一种改性缓流水体沉积物耦合驯化禽畜粪便生物复合物吸附降解水环境中四环素的方法

1.本发明涉及一种改性缓流水体沉积物耦合驯化禽畜粪便生物复合物吸附降解水环境中四环素的方法，属于污水处理技术领域。


背景技术：

2.四环素类抗生素是20世纪40年代发现的一类具有菲烷母核的广谱抗生素，该类抗生素广泛应用于革兰阳性和阴性细菌、细胞内支原体、衣原体和立克次氏体引起的感染。此外，包括美国在内的一些国家，四环素还被大量用作生长促进剂投喂给动物。据研究发现，四环素中只有很小一部分可以在人体和动物体内被代谢或者吸收，其余大部分都在排泄物中释放，这导致了市政污水厂、土壤和沉积物、地表水、地下水中均能够检测到四环素的残留。抗生素在人体内不断地积累，会导致人类在未来对其产生耐药性，这种危害是无法估量的，同时水环境中抗生素的存在也会阻碍水资源的重复利用，故而水环境中抗生素的去除问题已逐渐被国内外专家列为重要的环境问题。
3.水体沉积物是水体中沉降下来的物质总称，其主要组成成分是动植物遗骸、沉垢、污泥等，主要是陆地岩石风化、水动力作用等诸多自然作用的共同结果。水体沉积物中包含大量的各种自然胶体，包括无机胶体和有机胶体，对水环境中的有机质、矿物质等具有吸附作用。因此，水体沉积物已被作为一种环保吸附材料广泛用于水环境中污染物的去除。
4.普通水体流动比较频繁，不利于沉积物的堆积；少量沉积物为非常容易沉积的物质，从而普通水体沉积物的成分较为单一，吸附作用有限。缓流水体，即流动较缓的水体，通常是指湖泊、水库、池塘、某些河流水体和海湾等封闭性或者半封闭性的水体等，其特点是流动性小、置换速度缓慢、复氧能力差和自净能力弱等。缓流水体自身没有大范围的冲刷，不会影响沉积物的生成。有报道称，缓流水体沉积物与普通水体沉积物的区别主要是成分不同，缓流水体沉积物的成分相对复杂，吸附作用往往更加突出。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种改性缓流水体沉积物耦合驯化禽畜粪便生物复合物吸附降解水环境中四环素的方法。
6.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供的技术方案是：一种改性缓流水体沉积物耦合驯化禽畜粪便生物复合物吸附降解水环境中四环素的方法，包括下列步骤：步骤1：收集得到缓流水体中的沉积物；步骤2：对沉积物进行清洗，然后再将清洗后的沉积物与其5-20倍质量的水混合，放入超声波频率25-35khz、功率密度为0.25-0.50w/cm2超声波环境中，超声处理5-10min；接着离心去除上清液，收集沉淀；步骤3：对沉淀进行干燥，得到干燥后的沉积物；步骤4：对干燥后的沉积物进行粉碎，得到沉积物粉末；
步骤5：将沉积物粉末加入由盐酸和硫酸组成的混合溶液中，室温条件下搅拌1.5-2.5h，然后用去离子水洗涤至ph值为7.0-7.5，得到改性样品，干燥后得到改性缓流水体沉积物；步骤6：将禽畜养殖场的粪便加入含有填料的sbr反应器中，前期进水为不含抗生素的污水，等到出水的cod和氨氮保持稳定后，将进水改为含有四环素的禽畜粪便污水，运行周期6-12个小时，每个周期进水、好氧、缺氧、沉淀、出水分别为0.2-0.3 h、3.5-4.5h、2-3h、0.4-0.6h、0.2-0.3h，一共驯化25-35天，取出填料，用无菌水冲洗填料，然后刮下并收集填料上的生物膜，按照质量比8-12：1将sbr反应器内的驯化后的污泥与生物膜混合得到复合物；步骤7：将步骤5得到的改性缓流水体沉积物与步骤6得到的复合物按照3-5：1的质量比例进行混合，然后投放至待处理的污水中以对四环素进行吸附降解。
7.优选的技术方案为：步骤1中，所述缓流水体为水体流速小于或等于0.1m/s的淡水湖泊、河湾、水库；沉积物取自缓流水体的岸埂上，取样水深为0cm-20cm。
8.优选的技术方案为：步骤2中，离心的速度为3000-5000r/min，时间为2-5min。
9.优选的技术方案为：步骤3中，将沉淀采用真空表压为-0.09~-0.10mpa、温度-60~-30℃的真空冷冻干燥处理至恒重，得到干燥后的沉积物。
10.优选的技术方案为：步骤5中，盐酸和硫酸的浓度均为1mol/l，两者之间的体积比为1：1；真空冷冻的真空表压为-0.09~-0.10mpa、温度-60~-30℃。
