一种采用弱电能强化河流水体内污染物降解的方法

1.本发明涉及污水处理领域，具体为一种采用弱电能强化河流水体内污染物降解的方法。


背景技术：

2.水资源是人类赖以生存与生活的重要自然资源，河流作为可利用水资源的重要组成部分，河流水质的变化显得十分重要。但是，近年来我国河流污染现象日益严重，自然环境中的污染成分、工业企业的废弃污染物及排放物、农业生产过程中的农药、化肥等不同类型的污染物，均可能通过不同途径、不同方式直接或者间接的进入河流，影响着河流水质的变化，进而严重影响着人们的日常生活和经济发展，治理和管理被污染的河流成为人们普遍关心的环境问题。在河流底泥的作用下，污染物排入河流后，会致使河流产生自净作用，降低污染物在河流内的浓度，提高河流水质。因此，迫切需要研究如何加强河流底泥对河流中污染物净化的方法，从而提高河流水质，降低河流内污染物的危害。
3.目前，我国一些主要河流、湖泊的底泥中有机化合物污染问题普遍存在。河流中的多环芳烃(pahs)、酚类、含氮杂环类化合物是化工企业及农业生产过程中产生的主要废物，普遍存在于临近焦化厂、炼油厂、染料厂、农药厂等工业企业的河流中，是河流污染物中最常见的难降解有机物。其中，酚类化合物毒性强且稳定，间甲酚由于其化学结构的特点，其厌氧降解性能与甲基取代基紧密相关，降解性能远低于其它酚类化合物，即使在很低浓度下对生命体也有很严重的毒害作用，在《污水综合排放标准》（gb 8978—1996）中明确规定间甲酚最高允许排放质量浓度不超过0.5 mg/l，我国环保部门、美国epa和欧盟均将其列为优先控制污染物。pahs、含氮杂环类化合物是一类广泛存在的典型持久性的有机污染物，喹啉类含氮杂环化合物由于其化学机构稳定，具有高脂溶性、低水溶性、难降解性，对微生物有毒性及“三致效应”；荧蒽作为一种典型的四环杂环芳烃的高分子量pahs的典型代表物，常被作为环境遭受 pahs污染物的指示化合物。
4.由于这类型污染物的难降解性，其直接或间接的排入河流后，难以被河流底泥中的微生物利用，致使河流水体存在不同程度的污染，对生态环境和人类健康构成了严重的威胁，并且已经引起世界范围内的广泛关注。而河流底泥内微生物的多样性及功能性普遍具有针对性不强、效率低等缺点。因此，亟需研究河流水体内污染物的降解性能，建立一种新型、快速和高效的强化河流水内污染物的处理技术，对河流中污染物的去除，提高水质具有显著意义。
5.目前，传统生物处理法、高级氧化法、膜分离技术，络合萃取，超声波处理等方法，均适用于难降解污染物的降解，但是存在针对性不强、效率低或能耗高、会产生较多的副产物，或者非目标氧化物被氧化后与其发生反应生成许多未知或许更有毒性物质的问题。因此开发一种新型、高效的方法，强化河流中底泥对河流中的难降解污染物，比如间甲酚、喹啉、荧蒽等，降解的技术越来越迫切。
6.正在兴起的弱电能介入强化生物修复技术研发为河流中难降解有机物的去除供
了一条新途径。弱电能介入强化生物修复技术是指在弱电能介入条件下以微生物作为生物催化剂，通过微生物和弱电能介入的耦合作用，对河流底泥中的微生物实现代谢调控，将微生物代谢特有的可持续性和选择性与电化学的环境友好性和可控性相结合，实现包括难降解污染物去除、产甲烷等过程。因此，研究弱电强化底泥降解河流内难降解污染物降解的技术，可为改善河流水质及水资源的开发利用提供理论依据，具有现实意义。


