电化学氧化还原耦合产电型人工湿地系统、应用及使用方法

本技术涉及水污染控制与水处理的，尤其涉及一种电化学氧化还原耦合产电型人工湿地系统、应用及使用方法。

背景技术：

1、抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes,args)兼具有水平转移和难被生物降解的特性，会在土壤和水等介质中发生传播扩散，甚至随食物链传播，对生态环境和人类健康造成极大威胁。水土环境中出现抗生素-重金属复合污染的概率高，重金属的选择压力会进一步导致args丰度提高。因此，若要抑制args增殖，不仅要关注抗生素物质自身在环境介质中的浓度，还需显著降低重金属与抗生素在同一环境介质中共存的水平。

2、传统人工湿地是水产养殖和畜禽养殖等行业广泛应用的低成本生态型污水处理工艺。大量研究表明，产电型人工湿地(cw-mfc)可以在获得高效污染物处理的同时产生电能，在去除抗生素和控制args方面比普通湿地具有一定优势。但是，产电型人工湿地基质和出水中仍有一定量的args存在，未能克服微生物不得不持续暴露于抗生素-重金属复合污染而导致湿地内部args过量增殖，乃至向外界环境传播风险加剧的内在矛盾。

3、因此，我们提出了一种电化学氧化还原耦合产电型人工湿地系统及其应用用于解决上述问题。

技术实现思路

1、本技术的目的是解决上述背景技术中存在的缺点，而提出的一发明名称。

2、第一方面，本技术公开了一种电化学氧化还原耦合产电型人工湿地系统，包括：

3、电化学氧化还原池，电化学氧化还原池包括第一阳极和第一阴极；

4、产电型人工湿地，产电型人工湿地与电化学氧化还原池连接，产电型人工湿地包括第二阳极和第二阴极，第二阳极与第一阴极连接，第二阴极与第一阳极连接。

5、通过采用上述技术方案，本技术技术方案中优选电化学氧化还原池与产电型人工湿地相配合，含有抗生素与金属的地表水，经过电化学氧化还原氧化池处理，利用第一阳极氧化地表水中的抗生素，第一阴极还原地表水重金属，能够有效去除地表水中的重金属与抗生素，进而有效避免抗生素原形物质和重金属离子同时进入产电型人工湿地中，可能实现抗生素与重金属离子复合污染的初步解耦，进而减轻对产电型人工湿地中的微生物菌群的协同选择压力。

6、产电型人工湿地中的第二阳极为厌氧生物滤池，第二阴极为湿地型生物阴极，产电型人工湿地中的微生物分解有机物产生电子，在人工湿地中形成电位以及耦合系统，能够实现对初步解耦的地表水进行二次降解，氧化还原去除地表水中的金属与抗生素等杂质。

7、产电型人工湿地内的电化学微生物进行新陈代谢，可以将污水中的有机物的化学能转化为电能，但是产电型人工湿地的产电功率较低，只能输出低压电流，电能的利用有限。但是由于第一阳极与第二阴极、第一阴极与第二阳极的连接，产电型人工湿地中产生的电能可以输送给电化学氧化还原池，使上述二者产用电实现能级匹配，保障电化学氧化还原池1发挥其屏障效应，构成物质与能量互馈的耦合湿地系统。

8、电化学氧化还原池中利用电子运动代替化学氧化剂或者还原剂的添加，没有或者很少产生二次污染；反应条件温和，常温常压下即可进行，且能量效率高。电化学氧化还原技术在处理重金属或抗生素时分别表现出良好效果，同时在低压条件下，电催化转化具有电流效率高、电能消耗低、析氧副反应少等一系列优势。

9、可选的，第一阳极与第一阴极之间的距离为10mm-20mm，第一阳极由镍铁合金材料制成，第一阴极由镍铁合金材料制成。

10、可选的，第二阳极与第二阴极均包括：

11、第一固定网；

12、第二固定网，第二阳极与第二阴极之间的距离为5cm-10cm，第二固定网与第一固定网连接，第二固定网与第一固定网配合围设出容纳腔；

13、石墨碳毡，石墨碳毡设于容纳腔，石墨碳毡分别与第一固定网和第二固定网抵接。

14、通过采用上述技术方案，石墨碳毡能够作为微生物的主要载体，富集微生物，使微生物能够在第二阳极与第二阴极处进行氧化还原，产生电子。第一固定网与第二固定网能够增强第二阳极或第二阴极对电子的收集能力。利用石墨碳毡与第一固定网、第二固定网的配合稳定增强第二阳极与第二阴极对电子收集与转移效率。石墨碳毡、第一固定网与第二固定网均廉价易得，具有较佳的经济成本优势。

15、可选的，产电型人工湿地包括由下至上依次设置的承托层、阳极层、中间层、阴极层和植物层，承托层由粒径为6mm-8mm的砾石组成，阳极层由粒径为1mm-2mm的活性炭组成，中间层由8mm-10mm的砾石组成，阴极层由粒径为1mm-2mm的活性炭组成，植物层由水生植物组成。

16、通过采用上述技术方案，植物层与阴极层相连，水生植物的根系的泌氧作用可以增加阴极层电子受体量，提高产电型人工湿地的产电性能。湿地植物根系还会因自身的代谢作用而影响根系周围微生物的种群结构从而间接影响耦合系统的脱氮性能，因此水生植物的增加，有效提高了产电型人工湿地的产电效果以及污染物去除效果。

