申请日2017.06.26
公开(公告)日2017.09.15
IPC分类号C02F9/14
摘要
本发明公开了一种微动力去除废水中抗生素的多介质处理系统及方法，所述系统包括废水预处理单元(1)、多介质土壤层系统处理单元(2)、湿地梯级处理单元(3)、微动力光催化处理单元(4)、全时段光照供给单元(5)、风光互补微动力单元(6);所述废水预处理单元依次与多介质土壤层系统处理单元、湿地梯级处理单元、微动力光催化处理单元相连;所述风光互补微动力单元分别与多介质土壤层系统处理单元、微动力光催化处理单元以及全时段光照供给单元相连。该系统创新采用多介质土壤层系统，通过对不同级多介质土壤子系统的布水层，通水层以及土壤混合模块层的组成和粒径进行优化选择，从而提升系统对抗生素类污染物的吸附和降解能力。
权利要求书
1.一种微动力去除废水中抗生素的多介质处理系统，其特征在于，包括废水预处理单元(1)、多介质土壤层系统处理单元(2)、湿地梯级处理单元(3)、微动力光催化处理单元(4)、全时段光照供给单元(5)、风光互补微动力单元(6);所述废水预处理单元依次与多介质土壤层系统处理单元、湿地梯级处理单元、微动力光催化处理单元相连;所述风光互补微动力单元分别与多介质土壤层系统处理单元、微动力光催化处理单元以及全时段光照供给单元相连;所述废水预处理单元包括格栅调节池、厌氧消解池、沉淀池，三个池的容积比为2～3:5～9:3～4;所述格栅调节池和沉淀池底部倾角为45°～60°;所述厌氧消解池为折流式，并设置厌氧消化菌挂膜填料;所述厌氧消解池依据进水的可生化性设定池容。
2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述多介质土壤层系统处理单元包括种植层(7)、多介质土壤层子系统(8)、布水系统(13)、富氧系统(14)和排水层(12);所述的多介质土壤层子系统从上至下包括两级多介质土壤子系统，每一级多介质土壤子系统包含布水层(9)、通水层(10)和土壤混合模块层(11)。
3.根据权利要求2所述系统，其特征在于，所述布水系统包括两层布水管网，每层布水管网采用“丰”字形布水，分别位于多介质土壤层子系统布水层9中部;每层布水管网前设置流量调节阀;所述富氧系统包括两层富氧管网，每层富氧管网采用“田”形布设，分别位于多介质土壤层子系统通水层的底部;每层富氧管网前设置气体流量调节阀;所述的排水层位于多介质土壤层子系统第二级通水层下方，包括集水层、汇水层;所述集水层采用直径30～50mm的砾石组成;所述汇水层采用钢混结构雨篦子与钢混结构支撑层组成。
4.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述湿地梯级处理单元依次包括一级或串联的多级潜流/表流人工湿地;所述人工湿地包括配水池(17)、通水层(18)、种植层(19)、基质层(20)和排水层(12);所述通水层由砾石组成;所述基质层包括椰壳活性炭层，沸石、红砖和火山岩混合层，以及砾石组成的集水层，基质层高度为300-600mm;所述排水层位于基质层下方，由钢混结构雨篦子与钢混结构支撑层组成。
5.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述的微动力光催化处理单元包括光纤照明系统、模拟太阳光照系统和光催化填料净化系统;所述光纤照明系统包括光纤照射光源(24)，池底为V型，池体内侧贴合反射平面镜(25);所述模拟太阳光照系统为池体内侧相隔设置的模拟太阳光LED灯管(26);所述光催化填料净化系统位于微动力光催化处理单元中部，内置多根石英光催化反应管(28)，TiO2光催化剂附着在聚酯纤维雪花状填料上，形成光催化剂柱状填料(29)，设置于所述石英光催化反应管内。
6.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述全时段光照供给单元包括太阳光聚光采集器(37)、光纤传输系统(23)、动力旋转基座(42)、太阳光感应追踪器和智能控制系统;所述太阳光聚光采集器由菲尼尔透镜(40)和光采集器(41)构成;所述光纤传输系统由石英光纤构成;所述太阳光感应追踪器由太阳光辐射强度传感器和太阳方位角传感器构成;所述风光互补微动力单元由太阳能发电装置、风力发电装置和蓄电装置构成。
