利用紫外过氧乙酸去除污水中抗生素和抗性基因的方法

专利检索2022-05-11  238



1.本发明涉及污水处理技术领域,特别是涉及利用紫外/过氧乙酸去除污水中抗生素和抗性基因的方法。


背景技术:

2.随着全球水资源形势的日益严峻,污水再生利用已成为世界各国解决水资源短缺的重要战略对策。在一些发达国家,污水的再生利用起步较早,目前已得到了较好的推广应用;而我国起步较晚,仍有相当大的发展空间。在污水的再生利用过程中,再生水的公共卫生安全一直是备受关注的问题,而消毒作为最后屏障对污水的再生利用安全保障起着至关重要的作用。其中,对病原体的有效灭活是消毒过程需要保证的微生物学指标。但是,随着人们对污水中污染物认识的逐渐提高和分析检测手段的不断进步,发现除了包括病原体在内的传统的污染物以外,越来越多的新兴污染物在污水中被频繁检出,这也给污水的再生利用安全带来了巨大挑战。
3.污水中的新兴污染物的种类繁多,其中抗生素因其广泛使用以及可能对人类健康和环境的重大影响,已被认定为需要重点关注的新兴污染物。抗生素被人和动物摄入后,大部分仍然会以母体或者代谢产物的形式随尿液和粪便排出体外,而这些抗生素很多生物降解较差,经过污水处理后在出水中仍然存在,给污水的再生利用带来了极大的的安全风险。目前被广泛使用的抗生素,按照化学结构可分为β-内酰胺类、磺胺类、大环内酯类、喹诺酮类和四环素类等。另外,环境中残留的抗生素药物的不断积累会增加细菌耐药性从而诱导产生抗生素的抗性遗传因子,即抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes,args)。最新的研究表明,args同样也是重要的一类新兴污染物。因此,在保证污水中病原体有效灭活的基础上同时强化新兴污染物,抗生素及其args的去除在污水消毒领域至关重要。
4.传统的消毒工艺中,氯消毒被广泛应用于污水和饮用水的消毒处理中。然而,氯消毒会产生大量的卤代消毒副产物,如三卤甲烷、卤乙酸、卤乙腈和卤代醛等。亚硝胺类消毒副产物因其致癌性和致突变性比三卤甲烷和卤乙酸等传统的卤代消毒副产物更高,已被美国环保局认定为可疑致癌化合物。uv消毒产生的消毒副产物少、对病原体有很好的灭活效果,被认为是比较有效的消毒工艺。但是,uv消毒对污水中难降解有机物的去除具有选择性,且对args的去除效果不够理想,会使args产生光复活现象。因此,而将uv与其他同样产生消毒副产物少的消毒工艺进行联用,是实现污水中抗生素及抗性基因等新兴污染物去除的有效途径。目前,尚没有一种能够经济有效地同时去除污水中多种抗生素和抗性基因的方法。


技术实现要素:

5.本发明的目的是提供一种利用紫外/过氧乙酸去除污水中抗生素和抗性基因的方法,以解决上述现有技术存在的问题,使去除污水处理反应条件简单易行,处理效果好,反应温和,无二次污染,处理成本低,工业化应用前景大,可以同时去除污水中多种抗生素及
抗性基因。
6.为实现上述目的,本发明提供了如下方案:本发明提供同步去除污水中抗生素和抗性基因的方法,包括以下步骤:
7.(1)向污水中加入过氧乙酸(paa),然后搅拌均匀,获得第一混合液体;
8.(2)将步骤(1)获得的第一混合液体进行紫外(uv)照射,即可同时去除污水中的抗生素和抗性基因。
9.作为本发明的进一步优化,步骤(1)中所述第一混合液体中过氧乙酸的浓度为3~8mg/l。
10.作为本发明的进一步优化,步骤(1)中所述第一混合液体中过氧乙酸的最优浓度为5mg/l。
11.作为本发明的进一步优化,步骤(2)中所述紫外照射是在紫外灯辐射波长为300μw/cm2,紫外线剂量为36~180mj/cm2条件下照射1~10min。
12.作为本发明的进一步优化,步骤(2)中所述紫外照射是在紫外灯辐射波长为300μw/cm2,紫外线剂量为108mj/cm2条件下照射6min。
13.本发明还提供了所述同步去除污水中抗生素和抗性基因的方法在污水处理中的应用。
14.本发明适用于处理含多种抗生素及抗性基因的污水,包括四环素类、磺胺类、喹诺酮类、大环内酯类和β-内酰胺类等。本发明不同于氯消毒产生大量卤代消毒副产物(三卤甲烷、卤乙酸、卤乙腈和卤代醛等),采用紫外和过氧乙酸消毒可以有效避免有毒副产物的生成,是环境友好型的新型污水消毒方式,有利于污水的再生回用。
15.现有技术中单独的紫外照射或只投加过氧乙酸仅可产生少量的活性自由基。本发明将两者联用,向污水中投加过氧乙酸,辅以紫外照射即可,反应温度不限,无需额外加热装置,反应时间仅需1~10min,该反应过程中紫外线照射可以快速活化过氧乙酸,从而产生更过的羟基自由基,并同时产生含碳自由基,有效提高氧化效果,该方法处理对抗生素和抗性基因的最高去除率可达100%。而且过氧乙酸便宜易得,且使用的紫外线剂量低,本发明建设费用和运行费用低。
16.本发明公开了以下技术效果:
17.(1)、本发明提供了利用紫外/过氧乙酸去除污水中抗生素和抗性基因的方法,该方法适用目标物范围广,可同时去除多种抗生素及抗性基因。
18.(2)、本发明反应条件温和,去除率高,反应条件简单易行,处理时间短,不产生消毒副产物,环境友好性,处理成本低,具有良好的应用前景。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为实验例1中实施例1-2以及对比例1-3对污水中四环素盐酸盐、金霉素盐酸盐、盐酸强力霉素去除率的计算结果;
21.图2为实验例2中实施例1-2以及对比例1-3对污水中磺胺嘧啶、磺胺甲恶唑、磺胺间甲氧嘧啶去除率的计算结果;
22.图3为实验例3中实施例1-2以及对比例1-3对污水中环丙沙星、氧氟沙星、诺氟沙星去除率的计算结果;
23.图4为实验例4中实施例1-2以及对比例1-3对污水中罗红霉素、红霉素、克拉霉素去除率的计算结果;
24.图5为实验例5中实施例1-2以及对比例1-3对污水中苄青霉素和青霉素g甲盐去除率的计算结果;
25.图6为实验例6中实施例1-2以及对比例1-3对污水中四环素类抗性基因tetm去除率的计算结果;
26.图7为实验例7中实施例1-2以及对比例1-3对污水中胺类抗性基因sul3去除率的计算结果;
27.图8为实验例8中实施例1-2以及对比例1-3对污水中喹诺酮类抗性基因qnrd去除率的计算结果;
28.图9为实验例9中实施例1-2以及对比例1-3对污水中大环内酯类抗性基因erma去除率的计算结果;
29.图10为实验例10中实施例1-2以及对比例1-3对污水中β-内酰胺类抗性基因bla
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去除率的计算结果。
具体实施方式
30.现详细说明本发明的多种示例性实施方式,该详细说明不应认为是对本发明的限制,而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
31.应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式,并非用于限制本发明。另外,对于本发明中的数值范围,应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
32.除非另有说明,否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料,但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入,用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时,以本说明书的内容为准。
33.在不背离本发明的范围或精神的情况下,可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化,这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
34.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等,均为开放性的用语,即意指包含但不限于。
35.实施例1
36.取污水处理厂的实际二级出水污水,向污水中加入过氧乙酸溶液混匀获得第一混
合液体,第一混合液体中的过氧乙酸浓度为3mg/l,将第一混合液体在紫外灯辐射波长为300μw/cm2,紫外线剂量为36mj/cm2条件下照射2min,标记组别为uv/paa-l组。