技术实现要素：

7.本发明目的是为了解决难降解类污染物直接或间接进入河流后，对河流水质造成破坏，影响水资源的再生及开发利用，对生态环境和人类健康构成严重威胁的瓶颈问题，提供了一种采用弱电强化河流水体中污染物降解的方法。
8.本发明是采用如下技术方案实现的：一种采用弱电能强化河流水体内污染物降解的方法，该方法按照以下步骤进行：一、微生物驯化选取某河道底泥，过筛、分装到厌氧瓶反应器内，每个厌氧瓶反应器内装有一定容量泥水混合物，用hcl和naoh溶液将ph调至7
±
0.2，顶空充氮气10 min，然后将反应器放置于恒温震荡培养箱内，培养箱条件为温度35
±
1℃，转速100
±
10rpm；以目标污染物为单一碳源对厌氧瓶反应器内的降解菌进行梯度驯化，每隔3d测定厌氧瓶反应器中该污染物的残留量，当去除率达到50
±
2％时，取厌氧瓶反应器内一定量的上清液，将剩余溶液倒掉，然后将取的清液重新倒入厌氧瓶反应器，并补以相同条件的新鲜人工配水，使厌氧瓶反应器内泥水体积达到最开始时的容量，再次驯化直至目标污染物去除率为50
±
2％；如此循环，直至同一浓度的目标污染物去除率到达50
±
2％需要的降解时间不变。然后取该菌悬液的一定量上清液接种到污染物浓度更高的人工配水中，污染物浓度增加梯度10-50 mg/l，保持厌氧瓶反应器中液体总体积不变，继续培养，这样每次以梯度进行逐级驯化到能降解设计最高浓度时，驯化完成；培养结束后，将厌氧瓶反应器内驯化好的降解菌与人工配水以1:10的体积比加入单室反应器；二、实验材料和方法（2）有机污染物的监测方法：有机污染物检测高效液相色谱进行定性定量分析，总有机碳分析仪（toc-v cph，岛津公司）来测定体系反应器内降解过程总有机碳的变化；（3）组装并连接数据记录仪：数据记录仪用于实时记录系统的电流数据变化情况；（4）对碳刷电极、碳布电极预处理；（5）间歇式系统构建：采用单室反应器，阳极为碳刷，阴极为碳布，反应器为玻璃材质，整个装置为密封厌氧环境；三、间歇式系统的接种启动与功能微生物的驯化：室温启动单室反应器，单室反应器外接电压0.8~1.5v，同时接入10 ω电阻以测定反应器电流；将厌氧瓶反应器内驯化好的降解菌与人工配水以1:10的体积比加入单室反应器进行启动；单室反应器入目标污染物选择驯化功能微生物，开始7d为一个周期（每个周期结束都需要补充污染物，7d为一个周期），等待电流周期性变化稳定且产电峰值稳定时即完成单室反应器的接种启动和功能微生物的驯化；四、河流水体中污染物降解：以目标污染物（间甲酚、喹啉、荧蒽、多环芳烃、焦化废
水等）为单一碳源进行驯化降解，利用高效液相色谱测定污染物的含量，分析降解效率。
9.弱电能介入强化生物修复技术是通过微生物和弱电能的耦合作用，有效地去除难降解的物质，还可以从有机废水中回收能源气体（h2、ch4），实现有机废物的回收再利用，具有绿色环保成本低，对环境无二次污染的优势，具有一定的研究价值和应用潜力。
10.本发明的有益成果：本发明采用间歇式系统降解河流水体内污染物，通过多频次的接种剩余污泥，驯化功能微生物，最终得到很好的降解效果。
附图说明
11.图1是弱电能介导的厌氧体系内污染物的降解过程。其中左图为实施例1，右图为实施例2。
具体实施方式
12.下面对本发明的具体实施例进行详细说明。
13.实施例1一、微生物驯化选取某河道底泥，过筛、分装到 500ml 厌氧瓶反应器内，每个反应器内装有泥水混合400ml，用1m hcl和1m naoh溶液将ph调至7左右，顶空充氮气10 min，然后将反应器放置于恒温震荡培养箱（温度35℃，100rpm）。实验组以间甲酚为单一碳源进行驯化，每隔3d测定厌氧反应器中污染物的残留量，设定初始浓度为50 mg/l，当去除率达到50％时，重新补以相同条件的新鲜人工配水，再次驯化直至去除率约为50％。如此循环，直至同一浓度的去除率到达50％需要的降解时间基本不变，然后取该菌悬液（即厌氧瓶反应器内的上清液，体积为厌氧瓶反应器20%左右）接种到含有更高浓度的人工配水中，保持厌氧瓶中液体总体积为400ml，继续培养驯化，每个实验组设置3个平行。以梯度（50 mg/l）进行逐级驯化到能降解设计最高浓度（300 mg/l）时，驯化完成。培养结束后，将厌氧瓶内驯化好的降解菌与人工配水以1:10的体积比加入单室反应器进行启动。室温启动反应器，反应器外接电压1 v，同时接入10 ω电阻以测定反应器电流。
14.二、具体实验方法如下：（1）反应器内人工配水成分无机盐培养基：k2hpo
4 （2.24g）、kh2po4（2.74g）、(nh4)2so4（1.00 g）、mgso4·
7h2o（0.20 g）、nacl（0.10 g）、cacl2（0.01g）、feso4·
7h2o （0.02g）。微量元素储备液：mnso4·
