述共同处理的时长为1-30min，优选为10min。

本发明还提供用于上述方法的一种污水中抗生素抗性菌和抗性基因去除装置，包括设置有进水口和出水口的反应容器；所述反应容器内的下部设置有至少一对阳极电极和阴极电极、和至少一个超声元件；所述反应容器内的上部设置有至少一个紫外光源。

上述装置中，所述进水口设于反应容器的下部，所述出水口设于反应容器的侧壁上部，进出水以泵驱动。从下面进水，水在容器中的停留时间会较长，可以更加充分地反应。

上述装置中，所述阳极电极、阴极电极，以及超声元件均没入污水中；紫外光源设于污水液面的上方。

上述装置中，所述进水口上设有加料口；所述加料口为T型加料口。

上述装置中，所述反应容器内还设有搅拌元件。

上述装置中，所述搅拌元件设于反应容器内底部。

上述装置中，所述成对阳极电极和阴极电极，每对中的阳极电极和阴极电极尺寸相同，对称放置，阳极电极和阴极电极之间间距为1cm～10cm。

上述装置中，所述超声元件位于阳极电极一侧并浸入到污水中，与阳极电极2相距1cm～3cm。

上述装置中，所述紫外光源可以一根灯管构成，也可以多根灯管平行排列构成。

本发明还包括如下应用：

1、上述污水中抗生素抗性菌和抗性基因去除方法在污水处理中的应用；

2、上述污水中抗生素抗性菌和抗性基因去除装置在污水处理中的应用。

本发明具有以下优点：使用本发明的污水中抗生素抗性菌和抗性基因去除方法及其装置可同时进行H₂O₂消毒、电化学处理、紫外消毒和超声处理，四者协同运行效率高、成本低，且不产生副产物：紫外消毒处理可以直接作用于细菌DNA，不会对细胞结构造成严重损伤，细胞存在复活的可能性，且细胞外壁的存在会吸收阻挡紫外线，降低紫外消毒的效果。电化学处理产生羟基自由基和自由氯，这两类氧化剂会对菌体结构造成严重损伤，并释放出DNA。电化学处理、紫外消毒具有不同的消毒机理，两者的组合使用产生了协同作用，电化学处理提高了紫外消毒对DNA的破坏效率；在反应体系中加入H₂O₂，在紫外光的照射下发生光芬顿反应，既充分利用了紫外光，又产生了强氧化性的羟基自由基；超声元件的加入则不仅利用其物理破碎作用去除抗生素抗性基因等污染物质，还可以通过产生的微小空化气泡促进阳极产生的羟基自由基向反应体系中扩散，增加了活性氧自由基的作用范围。本发明H₂O₂消毒、电化学处理、紫外消毒和超声处理，四者协同处理后可以使二级出水中的抗生素抗性菌和抗性基因几乎完全被去除，极大地降低了污水中抗生素耐药菌向环境中的扩散，减少了其对受纳水体的污染风险，具有很大的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例1中一种污水中抗生素抗性菌和抗性基因去除装置的结构示意图。

图2是本发明实施例2中不同处理后污水中抗生素抗性菌和抗性基因去除率的结果图，图中不同小写字母之间存在显著差异，p<0.05，重复数为3。

其中，图中1为反应容器，2为阳极电极，3为阴极电极，4为紫外光源，5为超声元件，6为搅拌元件，7为进水口，8为出水口，9为加料口。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

以下在未做特殊说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指元件在正常使用状态下的“上”和“下”，具体可以参考图1的图面方向，“内、外”是指针对元件本身的轮廓而言。

实施例1一种污水中抗生素抗性菌和抗性基因去除装置

为实验电化学处理、紫外消毒、超声波处理、H₂O₂在去除污水中抗生素抗性菌和抗性基因时的相互作用，本实施例提供一种污水中抗生素抗性菌和抗性基因去除装置，具体结构参见图1，由反应容器1和其内用于电化学反应的成对的阳极电极2和阴极电极3、紫外光源4及超声元件5构成；所述反应容器1的下部设有进水口7，反应容器的侧壁上部设有出水口8，污水从进水口7流入反应容器1，完成处理后从出水口8流出反应容器1；所述进水口7上设有加料口9用于添加H₂O₂；反应容器1内设有至少一对没入污水的阳极电极2和阴极电极3，每对电极之间形成电场；反应容器1内还设有至少一个没入污水的超声元件5；在反应容器1内上部污水液面上方设有紫外光源4；在反应容器1内底部设有搅拌元件6；阳极电极2和阴极电极3分别连接至电源的相应电极，紫外光源4、超声元件5及搅拌元件6也分别连接电源。