7.使用权利要求1-6任一项所述系统进行微动力去除废水中抗生素的多介质处理的方法，其特征在于，按照如下步骤进行：
(1)将含有抗生素的废水引入废水预处理单元(1)，通过格栅调节池分离出砂石混合物和污泥;
(2)格栅调节池的出水进入厌氧消解池，池内厌氧菌对废水中的污物进行分解;
(3)厌氧消解池的出水进入沉淀池，进行水渣分离;
(4)废水预处理单元的出水进入多介质土壤层系统处理单元，经过布水系统(13)，污水进入多介质土壤层子系统(8)，经过通水层(10)和土壤混合模块(11)，污物通过沸石材料吸附，植物根系以及微生物的好氧和厌氧的吸收降解，净化后的废水通过排水层(12)排出;
(5)多介质土壤层系统处理单元的出水进入湿地梯级处理单元的配水池(17)，经过调节沉淀后进入通水层(18)，经过水平推流进入种植层和基质层，利用湿地植物的根系和微生物，对废水中的污物进行厌氧和好氧降解，利用基质层(20)中活性炭的吸附去除废水中的抗生素，净化后的废水通过排水层(12)排出;
(6)湿地梯级处理单元的出水进入微动力光催化处理单元的石英光催化反应管(28)，与光催化剂柱状填料作用，进行光催化氧化反应，进一步强化抗生素的降解，排出的水回用或达标排放。
8.根据权利要求7所述方法，其特征在于，废水在所述预处理单元中停留时间不少于12小时。
9.根据权利要求7所述方法，其特征在于，废水在所述石英光催化反应管中的停留时间为1～2小时。
10.根据权利要求7所述方法，其特征在于，所述全时段光照供给单元(5)的智能控制系统根据太阳方位角计算并指示动力旋转基座(42)驱动太阳光聚光采集器(37)调整角度，接受最大太阳辐射。
说明书
一种微动力去除废水中抗生素的多介质处理系统及方法
技术领域
本发明属于废水中抗生素生态处理技术领域，具体涉及一种微动力去除废水中抗生素的多介质处理系统及方法。
背景技术
抗生素(antibiotics)是生物(微生物、植物和动物)在其生命活动过程中产生的，或由其它方法获得的，能在低微浓度下有选择地抑制或影响其它生物功能的有机物质。抗生素具有通过抑制细胞壁、蛋白和核酸合成等作用机制，抑制细菌的生长，预防和控制疾病的功能。因此，20世纪以来，抗生素被大量应用于医疗、畜禽和水产养殖等行业。但是，抗生素的使用甚至滥用会增加环境中抗生素抗性基因(ARGs)的含量，抗生素抗性基因可在生物体内和环境中长时间残留，并通过水平转移等途径，由非致病菌传到致病菌上，致病菌获得多重耐药性后，从而对人类健康和生物安全造成巨大威胁。
目前针对含有抗生素的废水处理技术，多采用人工湿地，厌氧/好氧组合工艺等生物处理法，以及高级氧化技术等方法。对于人工湿地技术存在占地面积大，效率低，抗高污染负荷能力小的特点;而对于生物处理法存在着单元操作较多，药剂加入种类多、量大，使得水体电导大大增加，增加了运行成本处理周期长、处理过程连续性不强等缺陷;对于高级氧化技术会产生大量沉淀污泥，需要额外处理，增加了处理成本，药剂添加成本高的特点，从而一定程度上限制其工程规模化的应用。过去的技术中，很少有人利用多介质土壤层系统的抗污染负荷高，占地面积小，无药剂添加的优点来去除废水中的抗生素，也很少研究利用自然太阳光和模拟太阳光全时段进行光催化氧化，来提升抗生素的处理效率，因此急需要一种可以降低药剂使用和能源消耗扥运行成本，处理效率高，无二次污染物，生态的处理方法来解决现有的抗生素废水污染问题，具有广阔的社会需求。
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种微动力去除废水中抗生素的多介质处理系统。本发明的目的还在于提供一种微动力去除废水中抗生素的多介质处理方法。
发明内容
本发明提供的一种微动力去除废水中抗生素的多介质处理系统，所述系统由废水预处理单元1、多介质土壤层系统处理单元2、湿地梯级处理单元3、微动力光催化处理单元4、全时段光照供给单元5、风光互补微动力单元6构成;废水预处理单元1依次与多介质土壤层系统处理单元2、湿地梯级处理单元3、微动力光催化处理单元4相连;风光互补微动力单元6分别与多介质土壤层系统处理单元2、微动力光催化处理单元4以及全时段光照供给单元5相连。
所述的废水预处理单元1包括格栅调节池、厌氧消解池、沉淀池三个部分组成，三个区域体积比为2～3:5～9:3～4;格栅调节池和沉淀池底部倾角为45°～60°;所述的厌氧消解池为折流式，并设置厌氧消化菌挂膜填料;所述的厌氧消解池依据进水的可生化性来设定池容。
