基于零价铁强化含抗生素的废水生物脱氮处理效能及机理研究

Biological nitrogen removal from wastewater is significant to protect the waterbody from eutrophication. The abuse of antibiotics and their inefficient metabolism in the bodies cause them entering the wastewater treatment plant via sewage, which poses a potential threat to biological nitrogen removal. This project is aimed to enhance the biological nitrogen removal efficiency from antibiotics-containing wastewater by applying the zero-valent iron. The optimal operation parameters will be determined via investigation of influence factors, and the effect of zero-valent iron on nitrogen transformation and N2O generation will be explored during the antibiotics-restrained nitrogen removal process. Moreover, the mechanisms of biological removal enhancement from antibiotic-containing wastewater will be unclosed. By studying the impact of zero-valent iron on antibiotics degradation via abiotic and biotic pathways, the main pathway contributing the major antibiotic degradation is distinguished, and the variation of antibiotic concentration distribution in activated sludge system affecting on nitrogen removal is revealed. The ability changes of antibiotic crossing the cell membrane and its relationship with nitrogen removal will be analyzed through detecting the iron-induced changes of microbial surface structures especially the membrane characteristics. Furthermore, the iron-regulated behaviors of intracellular oxidative stress level and nitrogen removal metabolic process elucidate the molecular biological mechanism of the impact of iron on the improvement of antibiotic-depressed nitrogen removal. The result of this project will provide the WWTP a theoretical and practical reference to deal with the underlying operational risks induced by the antibiotics and other toxic organic pollutants.

污水生物脱氮处理对防控水体富营养化具有重要意义。抗生素的滥用及在机体中的低效率代谢导致抗生素排放至污水并进入污水处理厂，对生物脱氮产生潜在威胁。本项目拟利用零价铁强化含抗生素的废水生物脱氮处理效能，通过影响因素研究确定最优运行条件，探究抗生素抑制下零价铁对氮的转化及N2O生成的影响，并进一步探究零价铁对含抗生素废水生物脱氮的强化机理。通过零价铁对抗生素的非生物及生物多种降解途径的影响研究，探明引起抗生素最大降解贡献的途径，阐明抗生素在污泥系统中浓度分布的变化对脱氮的影响；通过研究零价铁对微生物表面结构尤其是细胞膜特性的影响，分析抗生素跨膜进入胞内的能力变化及与脱氮效果的关系；再者，通过铁对微生物胞内氧化应激水平的及脱氮代谢过程的调控影响研究，进一步阐释抗生素影响下零价铁强化脱氮的分子生物学机制。本项目研究成果可为污水处理厂应对抗生素或其他有毒有机污染物引起的运行风险提供理论和实践依据。

抗生素的广泛使用及在机体中的低效率代谢导致抗生素排放至污水并进入污水处理厂，此外，抗生素生产过程亦会产生抗生素类废水，含抗生素的废水在废水处理过程过程对生物脱氮可能产生抑制影响，从而导致出水总氮不达标，引发水体富营养环境风险。因此，本项目重点探究废水中的抗生素对生物脱氮处理效能的影响，并开展零价铁（Fe0）强化废水生物脱氮的效能及机理研究。.本项目选择具有广谱抗菌作用和抗生素功能的黄连素为研究对象，考察了Fe0在水解酸化/好氧（A/O）处理工艺中对黄连素废水处理效能的影响。结果发现，Fe0对水解酸化段化学需氧量（COD）和黄连素的去除率分别提高了10%，8%，且显著降低A段出水的分子量，有效提高废水可生化性。黄连素对硝化作用具有显著抑制，导致出水含有较高氨氮浓度；Fe0的投加使硝化效率提高15%，且出水总氮浓度更低，对黄连素废水的生物脱氮表现出显著的促进作用。.进一步的，深入探究了Fe0促进生物脱氮的机理。确定了铁刨花强化脱氮的最佳投量为80g/L，证实了零价铁的投加会改变微生物的空间分布，具有更强反硝化能力的微生物选择性在铁周围富集，并在铁刨花周围形成局部缺氧区域。宏基因组及宏转录组研究表明，零价铁主要通过强化缺氧反硝化途径，提高微生物对反硝化过程的电子利用效率，实现脱氮效能的强化。此外，进一步探究了以铁刨花作为曝气生物滤池的滤料，在废水深度处理过程对生物脱氮的促进，发现零价铁可改变滤池中的生境条件，向有利于脱氮的反应条件转化，且零价铁可提高反硝化酶活性，上调反硝化功能基因的表达，引起更多反硝化功能微生物及导电微生物富集，从而同步提高废水中有机物与氮的去除。.本项目的研究成果，有助于污水处理厂生物脱氮效能的调控以及对原有生物脱氮系统的升级改造，为缓解抗生素引起的污水生物脱氮处理运行风险提供理论和实践依据，同时也为污水处理厂面临的其他有毒有机污染物的风险防控提供参考。