本發(fā)明涉及污水處理及環(huán)境保護(hù)，尤其涉及一種植物和改性美人蕉生物炭協(xié)同強(qiáng)化抗生素去除的處理系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，隨著抗生素在醫(yī)療、畜牧業(yè)和農(nóng)業(yè)中的廣泛使用，其殘留進(jìn)入水環(huán)境已成為一個(gè)日益嚴(yán)重的問(wèn)題?？股赝ㄟ^(guò)人類和動(dòng)物的排泄物進(jìn)入自然水體，最終流入污水處理系統(tǒng)。大量研究表明，抗生素即使在較低濃度下，仍可能對(duì)環(huán)境中的微生物群落、生態(tài)系統(tǒng)以及人類健康產(chǎn)生潛在危害，包括抗生素耐藥性基因的擴(kuò)散和抗藥性病原體的傳播。同時(shí)，污水處理中抗生素的存在可能加劇溫室氣體的排放，特別是在厭氧條件下，會(huì)促進(jìn)甲烷等溫室氣體的生成。因此，抗生素的有效去除不僅是當(dāng)前污水處理領(lǐng)域的重要研究方向，也是在減少溫室氣體排放方面的關(guān)鍵舉措之一，通過(guò)優(yōu)化污水處理系統(tǒng)，避免抗生素對(duì)微生物代謝的抑制，有助于降低溫室氣體的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)更加環(huán)保的污水處理。

2、活性污泥法是目前市政污水處理廠最常用的生物處理方法，通過(guò)微生物代謝去除污水中的有機(jī)污染物。然而，常規(guī)的活性污泥系統(tǒng)在抗生素去除方面面臨較大的挑戰(zhàn)，比如抗生素分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性和抗微生物特性，這使得污泥中的普通微生物難以有效降解抗生素，去除效果較差。而且抗生素本身具有抑菌和殺菌作用，進(jìn)入活性污泥系統(tǒng)后，會(huì)抑制其中微生物的正常代謝活性，尤其是對(duì)一些敏感菌株的生長(zhǎng)造成影響。這不僅降低了活性污泥的整體處理效率，還可能導(dǎo)致污水處理系統(tǒng)中微生物群落的紊亂。另外，抗生素在活性污泥系統(tǒng)中可能被部分吸附到污泥表面或微生物細(xì)胞壁上，但這種吸附是暫時(shí)的，吸附的抗生素在一定條件下容易發(fā)生解吸，重新進(jìn)入水體，導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)抗生素的去除效果不穩(wěn)定。因此，僅依賴活性污泥法難以完全去除污水中的抗生素。最后，抗生素進(jìn)入活性污泥系統(tǒng)后，會(huì)抑制其中微生物的正常代謝活性，尤其是對(duì)敏感菌株的生長(zhǎng)造成負(fù)面影響。這種抑制作用不僅降低了活性污泥系統(tǒng)對(duì)抗生素的去除效率，還可能導(dǎo)致微生物無(wú)法有效進(jìn)行有氧代謝，進(jìn)而使系統(tǒng)更容易進(jìn)入?yún)捬鯛顟B(tài)。在厭氧條件下，微生物代謝污染物時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的溫室氣體，如甲烷和一氧化二氮，增加了污水處理過(guò)程中溫室氣體的排放。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種植物和改性美人蕉生物炭協(xié)同強(qiáng)化抗生素去除的處理系統(tǒng)，通過(guò)耦合改性美人蕉生物炭在植物根際區(qū)域的吸附和活性污泥的生物降解，實(shí)現(xiàn)了抗生素的高效去除，克服了常規(guī)活性污泥系統(tǒng)和植物吸附法對(duì)抗生素處理能力有限和溫室氣體排放量大的問(wèn)題。

2、對(duì)此，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、一種植物和改性美人蕉生物炭協(xié)同強(qiáng)化抗生素去除的處理系統(tǒng)，包括序批式反應(yīng)器，所述序批式反應(yīng)器設(shè)有進(jìn)水口、排水口、曝氣機(jī)構(gòu)和攪拌機(jī)構(gòu)。

4、所述序批式反應(yīng)器的底部設(shè)有活性污泥耦合改性美人蕉生物炭區(qū)，所述序批式反應(yīng)器的上部設(shè)有美人蕉植物區(qū)，所述美人蕉植物區(qū)種植有美人蕉；所述進(jìn)水口位于所述序批式反應(yīng)器的下部，所述排水口位于所述序批式反應(yīng)器的上部，所述曝氣機(jī)構(gòu)和攪拌機(jī)構(gòu)位于所述活性污泥耦合改性美人蕉生物炭區(qū)；

