基于强化水解的四环素类抗生素生产废水抗性基因源头控制技术研究

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发酵类抗生素生产废水残留有高浓度抗生素,直接进入废水生物处理系统会严重影响生物处理的效果,还可能会造成大量抗性菌及抗药基因的产生与传播。因此,在废水进入生物处理系统前将抗生素抗菌活性(效价)去除是源头控制抗药基因产生与传播,并保障废水处理效果的有效手段。本论文利用抗生素在溶液中会发生水解反应而失去效价的特性,提出通过提高水解温度及优化水解pH的方式来加速抗生素水解的思路,并以四环素、土霉素两类四环素类抗生素为对象开展了强化水解-中温厌氧组合工艺处理抗生素废水的可行性研究,在实验室小试和现场中试的基础上提出工程化需要的处理方案和工艺参数。论文的主要成果如下:  (1)本论文首先考察了四环素和土霉素的水解动力学过程及其效价变化。研究表明四环素及土霉素水解过程均遵循一级动力学反应。提高水解温度能够显著加速四环素和土霉素的水解,温度每提高10度,四环素水解速率能提高2.22到2.74倍,土霉素水解速率提高1.21到5.58倍。提高pH值能加速四环素水解,但高温条件下,土霉素的最优水解pH值为7。水解过程在去除四环素类抗生素的同时,也能够有效降低废水中的抗生素效价。四环素(土霉素)溶液和实际四环素生产废水的厌氧评价结果进一步证明了水解预处理过程能够有效降低抗生素对微生物的抑制。  (2)为探索抗生素水解预处理后对生物处理工艺可能造成的影响,本论文分别建立一套水解预(未水解)处理联合生物处理的小试实验对比装置以及一套水解预处理联合厌氧生物处理的中试装置。研究发现在有机负荷10kg COD/m3/d条件下,当土霉素投加浓度为200ppm时,经过水解预处理的厌氧反应器COD去除率达到94%,厌氧产甲烷不受抑制,而未经水解预处理的厌氧反应器COD去除率仅为27%,厌氧产甲烷抑制率达到78%。与此同时,相比常规生物处理工艺,中试结果表明水解预处理联合厌氧处理工艺处理土霉素母液时进水无需稀释、厌氧进水负荷高(3.3~5.9kg COD/m3/d)、处理效果好(COD去除率68.9%~83.2%),并且土霉素母液中的土霉素及抗生素效价基本上全部去除。小试及中试结果证明了水解预处理过程能够有效减少和降低抗生素对微生物的抑制,确保后续生物处理工艺的稳定运行。  (3)研究了抗生素水解预处理对后续生物处理工艺中微生物抗性基因的响应情况。研究发现,小试对比实验中经过水解预处理的生物反应器中污泥和出水总tet基因丰度和相对丰度均明显低于未经过水解预处理的生物反应器。中试实验中水解预处理联合厌氧处理工艺中试实验运行96天后,厌氧处理系统中抗性基因明显减少,总的tet基因相对丰度相比初始投加污泥(0天)tet基因相对丰度下降61%,仅为实际土霉素生产废水处理系统污泥tet基因相对丰度的20%。经过水解预处理后。这些结果表明水解预处理工艺在有效去除四环素类抗生素及其效价,消除抗生素对生化处理工艺的抑制作用的同时,还能够有效减少抗性基因的生成和传播,在抗生素生成废水处理领域具有很大的潜力与发展前景。
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