阳极电极2的材料可选用铂电极、活性炭纤维电极、掺硼金刚石膜电极、钛基二氧化铅/二氧化锡复合电极和石墨电极中的至少一种，本实施例采用的为掺硼金刚石膜电极。

阴极电极3的材料可选用不锈钢电极、石墨电极、铂电极和钛网中的至少一种，本实施例采用的为不锈钢电极。

每对阳极电极2和阴极电极3尺寸相同，为1cm²～100cm²，对称放置，浸入到反应容器1中的污水中，每对阳极电极2和阴极电极3之间的间距为1cm～10cm，本实施例的电极面积为1cm²，电极间距具体为3cm。

超声机构5位于阳极电极2一侧并浸入到污水水体中，与阳极电极2相距1cm～3cm，本实施例具体为1cm。本实施例的超声机构5采用夏普公司(UW-A1)。

紫外光源4可选用各种类型的汞灯或UV-LED灯。紫外光源4可以一根上述灯管构成，也可以多根上述灯管平行排列构成，本实施例采用1根UV-LED灯管，功率为20W。

本实施例的搅拌机构6采用上海司乐(85-2)。

实施例2不同处理去除污水中抗生素抗性菌和抗性基因的效果

采用实施例1的污水中抗生素抗性菌和抗性基因去除装置，污水为河北涿州污水处理厂的二级出水(即经过污水厂生物处理的污水)，设置11个处理和两个对照，设置条件如下：

下述处理中，污水通过进水口7进水，进水流速为500mL/min(自开始进水就开始处理与计时)。

下述处理中，污水的进水的同时通过加料口9将H₂O₂添加到待处理污水中，使其在污水中的浓度为10mg/L～40mg/L。

下述处理中，紫外照射剂量为20mJ/cm²～80mJ/cm²。

下述处理中，通过调节直流稳压电源控制阳极电极2和阴极电极3流经的电流密度为10mA/cm²～40mA/cm²。

下述处理中，超声波辐射频率为20kHz～40kHz。

下手处理中，处理过程中均以搅拌元件6进行搅拌，转速为200r/min。

具体处理和对照如下：

处理1：仅采用阳极电极2和阴极电极3，控制阳极电极2和阴极电极3流经的电流密度为10mA/cm²；处理时长为10min。

处理2：仅采用阳极电极2和阴极电极3，控制阳极电极2和阴极电极3流经的电流密度为20mA/cm²；处理时长为10min。

处理3：仅采用阳极电极2和阴极电极3，控制阳极电极2和阴极电极3流经的电流密度为40mA/cm²；处理时长为10min。

处理4：仅采用紫外光源4，将紫外照射剂量设置为20mJ/cm²；处理时长为10min。

处理5：仅采用紫外光源4，将紫外照射剂量设置为50mJ/cm²；处理时长为10min。

处理6：仅采用紫外光源4，将紫外照射剂量设置为80mJ/cm²；处理时长为10min。

处理7：采用阳极电极2和阴极电极3、紫外光源4、超声元件5，并添加H₂O₂，具体控制阳极电极2和阴极电极3流经的电流密度为20mA/cm²；将紫外光源4照射剂量设置为20mJ/cm²；设置超声元件5的超声辐射频率为20kHz；将H₂O₂添加到待处理污水中使其在污水中的浓度为10mg/L；处理时长为10min。

处理8：采用阳极电极2和阴极电极3、紫外光源4、超声元件5，并添加H₂O₂，具体控制阳极电极2和阴极电极3流经的电流密度为20mA/cm²；将紫外光源4照射剂量设置为20mJ/cm²；设置超声元件5的超声辐射频率为20kHz；将H₂O₂添加到待处理污水中使其在污水中的浓度为20mg/L；处理时长为10min。

处理9：采用阳极电极2和阴极电极3、紫外光源4、超声元件5，并添加H₂O₂，具体控制阳极电极2和阴极电极3流经的电流密度为20mA/cm²；将紫外光源4照射剂量设置为20mJ/cm²；设置超声元件5的超声辐射频率为20kHz；将H₂O₂添加到待处理污水中使其在污水中的浓度为40mg/L；处理时长为10min。