11.优选的技术方案为：步骤7中，投放的混合物是待处理的污水中含有的四环素质量的80-120倍，待处理的污水的ph值为5.8-6.2，吸附时间为8-10h，降解时间为14-18d。
12.由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有的优点是：本发明使用更加耐冲击负荷的悬浮填料sbr反应器，对含有四环素的禽畜废水进行厌氧-好氧交替驯化，最后收集填料上附着的微生物以及驯化污泥，与改性后的缓流沉积物进行混合后来处理水环境中的四环素，通过吸附和降解作用，实现四环素的无害化处理。
附图说明
13.图1为改性缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物的混合物吸附四环素前后的红外光谱图。
14.图2为缓流水体沉积物的低倍率（a）和高倍率（b）sem图。
15.图3为改性缓流水体沉积物的低倍率（a）和高倍率（b）sem图。
16.图4为缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物混合物及其改性条件下缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物混合物对四环素吸附的动力学曲线。
17.图5改性条件下缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物混合物对四环素的降解附效果对比图。
18.图6为改性条件下缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物混合物对四环素的降解降解曲线。
具体实施方式
19.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本实施
例所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
20.请参阅图1-6。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整。提供以下实施例以便更好地理解本发明，而非限制本发明。以下实施例中的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的实验材料如无特殊说明，均为常规生化试剂商店购买所得。
21.实施例1：一种改性缓流水体沉积物耦合驯化禽畜粪便生物复合物吸附降解水环境中四环素的方法一种改性缓流水体沉积物吸附水环境中四环素的方法，其特征在于，包括以下技术步骤。
22.（1）收集缓流水体沉积物所述的缓流水体，为水体流速低于0.1m/s的淡水湖泊、河湾、水库等。优选的，缓流水体选择水流接近静置的淡水湖泊。
23.沉积物取自缓流水体的岸埂上，取样水深范围为0cm-20cm，用可密闭封口的洁净容器收集，密闭储运。
24.（2）洗涤过滤将（1）中收集的沉积物，采用足量的纯化水，充分清洗，去除砂石、悬浮杂质等。优选的，先将（1）中收集的沉积物采用足量的纯化水清洗除去砂石、泥土；然后再将沉积物与5-20倍质量的纯净水混合，放入超声波频率30khz、功率密度为0.35w/cm2超声波环境中，超声处理8min，以充分去除悬浮杂质。
25.将清洗后的沉积物，采用用离心机离心处理，离心工作条件为转速4000r/min转，时间2-5min；离心结束后，倒去上清液，收集沉淀，备用。
26.（3）冷冻干燥将（2）中沉淀采用真空表压为-0.09~-0.10mpa、温度-45℃的真空冷冻干燥处理至恒重，得到冻干沉积物，备用。
27.（4）粉碎将（3）中冻干沉积物粉碎至细度60目，得到沉积物冻干粉，备用。优选的，将（3）中冻干沉积物放入研钵中充分研磨，然后通过60目筛网，收集下落物料得到沉积物冻干粉，备用。
28.（5）改性处理将5g缓流水体沉积物加入500ml烧杯中，同时在烧杯内加入200ml的盐酸和硫酸混合溶液，盐酸和硫酸的浓度均为1mol/l，两者的体积比为1：1，之后使用磁力搅拌器固定转速为180r/min，在室温条件下搅拌2h，待沉积物样品和混酸完全混合结束后，用去离子水对改性样品充分水洗至中性，并使用循环水式真空泵进行抽滤，采用真空表压为-0.09~-0.10mpa、温度-60~-30℃的真空冷冻冷冻干燥14h后，得到改性缓流水体沉积物。所述的中性，指改性样品的ph值为7.2。