5、所述改性美人蕉生物炭為采用美人蕉殘?jiān)?jīng)過(guò)高溫裂解后，再采用強(qiáng)酸或強(qiáng)堿溶液進(jìn)行處理得到。

6、采用此技術(shù)方案，美人蕉植物區(qū)設(shè)于序批式反應(yīng)器的上部區(qū)域，種植美人蕉等水生植物。這一植物區(qū)通過(guò)植物根系的吸附、代謝功能，與改性美人蕉生物炭和活性污泥系統(tǒng)耦合，協(xié)同作用以去除污水中的抗生素。美人蕉植物根系發(fā)達(dá)，具有較大的吸附表面積，能夠通過(guò)物理吸附作用捕捉污水中的抗生素分子。同時(shí)，美人蕉根系還通過(guò)代謝作用將部分吸附的抗生素進(jìn)行轉(zhuǎn)化或降解，從而降低抗生素的濃度。植物根系分泌物中的有機(jī)酸、酶類等物質(zhì)能夠促進(jìn)抗生素的降解反應(yīng)，提高植物去除抗生素的能力。

7、此外，美人蕉的發(fā)達(dá)根系不僅能夠吸附抗生素，還能夠吸附大量的活性污泥。根系表面的多孔結(jié)構(gòu)及其分泌的多糖類物質(zhì)能夠?yàn)榛钚晕勰嘀械奈⑸锶郝涮峁└街鴪?chǎng)所，形成一個(gè)穩(wěn)定的微生物生態(tài)系統(tǒng)?；钚晕勰嗟母街鰪?qiáng)了植物根際區(qū)域的生物降解能力，通過(guò)微生物的代謝活動(dòng)，進(jìn)一步降解根際區(qū)域吸附的抗生素和其他有機(jī)污染物。通過(guò)這種根系-活性污泥的耦合，微生物與植物根系協(xié)同作用，能夠在根際形成高度活躍的微生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)抗生素的降解?；钚晕勰嘀械奈⑸锊粌H利用根系分泌的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)維持自身代謝，還可以高效降解吸附在根系上的抗生素分子。這種協(xié)同作用大幅提高了系統(tǒng)整體的抗生素去除效率。

8、植物根系吸附的大量活性污泥和改性美人蕉生物炭共同為根際區(qū)域的微生物提供了一個(gè)理想的棲息環(huán)境。微生物通過(guò)代謝活動(dòng)降解吸附在改性美人蕉生物炭和根系表面的抗生素分子。改性美人蕉生物炭的高效吸附特性與植物根系微生物的降解功能相結(jié)合，顯著提高了抗生素去除效率。根際微生物群落在植物根系分泌物的支持下進(jìn)一步繁殖，并通過(guò)共代謝和酶解作用持續(xù)降解抗生素。這種通過(guò)植物根系吸附活性污泥、改性美人蕉生物炭和微生物共同作用的系統(tǒng)，不僅有效提高了抗生素的去除率，還增強(qiáng)了污水處理過(guò)程的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。

9、改性美人蕉生物炭是通過(guò)高溫?zé)峤馍镔|(zhì)(如植物殘?jiān)蜣r(nóng)業(yè)廢棄物)制備的多孔碳材料，具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和良好的吸附性能。然而，未經(jīng)改性的原始生物炭在吸附復(fù)雜有機(jī)污染物(如抗生素)時(shí)存在吸附容量有限、選擇性低等問(wèn)題。本發(fā)明技術(shù)方案采用酸堿改性方法對(duì)美人蕉生物炭進(jìn)行處理，改變生物炭的表面化學(xué)性質(zhì)，增加其比表面積和孔隙體積，增強(qiáng)了其對(duì)抗生素的吸附能力，并為微生物提供良好的附著環(huán)境。其中酸改性主要通過(guò)去除表面的灰分和無(wú)機(jī)物質(zhì)，暴露出更多的活性位點(diǎn)；而堿改性則增加了表面官能團(tuán)，特別是含氧官能團(tuán)，從而提高了對(duì)抗生素分子的親和性和結(jié)合能力。在改性美人蕉生物炭的孔隙中，抗生素被大量吸附并固定，減少其在水體中的擴(kuò)散。此外，改性美人蕉生物炭的表面官能團(tuán)與抗生素分子之間可以通過(guò)物理吸附、靜電作用和化學(xué)吸附等機(jī)制結(jié)合，進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)抗生素的去除效果。