17、可选的，水生植物选自鱼腥草和薄荷中的一种或两种，水生植物还包括水葫芦和美人蕉中的一种或两种。

18、通过采用上述技术方案，本技术技术方案中优选鱼腥草或薄荷种植于植物层，鱼腥草与薄荷均富含多酚或蒽醌类物质，因此鱼腥草或薄荷的根系分泌物中含有电子中介功能的多酚或蒽醌类物质，能够有效提升阴极层中的电子传递效率，促进生物电的产生以及抗生素的去除。水葫芦或美人蕉种植在植物层，能够提高植物层丰富度与多样性，促进产电型人工湿地的产电效果以及去污染物效果。

19、可选的，还包括布水池，布水池设于电化学氧化还原池与产电型人工湿地之间；

20、电化学氧化还原池设有第一进水口和第一出水口，第一进水口与第一出水口设于电化学氧化还原池相对的两侧，在第一方向上，第一进水口位于第一出水口下方，第一出水口与布水池连通；

21、产电型人工湿地设有第二进水口和第二出水口，第二进水口与第二出水口设于产电型人工湿地相对的两侧，在第一方向上，第二进水口位于第二出水口的下方，第二进水口位于第一出水口的下方，第二进水口与布水池连通。

22、第二方面，本技术公开了一种电化学氧化还原耦合产电型人工湿地系统的应用，其特征在于，电化学氧化还原耦合产电型人工湿地系统应用于控制水中抗生素抗性基因传播。

23、通过采用上述技术方案，在传统人工湿地降低重金属-抗生素复合污染去除过程中引入电化学氧化还原池，首先实现重金属-抗生素复合污染的解耦，减小重金属的胁迫作用，同时将抗生素分子转化易生物降解的小分子中间产物，再利用产电型人工湿地进一步去除污染物，同时产电型人工湿地产生的电能为电化学氧化还原池供电，实现有效控制args传播且产用电能级匹配

24、第三方面，本技术公开了一种电化学氧化还原耦合产电型人工湿地系统的使用方法，应用上述的电化学氧化还原耦合产电型人工湿地系统，包括以下步骤：

25、s1、水体预处理：取含有抗生素-重金属的地表水作为待处理水，将待处理水由第一进水口输送至电化学氧化还原池中，进行初步降解，得到预处理水；

26、s2、二次降解：预处理水经由第一出水口输送至布水池，再由第二进水口输送至产电型人工湿地，依次流经阳极层、中间层和阴极层，完成二次降解与产电。

27、通过采用上述技术方案，将电化学氧化还原池作为前处理装置，通过第一阳极氧化地表水中的抗生素，第一阴极还原地表水中的重金属，有效避免抗生素原形物质和重金属离子同时进入产电型人工湿地中，可以实现抗生素-重金属复合污染的初步解耦，减小重金属的胁迫作用，降低地表水中的毒性，同时将抗生素分子转化易生物降解的小分子中间产物，有利于产电型人工湿地进一步去除污染物。由于相连接的第一阳极与第二阴极，第一阴极与第二阳极，产电型人工湿地产生的电能可以提供给电化学氧化还原池，构成能量自给的自维持系统，解决了产电型人工湿地回收的电能无法应用的问题。

28、可选的，待处理水在电化学氧化还原池内的停留时间为35-45h，预处理水在产电型人工湿地内的停留时间为70-75h。

29、通过采用上述技术方案，分别优化了地表水在电化学氧化还原池与产电型人工湿地内的停留时间，地表水在电化学氧化还原池阳极降解有机污染物，但不追求有机物分子的彻底矿化，将抗生素分子向易生物降解的小分子中间产物转化，同时降低废水毒性，从而更有利于微生物的降解。电化学氧化还原池阴极还原去除重金属，有效消除抗生素和重金属的协同选择压力。

30、综上，本技术具有如下技术效果：

31、1、电化学氧化还原池作为预处理段，有效避免抗生素原形物质和重金属离子同时进入产电型人工湿地，利用电化学氧化还原池解耦重金属-抗生素复合污染，减轻重金属-抗生素复合污染对产电型人工湿地内微生物菌群形成的协同选择压力，有效抑制产电型人工湿地内部抗性基因产生。

32、2、产电型人工湿地进一步降解电化学氧化还原池出地表水中的抗生素原形物质及其中间产物、其他一般性耗氧有机污染物，实现废水处理和产电的同步进行。

33、3、产电型人工湿地产生的电能为电化学氧化还原池供电，二者产用电能级匹配，能量自给，实现产电型人工湿地低压电原位利用的同时，保障了电化学氧化还原池发挥其屏障效应。

34、4、本技术采用鱼腥草、薄荷等富含多酚或蒽醌类中药植物，其分泌物中含有电子中介功能的蒽醌类/多酚类物质，进一步提升了电子传递效率，进而促进生物电的产生和抗生素的有效去除。

35、5、本技术保持了以湿地为核心的技术系统所应有的生态化特色，操作简单，运行费用低，从根本上克服传统人工湿地在控制此类复合污染时，由于微生物不得不持续暴露于抗生素-重金属复合污染而导致湿地内部args过量增殖，乃至向外界环境传播的内在矛盾，具有应用于重金属和抗生素复合污染废水处理的较高潜力。