处理10：采用阳极电极2和阴极电极3、超声元件5，并添加H₂O₂，但不使用紫外光源4；具体控制阳极电极2和阴极电极3流经的电流密度为20mA/cm²；设置超声元件5的超声辐射频率为20kHz；将H₂O₂添加到待处理污水中使其在污水中的浓度为20mg/L；处理时长为10min。

处理11：采用阳极电极2和阴极电极3、紫外光源4、并添加H₂O₂，但不使用超声元件5；具体控制阳极电极2和阴极电极3流经的电流密度为20mA/cm²；将紫外光源4照射剂量设置为20mJ/cm²将H₂O₂添加到待处理污水中使其在污水中的浓度为20mg/L；处理时长为10min。

对照1:不采用阳极电极2和阴极电极3，替换为芬顿氧化处理(采用紫外光源4、超声元件5，并添加H₂O₂浓度为20mg/L，Fe²⁺浓度为1.5mg/L，调整溶液pH为4，,将紫外光源4照射剂量设置为20mJ/cm²；设置超声元件5的超声辐射频率为20kHz；将H₂O₂添加到待处理污水中使其在污水中的浓度为20mg/L；处理时长为10min。

对照2：添加H₂O₂，按顺序分别使用阳极电极2和阴极电极3、紫外光源4、超声元件5，具体为1)将H₂O₂添加到待处理污水中使其在污水中的浓度为20mg/L，不开启搅拌元件6以外的其它元件，处理时长为10min；2)除了搅拌元件6，只使用阳极电极2和阴极电极3，控制阳极电极2和阴极电极3流经的电流密度为20mA/cm²，处理10min；3)除了搅拌元件6，只开启紫外光源4，将紫外光源4照射剂量设置为20mJ/cm²，处理10min；4)除了搅拌元件6，只开启超声元件5，设置超声元件5的超声辐射频率为20kHz，处理10min。

将处理后的污水从出水口8泵出，检测出水中抗生素抗性菌和抗性基因的去除情况，上述处理和对照的抗生素抗性菌和抗性基因的去除效果见表1以及图2，各处理重复3次，显著性分析采用SPSS，p<0.05：

表1各处理和对照的抗生素抗性菌和抗性基因的去除效果

处理和对照

tetA

tetC

tetM

tetW

tetX

sul1

sul2

灭菌效率

处理1

45.02％

-3.21％

26.62％

19.49％

2.24％

38.56％

24.02％

43.70％

处理2

50.45％

9.90％

35.98％

43.14％

25.12％

40.81％

6.22％

82.81％

处理3

58.71％

47.09％

42.27％

59.38％

22.91％

55.14％

26.31％

96.99％

处理4

32.64％

51.63％

45.10％

56.06％

45.79％

54.63％

39.50％

96.00％

处理5

54.00％

73.87％

51.73％

58.70％

79.48％

56.65％

49.19％

99.80％

处理6

60.41％

82.08％

55.85％

68.94％

84.07％

71.34％

61.99％

100.00％

处理7

95.60％

89.90％

97.40％

97.90％

99.40％

96.60％

100.00％

处理8

99.20％

94.80％

99.50％

98.70％

99.50％

99.10％

98.50％

100.00％

处理9

99.30％

94.80％

99.50％

98.90％

99.70％

99.30％

98.80％

100.00％

处理10

52.47％

10.80％

36.62％

21.49％

22.24％

41.56％

6.82％

85.70％

处理11

51.71％

60.30％

46.12％

60.58％

63.42％

70.75％

56.38％

97.90％

对照1

89.50％

83.30％

82.10％

85.60％

90.10％

92.30％

93.60％

93.33％

对照2

90.20％

89.40％

95.30％

92.90％

95.50％

95.60％

93.90％

95.20％

其中，tetA、tetC、tetM、tetW、tetX为四环素类抗生素耐药基因，sul1、sul2为磺胺类抗生素耐药基因，测定方法参考Zhang Zhiguo,Li Binxu,Li Na,Sardar M Fahad,SongTingting,Zhu Changxiong,Lv Xiwu,Li Hongna.Effects of UV disinfection onphenotypes and genotypes of antibiotic-resistant bacteria in secondaryeffluent from a municipal wastewater treatmentplant.WaterResearch 2019,157:546-554.；灭菌效率的技术公式如下：