10、美人蕉植物區(qū)是本系統(tǒng)的核心組成部分之一，位于反應(yīng)器的上部區(qū)域，結(jié)合了活性污泥與植物根系中的微生物降解功能和改性美人蕉生物炭的強(qiáng)效吸附能力。這一區(qū)域通過(guò)將活性污泥與改性美人蕉生物炭耦合在一起吸附到植物根系上，形成了高效的抗生素去除體系，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)抗生素的吸附和降解的雙重作用。在攪拌過(guò)程中，污水中的抗生素被美人蕉生物炭大量吸附。同時(shí)，含有大量抗生素的美人蕉生物炭和活性污泥吸附到植物根系上；在靜置階段，吸附的抗生素被微生物高速去除；而在下一次攪拌過(guò)程中，吸附在植物根系的美人蕉生物炭和活性污泥得到更新。此技術(shù)方案中，改性美人蕉生物炭作為核心吸附材料，通過(guò)其高效的吸附能力，顯著提高了對(duì)抗生素的去除效果。具體而言，改性美人蕉生物炭的多孔結(jié)構(gòu)不僅可以快速吸附水中的抗生素，還為活性污泥和植物根系中的微生物提供附著和生存的微環(huán)境，促進(jìn)了微生物的降解作用。三者者協(xié)同作用，進(jìn)一步增強(qiáng)了抗生素去除的效率。

11、活性污泥中的微生物是污水處理中的次要降解者。在活性污泥耦合改性美人蕉生物炭區(qū)，微生物不僅通過(guò)自身的代謝活動(dòng)對(duì)抗生素進(jìn)行降解，還能夠利用附著在改性美人蕉生物炭表面的抗生素，進(jìn)一步提高去除效率。改性美人蕉生物炭提供了一個(gè)穩(wěn)定的微生物附著環(huán)境，促進(jìn)了微生物的繁殖與代謝，增強(qiáng)了污泥系統(tǒng)中的抗生素降解能力?；钚晕勰辔⑸锿ㄟ^(guò)共代謝作用、酶解反應(yīng)等途徑，將抗生素分子逐步分解為小分子甚至無(wú)害物質(zhì)，如水、二氧化碳等。可見(jiàn)，在活性污泥與改性美人蕉生物炭耦合區(qū)，改性美人蕉生物炭的吸附作用和活性污泥的降解作用相互補(bǔ)充，形成了高效的抗生素去除系統(tǒng)。改性美人蕉生物炭通過(guò)吸附減少了抗生素對(duì)微生物的毒性抑制作用，使微生物能夠更有效地降解污水中的抗生素。此外，隨著時(shí)間的推移，吸附在改性美人蕉生物炭表面的抗生素逐漸被微生物降解，改性美人蕉生物炭的吸附位點(diǎn)得以再生，保持了系統(tǒng)的長(zhǎng)期處理能力。

12、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述改性美人蕉生物炭采用如下步驟制備得到：

13、將采集的美人蕉剪成段后洗凈，烘干，粉碎后置于管式爐內(nèi)，在缺氧狀態(tài)下升溫至850-900℃，保溫1h以上，冷卻后研磨得到美人蕉生物炭；

14、在所述美人蕉生物炭中加入濃硝酸，攪拌反應(yīng)2h后進(jìn)行過(guò)濾、清洗、干燥，得到改性美人蕉生物炭；或者在所述美人蕉生物炭中加入koh溶液，于60℃～80℃下攪拌反應(yīng)2h后進(jìn)行過(guò)濾、清洗、干燥，得到改性美人蕉生物炭。

15、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述管式爐內(nèi)通入氮?dú)?，升溫速率?～15℃/min。

16、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述koh溶液的濃度為不小于2mol/l。

17、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述美人蕉植物區(qū)的面積為序批式反應(yīng)器橫截面的20％-40％。

18、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述活性污泥耦合改性美人蕉生物炭區(qū)采用活性污泥和改性美人蕉生物炭按照質(zhì)量比1：8-12比例混合。進(jìn)一步地，所述活性污泥耦合改性美人蕉生物炭區(qū)采用活性污泥和改性美人蕉生物炭按照質(zhì)量比1：10比例混合。

19、本發(fā)明還公開(kāi)了一種污水處理方法，采用如上所述的植物和改性美人蕉生物炭協(xié)同強(qiáng)化抗生素去除的處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。

20、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的污水處理方法包括如下步驟：

21、步驟s1，將含有抗生素的污水通過(guò)進(jìn)水口進(jìn)入序批式反應(yīng)器內(nèi)；

22、步驟s2，開(kāi)啟攪拌機(jī)構(gòu)進(jìn)行攪拌，時(shí)間為至少250min；

23、步驟s3，停止攪拌，開(kāi)啟曝氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行曝氣，時(shí)間為至少250min；