29.（6）驯化禽畜粪便污水取规模化禽畜养殖场的粪便500g加入含有悬浮填料的体积为10l的sbr反应器，前
期进水为不含抗生素的人工生活污水（cod为300、氨氮为25），等到出水的cod和氨氮保持稳定后，将进水改为含有四环素的禽畜粪便污水，运行周期8个小时，每个周期进水、好氧、缺氧、沉淀、出水分别为0.25 h、4 h、3 h、0.5h、0.25 h，反应器温度控制在25℃左右，驯化30天，取出填料，用无菌水冲洗填料表面2次，然后刮除收集填料上的生物膜，按照驯化后污泥与生物膜10：1的比例制成混合物。
30.（7）改性缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物的混合物吸附降解四环素将（5）中得到的改性缓流水体沉积物与（6）中得到的复合物按照4：1的比例进行混合。常温条件下，针对各种浓度的含四环素水体，投放改性缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物的混合物，对四环素均具有良好的吸附降解作用。优选的，改性缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物的混合物吸附降解水体中的四环素，改性缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物混合物为水体中四环素质量的100倍，最适的水体ph值为6，吸附时间为9h，降解时间为16d。
31.采用型号为nicolet 330的傅里叶红外光谱仪对改性缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物的混合物吸附四环素前后进行分析，测试波长范围为：4000-400cm-1
。
32.图1为改性缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物混合物吸附四环素前后的红外光谱图。从图1中可以看出改性缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物混合物在吸附四环素前后的ftir图基本一致，这也表明改性缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物混合物的整体结构在吸附中没有被损害。在3620cm-1
处出现的峰是由oh伸缩振动产生的，3423cm-1
处出现了-nh2伸缩振动峰，同时在吸附后发生了左移；2922cm-1
处出现了-ch
2-反对称伸缩振动峰；在1647cm-1
处出现由双键c=o的伸缩振动峰，并且在吸附后，峰的强度出现了增强；在1038cm-1
处出现由c-o伸缩振动峰，吸附后峰的位置发生了右移；796cm-1
处出现的峰是由si-o-si的不对称伸缩振动导致的，并且在吸附后发生了左移。综上所述，改性缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物混合物所存在的官能团与未改性前基本一致，也带有羟基、氨基、烷基、含氧基团，可能含有含硫、磷基团，这也对四环素的去除起了决定性的作用。
33.采用型号为quanta feg 250的扫描电子显微镜将样品喷金后观察缓流水体沉积物、改性缓流水体沉积物的表面样貌。如图2所示，（a）和（b）分别为缓流水体沉积物在1
µ
m和500nm b）分别为缓流水体沉积物在15万和10万放大倍数下的扫描电镜图）下的扫描电镜图。由sem图不难发现，缓流水体沉积物样品表面整体呈不规则的片状，同时无明显的空隙。
34.如图3所示，（a）和（b）分别为缓流水体沉积物的改性样品在1
µ
m和500nm（1
µ
m和500nm是sem的标尺，（a）和（b）分别为缓流水体沉积物在15万和10万放大倍数下的扫描电镜图）下的扫描电镜图。从图中可以看出，缓流水体沉积物改性样品与未改性前样品相比较，整体虽仍然呈不规则的片状，但是样品中空隙明显变大。
