【摘 要】
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随着经济水平的快速发展,我国城市生活污水处理厂剩余活性污泥的产生量也日益增加。高含水率和富集的大量环境污染物成为污泥资源化利用的两大制约因素,因此同步去除污泥中水分及部分污染物成为污泥资源化研究重要的目标之一。抗生素抗性基因(Antibiotic Resistance Genes,ARGs)作为新兴的环境污染物已被联合国列为六大环境问题之一。污泥作为ARGs的重要储存地,在资源化利用过程中存在着较
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随着经济水平的快速发展,我国城市生活污水处理厂剩余活性污泥的产生量也日益增加。高含水率和富集的大量环境污染物成为污泥资源化利用的两大制约因素,因此同步去除污泥中水分及部分污染物成为污泥资源化研究重要的目标之一。抗生素抗性基因(Antibiotic Resistance Genes,ARGs)作为新兴的环境污染物已被联合国列为六大环境问题之一。污泥作为ARGs的重要储存地,在资源化利用过程中存在着较高的抗生素抗性传播和扩散风险。因此,无论在污泥的前端调理还是后端土地利用过程,ARGs的削减和控制至关重要。污泥调理是提高污泥脱水性能必不可少的环节,同时近期研究也表明部分污泥调理方式可以在提高污泥脱水性能的同时有效去除污泥中ARGs。一方面,已有研究表明污泥芬顿调理能够有效提高污泥脱水性能,然而目前仍不清楚污泥芬顿调理是否能够在提高污泥脱水性能的同时去除污泥中ARGs。另一方面,前期研究已表明生物沥浸和Fe[Ⅲ]/CaO调理对污泥中ARGs有较强的削减能力,而传统的聚丙烯酰胺(Polyacrylamide,PAM)絮凝剂调理则不能有效降低污泥中ARGs的含量,然而对于这三种调理污泥堆肥产物的土地利用对于土壤中ARGs的影响尚不清楚。因此,深入研究污泥中ARGs在芬顿调理及不同调理污泥堆肥产物土地利用过程中的控制对于有效降低污泥中的抗生素抗性在环境中的扩散传播有重要的意义。本文以剩余活性污泥为研究对象,(1)在研究污泥预酸化影响芬顿调理提高污泥脱水性能的基础上,进一步探究污泥预酸化对于芬顿调理同步提高污泥脱水性能和去除污泥中ARGs的关键作用,并分析污泥脱水性能提高和ARGs去除同步实现的机制;(2)比较PAM调理、生物沥浸调理和Fe[Ⅲ]/CaO调理后的污泥堆肥产物在模拟土地利用(土壤培养实验)过程中ARGs的总量变化差异以及不同子类ARGs的衰减差异;(3)从微生物群落变化的水平揭示土壤中ARGs变化差异的原因,分析ARGs潜在宿主微生物的变化以及驱动ARGs变化的影响因素。研究发现:(1)污泥预酸化对于芬顿调理提高污泥脱水性能的影响有限。采用芬顿试剂调理原始污泥可有效提高污泥的脱水程度和脱水速率,泥饼含水率从87.41%降至73.32%,污泥毛细吸水时间(Capillary Suction Time,CST)和比阻(Sludge Resistance to Filtration,SRF)可分别降低85.02%和92.17%。但预酸化环节可进一步降低芬顿试剂的投加量。(2)污泥预酸化是芬顿调理同步提高污泥脱水性能和去除污泥中ARGs的关键。污泥预酸化结合芬顿调理对污泥中总ARGs、脱水泥饼和脱水滤液中的ARGs都起到了较好的削减效果(总ARGs:2.10个数量级;脱水泥饼ARGs:1.44个数量级;脱水滤液ARGs:1.51个数量级)。然而,脱水滤液中tet34,tet32(四环素类)和intI1(一类整合子)的相对丰度出现了反弹,存在着四环素抗性基因转移的风险。污泥微生物细胞的凋亡是预酸化结合芬顿调理协同提高污泥脱水性能和去除污泥ARGs的重要原因。(3)生物沥浸调理和Fe[Ⅲ]/CaO调理虽然均能够有效削减污泥中的ARGs,然而两者堆肥后的产物在土地利用过程ARGs的变化却显示出了差异。其中,生物沥浸调理污泥堆肥产物在红壤中培养170天后,样品的ARGs丰度接近空白土壤水平(仅相差1.53倍)。而Fe[Ⅲ]/CaO调理污泥堆肥产物在红壤中培养后ARGs丰度是空白土壤的4.79倍。堆肥样品中5种主要的ARGs(aac(6’)-Ⅱ,floR,mexF,Sul2和tetG-01)在生物沥浸调理污泥堆肥产物土地利用过程的衰减作用总体最强。(4)生物沥浸调理污泥堆肥产物土地利用后土壤微生物的种类和丰富度小于其他污泥堆肥产物。Fe[Ⅲ]/CaO调理污泥堆肥产物在土地利用过程中ARGs潜在宿主丰度最高,ARGs传播和扩散的风险最高。pH、WSOC、WSON等物化指标以及可移动遗传元件的变化与部分ARGs潜在宿主的变化相关性高,Planctomy cetes、Proteobacteria、Actinobacteria和Bacteroidetes四种潜在宿主微生物导致的抗生素抗性转移风险最高。以上结果表明,污泥预酸化结合芬顿调理能够同步提高污泥脱水性能和去除污泥ARGs,在污泥调理环节成功实现ARGs的削减。不同调理污泥堆肥产物土地利用的结果表明,生物沥浸调理在有效削减污泥ARGs的基础上能够有效降低其堆肥产物土地利用过程中的抗生素抗性传播风险,显著优于Fe[Ⅲ]/CaO调理和PAM调理。以上研究表明污泥调理对于控制污泥中ARGs的环境传播有重要作用,也为污泥资源化利用过程中抗生素抗性的环境风险控制提供了全新的思路。
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