24、步驟s4，停止曝氣，進(jìn)行靜置沉淀，時(shí)間為至少100min；

25、步驟s5，待沉淀后的上層水質(zhì)變清澈后，通過(guò)排水口進(jìn)行排水；

26、重復(fù)步驟s1～步驟s5進(jìn)行下一個(gè)處理周期。

27、采用此技術(shù)方案，步驟s1進(jìn)水階段，含有抗生素的污水通過(guò)進(jìn)水口進(jìn)入序批式反應(yīng)器，首先流經(jīng)美人蕉植物區(qū)。污水中的抗生素在此過(guò)程中被植物根系吸附，并進(jìn)入改性美人蕉生物炭層。改性美人蕉生物炭通過(guò)其孔隙結(jié)構(gòu)大量吸附抗生素，將其固定在炭的表面和孔隙中，防止抗生素隨污水流動(dòng)。步驟s2和步驟s3為曝氣與降解階段，攪拌機(jī)構(gòu)用于均勻分布污水中的污染物，確?？股嘏c改性美人蕉生物炭、活性污泥和植物根系充分接觸，從而提高抗生素的去除效率。在曝氣階段，曝氣機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，向活性污泥區(qū)提供氧氣，促進(jìn)微生物的代謝活動(dòng)，確保微生物的有氧代謝。此時(shí)，微生物通過(guò)降解作用對(duì)污水中的抗生素進(jìn)行進(jìn)一步處理。與此同時(shí)，改性美人蕉生物炭吸附的抗生素逐漸被微生物降解，從而降低污水中的抗生素濃度。攪拌裝置在此階段啟動(dòng)，確?？股嘏c植物根系、改性美人蕉生物炭和活性污泥充分接觸，提高抗生素的處理效率。步驟s4和步驟s5為沉淀與排水階段，在曝氣和攪拌結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入沉淀階段?；钚晕勰嗪推渌麘腋」腆w逐漸沉淀到反應(yīng)器底部，處理后的清水在上層積聚。經(jīng)過(guò)植物吸附、改性美人蕉生物炭吸附和活性污泥降解的多重處理，污水中的抗生素濃度顯著降低，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。最后，清水通過(guò)排水口排出系統(tǒng)。

28、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

29、本發(fā)明的技術(shù)方案采用植物與改性美人蕉生物炭協(xié)同活性污泥的耦合系統(tǒng)，將植物吸附作用、改性美人蕉生物炭的強(qiáng)效吸附作用和活性污泥的微生物降解作用相結(jié)合，大幅提高了抗生素的去除率，處理污水中抗生素的去除率可達(dá)到70-80％。其中磺胺甲噁唑的去除率可達(dá)90％以上、氧氟沙星的去除率可達(dá)70％-80％，經(jīng)過(guò)處理后，污水中抗生素濃度符合國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便，適用于大規(guī)模污水處理廠。

30、其次，改性美人蕉生物炭在反應(yīng)過(guò)程中快速吸附抗生素，減少了抗生素直接作用于活性污泥中微生物的機(jī)會(huì)，降低了抗生素對(duì)微生物的毒性抑制作用，保證了系統(tǒng)的微生物代謝活性，提高了系統(tǒng)的抗生素去除能力；促使系統(tǒng)維持在有氧條件下進(jìn)行，系統(tǒng)中微生物的有氧代謝得到增強(qiáng)，氧化亞氮的生成量相對(duì)減少，實(shí)驗(yàn)中每立方米污水可減少15.09mg的氧化亞氮排放。這進(jìn)一步表明，本發(fā)明通過(guò)維持好氧環(huán)境，不僅提高了污染物去除效率，還減少了污水處理過(guò)程中的碳足跡。而且美人蕉植物和改性美人蕉生物炭均為天然材料，綠色環(huán)保，不產(chǎn)生二次污染。

31、第三，利用美人蕉植物和改性美人蕉生物炭這兩種天然材料，減少了化學(xué)藥劑的使用，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，具有綠色環(huán)保特性。而且改性美人蕉生物炭制備成本低，系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用低，適合大規(guī)模推廣應(yīng)用。操作簡(jiǎn)便，適應(yīng)性強(qiáng)，適用于不同規(guī)模的污水處理需求。

32、第四，本發(fā)明的系統(tǒng)通過(guò)優(yōu)化微生物代謝環(huán)境、提高抗生素去除效率以及減少對(duì)能源的需求，有效降低了污水處理過(guò)程中溫室氣體和碳排放的產(chǎn)生，具有顯著的環(huán)保優(yōu)勢(shì)。而且采用序批式反應(yīng)器，使得系統(tǒng)在處理抗生素污水時(shí)具有較高的操作靈活性，能夠根據(jù)處理需求靈活調(diào)整運(yùn)行參數(shù)。系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單，適用于各種規(guī)模的污水處理設(shè)施。