所述的多介质土壤层系统处理单元2包括种植层7、多介质土壤层子系统8、布水系统13、富氧系统14和排水层12;作为优选，所述种植层7由土壤层和碎石层组成，土壤层由当地种植土壤组成，高为100～200mm，碎石层由粒径10～15mm的当地砾石构成，高为50mm～100mm，种植植物15为凤眼莲、风车草、芦苇和香蒲的两种或几种，种植密度为6-8株/平米;所述的多介质土壤层子系统8从上至下包括两级多介质土壤子系统，每一级多介质土壤子系统包含布水层9、通水层10和土壤混合模块层11;作为优选，所述的布水层9由粒径20～30mm砾石、沸石组成，高度为200～300mm;作为优选，所述的通水层10由粒径15～20mm沸石、火山岩和陶粒混合组成，高度为500～600mm;作为优选，所述的土壤混合模块层11由原生土壤、沙子、炉渣、蛭石、当地生物质、铁屑、活性炭粉混合组成，高度为100～150mm;所述多介质土壤层子系统8的每级土壤混合模块层11分为两层，均匀内置于通水层10中，土壤混合模块11水平间距10～15mm，垂直间距为10～15mm;作为优选，所述第一级多介质土壤子系统8中，布水层9中砾石和沸石的体积比为5～6:4～5，通水层10中沸石、火山岩和陶粒的体积比为5～6:2～3:2～3，土壤混合模块层11中原生土壤、沙子、炉渣、蛭石、当地生物质、铁屑、活性炭粉的体积比为20～25:10～15:10～15:10～15:5～10:5～10:15～20;作为优选，所述第二级多介质土壤子系统8中，布水层9中砾石和沸石的体积比为3～4:6～7，通水层10中沸石、火山岩和陶粒的体积比为2～3：3～4：4～5，土壤混合模块层11中原生土壤、沙子、炉渣、蛭石、当地生物质、铁屑、活性炭粉的体积比为10～15:10～15:15～20:15～20:5～10:5～10:15～20。
所述的布水系统13包括两层布水管网，每层布水管网采用改进的“丰”字形布水，分别位于多介质土壤层子系统8布水层9中部;每层布水管网前设置流量调节阀。
所述的富氧系统14包括两层富氧管网，每层富氧管网采用改进的“田”形布设，分别位于介质土壤层子系统8通水层10的底部;每层富氧管网前设置气体流量调节阀。
所述的排水层12位于多介质土壤层子系统第二级通水层下方，由集水层、汇水层组成;作为优选，所述的集水层采用直径30～50mm的当地砾石组成;汇水层采用钢混结构雨篦子与钢混结构支撑层组成。
所述的湿地梯级处理单元3依次包括一级或多级潜流/表流人工湿地串联组成;人工湿地包括配水池17、通水层18、种植层19、基质层20和排水层12;作为优选，所述种植层19由原生土壤组成，高为150～200mm，种植植物15为凤眼莲、风车草、芦苇和香蒲的两种或几种;作为优选，所述基质层20由粒径15～20mm椰壳活性炭层，粒径25～40mm，体积比为2～3:2～3:4～6的沸石、红砖和火山岩混合层，以及粒径为50～70mm的砾石组成的集水层构成，基质层20高为300-600mm;作为优选，所述通水层18位于布水口22处，采用粒径为20～30mm当地砾石组成;所述排水层12位于基质层下方，排水层12由钢混结构雨篦子与钢混结构支撑层组成。
所述的微动力光催化处理单元4，由光纤照明系统、模拟太阳光照系统和光催化填料净化系统构成;所述光纤照明系统包括光纤照射光源24，池底为V型，池体内侧贴合反射平面镜25;作为优选，所述模拟太阳光照系统为池体内侧相隔间距均匀设置模拟太阳光LED灯管26，间距为石英光催化反应管28直径的1-1.5倍;所述光催化填料净化系统位于微动力光催化处理单元中部，内置多根石英光催化反应管28，TiO2光催化剂附着在聚酯纤维雪花状填料29上，并用聚酯纤维绳串联起来固定在填料架上形成光催化剂柱状填料29，设置于石英光催化反应管28内，圆柱状填料架中轴设置模拟太阳光LED灯管26，灯管外设有石英防水套管27;所述TiO2光催化剂附着聚酯纤维柱状填料29顶部设置旋转动力装置31;作为优选，所述石英光催化反应管28可为圆柱形或是方柱形，反应管28间距为1～1.5倍的反应管28直径;所述石英光催化反应管28底部设施多孔富氧盘30;所述石英光催化反应管28之间通过连通管33成S型连通。