35.改性缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物混合物对四环素吸附的动力学曲线的实验条件为如下。初始条件，50 mg/l的四环素溶液200ml于500 ml锥形瓶中、0.8g的吸附降解剂（缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物混合物、改性缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物混合物）；实验条件温度30℃、转速150r/min下振荡、0 min-720 min内取样。取样经过0.45
ꢀµ
m针式滤头过滤得到滤液，并迅速用紫外可见分光光度计测定四环素浓度。四环素为分析纯，购自上海麦克林生化科技有限公司。
36.缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物混合物和改性缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物混合物吸附四环素的吸附行为，动力学曲线如图4所示。
37.从图4中可以轻易看出，在缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物混合物及其改性条件下缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物混合物吸附四环素的实验开始后，四环素的吸附量便快速增长。在实验进行到90min时，四环素的吸附量分别达到了总吸附量的75.38%、87.52%，之后随着吸附实验的进行，四环素的吸附量仍旧在增加，但是吸附速率在缓慢增长。实验的吸附平衡发生在480min，缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物混合物及其改性条件下缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物混合物对四环素的吸附量最终达到9.24mg/g、11.04mg/g。
38.改性条件下缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物混合物对四环素的吸附效果如图5所示，改性条件下缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物混合物对初始浓度为160mg/l四环素吸附对比图，左侧为未添加改性条件下缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物混合物的四环素溶液，右侧为添加改性条件下缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物混合物吸附处理后的溶液。因为四环素溶液本身呈黄色，从图中可以明显看出改性缓流水体沉积物吸附处理后的效果明显。
39.改性条件下缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物混合物对四环素的降解效果的实验条件为如下。初始条件，在含有100ml无机盐培养基（1.79g na2hpo4﹒12h2o，0.79g na2hpo4﹒12h2o，0.5g （nh4）2so4，0.5g kcl，1mlsl-4溶液，0.1ml的5% cacl2溶液, 0.1ml20%的mgso4溶液,）的锥形瓶中加入1g的吸附降解剂（缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物混合物）；实验条件温度30℃、转速50r/min下振荡，每2天取3个样品，然后对样品进行超声破碎（超声波频率40khz，超声功率500w，超声处理15min），过0.45
µ
m针式滤头过滤得到滤液，并迅速用紫外可见分光光度计测定四环素浓度。四环素为分析纯，购自上海麦克林生化科技有限公司。测得的降解曲线如图6所示。可以看出来，改性条件下缓流水体沉积物与驯化禽畜粪便生物复合物混合物对四环境不仅有着很好的吸附效果，而且可以对四环素进行降解，在18天左右的时候能够到达90%的降解率。