37.实施例2
38.取污水处理厂的实际二级出水为污水,向污水中加入过氧乙酸溶液混匀获得第一混合液体,第一混合液体中的过氧乙酸浓度为5mg/l,将第一混合液体在紫外灯辐射波长为300μw/cm2,紫外线剂量为108mj/cm2条件下照射6min,标记组别为uv/paa-h组。
39.对比例1
40.取污水处理厂的实际二级出水为污水,仅单独使用紫外消毒方式对污水进行处理,将污水在紫外光强度为300μw/cm2,紫外线剂量为36mj/cm2条件下光照时间为2min,标记组别为uv-l组。
41.对比例2
42.取污水处理厂的实际二级出水污水,仅单独使用紫外消毒方式对污水进行处理,将污水在紫外光强度为300μw/cm2,紫外线剂量为180mj/cm2条件下光照时间为10min,标记组别为uv-h组。
43.对比例3
44.取污水处理厂的实际二级出水污水,仅单独使用过氧乙酸消毒方式对污水进行处理,向污水中加入稀释后的过氧乙酸溶液,使污水中的过氧乙酸浓度为8mg/l,反应30min,标记组别为paa组。
45.实验例1
46.通过测定实施例1-2和对比例1-3中污水处理厂的实际二级出水中四环素类抗生素四环素盐酸盐、金霉素盐酸盐、盐酸强力霉素在进行污水处理前后的浓度,计算不同污水处理方式下盐酸盐、金霉素盐酸盐、盐酸强力霉素的去除率,即得图1。
47.通过图1可以得出紫外/过氧乙酸联用进行污水处理,对三种四环素类抗生素的去除效率可达100%。
48.实验例2
49.通过测定实施例1-2和对比例1-3中污水处理厂的实际二级出水中磺胺类抗生素磺胺嘧啶、磺胺甲恶唑、磺胺间甲氧嘧啶在进行污水处理前后的浓度,计算不同污水处理方式下磺胺嘧啶、磺胺甲恶唑、磺胺间甲氧嘧啶的去除率,即得图2。
50.通过图2可以得出紫外/过氧乙酸联用进行污水处理,对三种磺胺类抗生素的去除效果最佳,平均去除率为35%,最高可达52%。
51.实验例3
52.通过测定实施例1-2和对比例1-3中污水处理厂的实际二级出水中喹诺酮类抗生素环丙沙星、氧氟沙星、诺氟沙星在进行污水处理前后的浓度,计算不同污水处理方式下环丙沙星、氧氟沙星、诺氟沙星的去除率,即得图3.
53.通过图3可以得出紫外/过氧乙酸联用进行污水处理,对三种喹诺酮类抗生素的去除效果最佳,平均去除率为93.9%,最高为100%。
54.实验例4
55.通过测定实施例1-2和对比例1-3中污水处理厂的实际二级出水中大环内酯类抗生素罗红霉素、红霉素、克拉霉素在进行污水处理前后的浓度,计算不同污水处理方式下罗
红霉素、红霉素、克拉霉素的去除率,即得图4.
56.通过图4可以得出紫外/过氧乙酸联用进行污水处理,对三种大环内酯类抗生素的去除效果最佳,平均去除率为25.7%,最高为29.3%。
57.实验例5
58.通过测定实施例1-2和对比例1-3中污水处理厂的实际二级出水中β-内酰胺类抗生素羟氨苄青霉素和青霉素g甲盐在进行污水处理前后的浓度,计算不同污水处理方式下羟氨苄青霉素和青霉素g甲盐的去除率,即得图5。
59.通过图5可以得出紫外/过氧乙酸联用进行污水处理,对两种β-内酰胺类抗生素的去除效果最佳,平均去除率为95.6%,最高为100%。
60.实验例6
61.通过实时荧光定量pcr测定实施例1-2和对比例1-3中污水处理厂的实际二级出水中四环素类抗性基因tetm进行污水处理前后的丰度,计算不同污水处理方式下的污水中四环素类抗性基因tetm去除率,即得图6。
62.通过图6可以得出紫外/过氧乙酸联用进行污水处理,对四环素类抗性基因tetm的去除效果最佳,最高为37.1%。
63.实验例7
64.通过实时荧光定量pcr测定实施例1-2和对比例1-3中污水处理厂的实际二级出水中胺类抗性基因sul3进行污水处理前后的丰度,计算不同污水处理方式下的污水中胺类抗性基因sul3去除率,即得图7。
65.通过图7可以得出紫外/过氧乙酸联用进行污水处理,对胺类抗性基因sul3的去除效果最佳,最高为64.3%。
66.实验例8
67.通过实时荧光定量pcr测定实施例1-2和对比例1-3中污水处理厂的实际二级出水中喹诺酮类抗性基因qnrd进行污水处理前后的丰度,计算不同污水处理方式下的污水中喹诺酮类抗性基因qnrd去除率,即得图8。
68.通过图8可以得出紫外/过氧乙酸联用进行污水处理,对喹诺酮类抗性基因qnrd的去除效果最佳,最高为52.5%。
69.实验例9
70.通过实时荧光定量pcr测定实施例1-2和对比例1-3中污水处理厂的实际二级出水中大环内酯类抗性基因erma进行污水处理前后的丰度,计算不同污水处理方式下的污水中大环内酯类抗性基因erma去除率,即得图9。
71.通过图9可以得出紫外/过氧乙酸联用进行污水处理,对大环内酯类抗性基因erma的去除效果最佳,最高为100%。
72.实验例10
73.通过实时荧光定量pcr测定实施例1-2和对比例1-3中污水处理厂的实际二级出水中β-内酰胺类抗性基因bla
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进行污水处理前后的丰度,计算不同污水处理方式下的污水中β-内酰胺类抗性基因bla
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去除率,即得图10。
74.通过图10可以得出紫外/过氧乙酸联用进行污水处理,对β-内酰胺类抗性基因bla
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的去除效果最佳,最高为30.2%。
75.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
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