灭菌效率＝(处理组的丰度-反应初始的丰度)/反应初始的丰度×100％

由表1可以看出，单用电化学技术工艺的处理1、处理2、处理3对抗生素抗性基因和耐药菌的去除效果较为有限，特别是电流密度为10mA/cm²的处理中，tetC的去除效果几乎没有，对其他抗性基因的去除率也仅为19％～45％，耐药菌的失活率为43.7％，显著低于组合工艺处理7、处理8、处理9的处理效果(p<0.05)。从不同电流密度的处理效果来看，当电流密度由10mA/cm²增加到20mA/cm²时，抗性基因和耐药菌的去除率有较为显著的提升；而当电流密度由20mA/cm²增加到40mA/cm²时，抗性基因和耐药菌的去除率虽然也有增加，但是并不明显，特别是高电流密度对应高的成本，从经济性来说不太实用，故最优的电流密度为20mA/cm²。

单用紫外光的处理4、处理5、处理6中，尽管30min的处理均可以实现抗生素抗性基因和耐药菌的有效削减，但是仍显著低于组合工艺处理7、处理8、处理9的效果(p<0.05)。此外，与辐射剂量50mJ/cm²和80mJ/cm²相比，辐射剂量为20mA/cm²仍然具有综合经济和处理效果的最优化表现。

组合工艺中处理7、处理8、处理9中仅H₂O₂浓度不同，可以看出，处理7与处理8相比，H₂O₂浓度的降低导致抗生素抗性基因的去除变缓，如tetA基因的去除率由99.2％降低为95.60％；但是，处理9与处理8相比，当H₂O₂浓度升高至40mg/L后，tetA基因的去除率由99.2％提高到99.3％，表明在该反应体系中H₂O₂浓度的进一步提升对于污染控制的提升效果是非常有限的。且处理8对于四环素类抗性基因和磺胺类抗性基因均表现出最高的去除效果，对于耐药菌的灭菌效率可以达到100.00％。

处理10不含紫外与处理11不含超声的两个组合工艺处理中，抗生素抗性基因和耐药菌的削减效果均低于组合工艺中处理7、处理8、处理9的组合方式(p<0.05)。

与组合工艺处理7、处理8、处理9相比，对照1使用芬顿反应代替电化学，其对抗生素抗性基因和耐药菌的去除率均不如处理7、处理8、处理9(p<0.05)。

与组合工艺处理7、处理8、处理9相比，对照2使用各处理先后进行的方式，由于缺少了电化学电极反应、超声作用以及紫外同时处理的复合作用及联动反映，其对抗生素抗性基因和耐药菌的去除率均不如组合工艺处理7、处理8、处理9(p<0.05)。单独电化学处理(处理1、处理2、处理3)、单独的紫外消毒方式6(处理4、处理5、处理6)、三种组合的处理(处理10、处理11)，以及四种分步进行的工艺(对比2)相比，H₂O₂消毒、电化学处理、紫外消毒和超声处理四者同时处理产生协同作用，对抗生素抗性菌和抗性基因的去除效果更好，运行成本更低，能耗也更低，并且不会增加抗生素抗性的传播风险。而以芬顿氧化处理替换电化学处理则并不能和其它三者产生协同作用。

综上，添加H₂O₂，并采用阳极电极2和阴极电极3、紫外光源4、超声元件5同步进行处理的方法产生协同作用，对抗生素抗性基因和耐药菌的处理周期更短，去除率较其它工艺更高，可以使二级出水中的抗生素抗性菌和抗性基因几乎完全被去除，且不产生副产物，处理出水即可排放到环境中，或回用到农田。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种去除污水中抗生素抗性菌和抗性基因的方法，其特征在于，以电化学反应、紫外消毒、超声波处理、H₂O₂消毒同一时间共同处理，去除污水中的抗生素抗性菌和抗性基因。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电化学反应，阳极电极和阴极电极流经的电流密度为10mA/cm²～40mA/cm²。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述紫外消毒的紫外照射剂量为20mJ/cm²～80mJ/cm²。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述超声波处理的超声波辐射频率为20kHz～40kHz。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述H₂O₂消毒为将H₂O₂添加到待处理污水中，使H₂O₂在污水中的浓度为10mg/L～40mg/L。

6.如权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于：所述共同处理的时长为5-20min。

7.一种去除污水中抗生素抗性菌和抗性基因的装置，包括设置有进水口和出水口的反应容器，其特征在于：所述反应容器内的下部设置有至少一对阳极电极和阴极电极、和至少一个超声元件；所述反应容器内的上部设置有至少一个紫外光源。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于：所述进水口上设有加料口。

9.如权利要求7或8所述的装置，其特征在于：所述反应容器内设有搅拌元件。

10.权利要求1-6任一项所述的方法或权利要求7-9任一项所述的装置在污水处理中的应用。