40.实施例2：改性缓流水体沉积物耦合驯化禽畜粪便生物复合物吸附降解水环境中四环素的方法一种改性缓流水体沉积物耦合驯化禽畜粪便生物复合物吸附降解水环境中四环素的方法，包括下列步骤：步骤1：收集得到缓流水体中的沉积物；步骤2：对沉积物进行清洗，然后再将清洗后的沉积物与其5倍质量的水混合，放入超声波频率25khz、功率密度为0.25w/cm2超声波环境中，超声处理5min；接着离心去除上清液，收集沉淀；步骤3：对沉淀进行干燥，得到干燥后的沉积物；步骤4：对干燥后的沉积物进行粉碎，得到沉积物粉末；步骤5：将沉积物粉末加入由盐酸和硫酸组成的混合溶液中，室温条件下搅拌1.5h，然后用去离子水洗涤至ph值为7.0，得到改性样品，干燥后得到改性缓流水体沉积物；步骤6：将禽畜养殖场的粪便加入含有填料的sbr反应器中，前期进水为不含抗生素的污水，等到出水的cod和氨氮保持稳定后，将进水改为含有四环素的禽畜粪便污水，运
行周期6.3个小时，每个周期进水、好氧、缺氧、沉淀、出水分别为0.2h、3.5h、2h、0.4h、0.2h，一共驯化25天，取出填料，用无菌水冲洗填料，然后刮下并收集填料上的生物膜，按照质量比8：1将sbr反应器内的驯化后的污泥与生物膜混合得到复合物；步骤7：将步骤5得到的改性缓流水体沉积物与步骤6得到的复合物按照3：1的质量比例进行混合，然后投放至待处理的污水中以对四环素进行吸附降解。
41.优选的实施方式为：步骤1中，所述缓流水体为水体流速小于或等于0.1m/s的淡水湖泊、河湾、水库；沉积物取自缓流水体的岸埂上，取样水深为0cm。
42.优选的实施方式为：步骤2中，离心的速度为3000r/min，时间为2min。
43.优选的实施方式为：步骤3中，将沉淀采用真空表压为-0.09mpa、温度-60℃的真空冷冻干燥处理至恒重，得到干燥后的沉积物。
44.优选的实施方式为：步骤5中，盐酸和硫酸的浓度均为1mol/l，两者之间的体积比为1：1；真空冷冻的真空表压为-0.09mpa、温度-60℃。
45.优选的实施方式为：步骤7中，投放的混合物是待处理的污水中含有的四环素质量的80-120倍，待处理的污水的ph值为5.8，吸附时间为8h，降解时间为14d。
46.实施例3：改性缓流水体沉积物耦合驯化禽畜粪便生物复合物吸附降解水环境中四环素的方法一种改性缓流水体沉积物耦合驯化禽畜粪便生物复合物吸附降解水环境中四环素的方法，包括下列步骤：步骤1：收集得到缓流水体中的沉积物；步骤2：对沉积物进行清洗，然后再将清洗后的沉积物与其20倍质量的水混合，放入超声波频率35khz、功率密度为0.50w/cm2超声波环境中，超声处理10min；接着离心去除上清液，收集沉淀；步骤3：对沉淀进行干燥，得到干燥后的沉积物；步骤4：对干燥后的沉积物进行粉碎，得到沉积物粉末；步骤5：将沉积物粉末加入由盐酸和硫酸组成的混合溶液中，室温条件下搅拌2.5h，然后用去离子水洗涤至ph值为7.5，得到改性样品，干燥后得到改性缓流水体沉积物；步骤6：将禽畜养殖场的粪便加入含有填料的sbr反应器中，前期进水为不含抗生素的污水，等到出水的cod和氨氮保持稳定后，将进水改为含有四环素的禽畜粪便污水，运行周期12个小时，每个周期进水、好氧、缺氧、沉淀、出水分别为0.3 h、4.5h、3h、0.6h、0.3h，一共驯化35天，取出填料，用无菌水冲洗填料，然后刮下并收集填料上的生物膜，按照质量比12：1将sbr反应器内的驯化后的污泥与生物膜混合得到复合物；步骤7：将步骤5得到的改性缓流水体沉积物与步骤6得到的复合物按照5：1的质量比例进行混合，然后投放至待处理的污水中以对四环素进行吸附降解。
47.优选的实施方式为：步骤1中，所述缓流水体为水体流速小于或等于0.1m/s的淡水湖泊、河湾、水库；沉积物取自缓流水体的岸埂上，取样水深为20cm。
48.优选的实施方式为：步骤2中，离心的速度为5000r/min，时间为5min。
49.优选的实施方式为：步骤3中，将沉淀采用真空表压为-0.10mpa、温度-30℃的真空冷冻干燥处理至恒重，得到干燥后的沉积物。
50.优选的实施方式为：步骤5中，盐酸和硫酸的浓度均为1mol/l，两者之间的体积比
为1：1；真空冷冻的真空表压为-0.10mpa、温度-30℃。
51.优选的实施方式为：步骤7中，投放的混合物是待处理的污水中含有的四环素质量的120倍，待处理的污水的ph值为6.2，吸附时间为10h，降解时间为18d。
52.以上所述者仅为用以解释本发明之较佳实施例，并非企图具以对本发明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之发明精神下所作有关本发明之任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护之范畴。