h2o（0.10 g）、znso4·
7h2o（0.12 g）、h3bo
3 （0.07 g）、na2mo o4·
h2o （0.04 g）、cuso4·
5h2o（0.02 g）、cocl2（0.04 g）；补足蒸馏水至1000ml。维生素溶液：生物素（20 mg）、叶酸（20 mg）、盐酸吡哆辛（100 mg）、盐酸硫胺素（5 mg）、核黄素（50 mg）、烟酸（50 mg）、泛酸钙（50 mg）、维生素（b12 1 mg）、对氨基苯甲酸（50 mg）、硫辛酸（50 mg）；超纯水（1 l）。用蒸馏水溶解后添加微量元素混合液2ml，维生素溶液1ml，定容至1l，用1 m hcl和1 m naoh溶液将培养基ph调至7左右。
15.（2）有机污染物的监测方法间甲酚的检测采用高效液相色谱进行定性定量分析，谱柱为c18色谱柱，检测甲醇
所用的流动相为甲醇/水（vol=60:40），流动相总流速为1ml/min，柱温设定为30℃，紫外检测器的使用波长为280 nm。
16.通过总有机碳分析仪（toc-v cph，岛津公司）来测定体系反应器内降解过程总有机碳的变化，从而得到反应周期结束后抗生素的矿化率。取样体积：10 ml。
17.三、使用本实施例实现弱电介导强化底泥有机污染物降解，具体的实施过程如下：a: 驯化周期结束后，在弱电能介导的厌氧生物体系内，将通入的电压从0.8 v增加到1.5 v。实验过程中取样，用离心机在8000rpm的速度下离心，取上清液，用0.22um的滤器过滤。
18.b: 用高效液相色谱测定间甲酚的去除率，考查间甲酚降解的最适电压。经研究发现，1.0 v为间甲酚降解的最适降解电压。
19.c: 在最适电压条件下，进行间甲酚降解性能的研究，测定间甲酚、toc、cod去除等数据，泥样冷冻保存。
20.d:当微生物驯化结束后，弱电能介导的体系与未通入弱电能的实验组相比，间甲酚去除率均为100%，但弱电能介导的体系内去除速率提高了0.38 mg/(l
·
h)，toc去除率提高了15.6%，说明电刺激强化间甲酚的厌氧降解及矿化。
21.实施例2使用本实施例实现弱电介导强化河流水体内喹啉降解，具体的实施过程如下：具体的实施方法与实施例1的类似相同，喹啉的检测采用高效液相色谱进行定性定量分析，流动相为甲醇/水（vol=70:30），紫外检测器的使用波长为266 nm。反应器内微生物驯化过程中喹啉浓度由50 mg/l增加到600 mg/l，增加量为50 mg/l，驯化周期为90 天。驯化周期结束后，在最适电压条件下，在弱电能介导的厌氧体系内测定喹啉的去除率，结果表明，较未通入弱电能的实验组，其降解速率提高到4.20 mg/(l
·
h)，高于未通入弱电能实验组1.55 mg/(l
·
h)，toc去除率提高了11.2%。
22.实施例3使用本实施例实现弱电介导强化河流水体内荧蒽降解，具体的实施过程如下：具体的实施方法与实施例1的类似相同，荧蒽的检测采用高效液相色谱进行定性定量分析，流动相为甲醇/水（vol=90:10），紫外检测器的使用波长为238 nm。
23.微生物驯化过程中，荧蒽初始浓度分别为10mg/l，以浓度梯度10 mg/l增加到100 mg/l，每个实验组设置3个平行。驯化周期结束后，在弱电能介导的厌氧体系内测定荧蒽的去除率，结果表明，较未通入弱电能的实验组，荧蒽去除率提高了12.4%，toc去除率提高了9.8%。
24.实施例4使用本实施例实现弱电介导强化河流底泥中pahs的降解具体的实施方法与实施例1的类似相同，实施过程中向风干的底泥添加配置的pahs储备液，充分混合后放置在通风橱中，将储备液中丙酮挥发掉，然后与河道底泥搅拌，让标准物与底泥充分吸附混合。经测定，pahs在底泥中的浓度为10-20 mg/kg。采用弱电能介导对河流底泥进行修复，与天然修复过程相比，60天后结果显示，对于河流底泥中荧蒽和沉积物中的总pahs，弱电能介导的实验组内去除效率提高了0.4倍，荧蒽的降解效率比对照组（无电子供体）高23％，说明电刺激强化底泥中pahs的厌氧降解。
25.实施例5使用本实施例实现弱电介导强化焦化废水有机污染物降解具体的实施方法与实施例1的类似相同，实验体系内阳极浸没在反应器中下部处，阴极是漂浮式空气阴极，（一半的阴极浸没在水面以下，另一半暴露在空气中）。驯化结束后，室温启动反应器，采用弱电能介导处理焦化废水生化水，结果表明对焦化废水中cod和色度具有较好的处理效果。120 h的最终出水codcr去除率达到了72.4
±
4.4%，说明经过处理的水样有机物种类、含量显著下降，可以有效降低有机质浓度，并可以去除大部分苯环物质。
26.最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。