所述的全时段光照供给单元5由太阳光聚光采集器37、光纤传输系统23、动力旋转基座42、太阳光感应追踪器、智能控制系统构成;所述太阳光聚光采集器由菲尼尔透镜40和光采集器41构成;所述光纤传输系统23主要由石英光纤构成;所述太阳光感应追踪器主要由太阳光辐射强度传感器38和太阳方位角传感器39构成。
所述的风光互补微动力单元6由太阳能发电装置、风力发电装置和蓄电装置构成。
作为优选，所述的微动力去除废水中抗生素的多介质处理系统利用地形自然坡度驱动系统运行，高程由废水预处理单元1、多介质土壤层系统处理单元2、湿地梯级处理单元3、微动力光催化处理单元4依次降低。
本发明提供的一种微动力去除废水中抗生素的多介质处理方法按照如下步骤进行：
(1)含有抗生素的废水进入废水预处理单元1，通过格栅调节池分离出砂石混合物和污泥;
(2)格栅调节池的出水进入厌氧消解池，池内厌氧菌对废水中的污物进行分解，降低污水中的有机物，N，P等污染物质;
(3)厌氧消解池的出水进入沉淀池，进行水渣分离，降低废水的浊度;
(4)废水预处理单元1的出水进入多介质土壤层系统处理单元2，经过布水系统13的双层布水，进水阀门调节流量，污水进入两级多介质土壤层子系统8，通过多介质通水层10和土壤混合模块11，污染物通过沸石等材料的吸附，上层植物15的根系以及土壤混合模块微生物的好氧和厌氧的吸收降解，进一步去除废水中有机物和抗生素等污染物，净化后的废水通过排水层12汇集后，通过过水涵洞16排出;
(5)多介质土壤层系统处理单元2的出水进入湿地梯级处理单元3，通过过水涵洞16进入配水池17，经过调节沉淀后，通过布水口22进入通水层18，经过水平推流进入种植层和基质层，利用湿地植物15的根系和基质中的微生物，对废水中的有机物、抗生素等污染物进行厌氧和好氧降解，利用基质层20中活性炭的吸附去除废水中的抗生素，净化后的废水通过排水层12汇集后，通过过水涵洞16排出;
(6)湿地梯级处理单元3的出水进入微动力光催化处理单元4，废水通过进水管32进入石英光催化反应管28，在全时段太阳光照射下与附着在聚酯纤维柱状填料29上的TiO2光催化剂作用，在多孔富氧盘提供充足氧的条件下进性光催化氧化反应，进一步强化抗生素的降解，经过多级石英光催化反应管28的光催化氧化反应后通过出水管34排出，排出的水可以回用或达标排放;
所述的废水预处理单元1设计水力停留时间不少于12小时。
所述的多介质土壤层系统处理单元2依据不同温度梯度设计双层进水模式，采用进水阀调节进水量，运行模式为：室外温度低于0℃，1层布水系统13停止，2层布水系统13运行;室外温度大于0℃，1层、2层布水系统13运行，从而应对低温环境下微生物活性受抑制而减弱污染物净化效率;所述多介质土壤层系统处理单元2设计水力停留时间不少于12小时。
所述的微动力去除废水中抗生素的多介质处理方法，其特征在于：多介质土壤层系统处理单元2采用风光互补发电驱动气泵进行连续曝气富氧，富氧系统14从上到下分为两层，富氧模式为：进水量大于等于60%设计负荷时，气水比为15:1;进水量低于60%设计负荷时，气水比为10:1。
所述的湿地梯级处理单元3采用间歇性运行模式：进水量大于等于60%设计负荷时，停运排空水1次/3～4天，24小时/次;进水量低于60%设计负荷时，停运排空水1次/7～9天，24小时/次。
所述的微动力光催化处理单元中，废水在石英光催化反应管28中的停留时间为1～2小时，保证抗生素光催化充分反应时间;所述旋转动力装置31驱动光催化剂柱状填料29匀速度旋转，提升负载在填料29上的TiO2催化剂与废水以及太阳光充分接触;所述多孔富氧盘30提供富氧曝气，增加废水中氧含量，提升抗生素催化氧化效率。
所述的全时段光照供给单元5中，太阳光进入太阳光通过菲尼尔透镜40汇聚被光采集器41捕捉，通过光纤传输系统23传输给光纤照明光源24，光纤照明光源24发射的太阳光在动力光催化处理单元4中被反射平面镜25反射，充分照射在位于石英光催化反应管28中的光催化剂柱状填料29上，促使TiO2催化剂对废水中的抗生素进行催化氧化;所述太阳光感应追踪器监测太阳方位角和太阳辐射强度，将信号实时传输给智能控制系统，由智能控制系统根据太阳方位角计算并指示动力旋转基座42驱动太阳光聚光采集器37调整角度，充分保证太阳光聚光采集器37接受最大太阳辐射，同时由智能控制系统根据太阳辐射光强来切换太阳光光纤传输照明模式和太阳光模拟照明模式，从而解决黑夜，阴天，下雨等自然条件下太阳光光强较弱的问题，从而保证动力光催化处理单元4光催化降解抗生素的效率的基础上，降低能源消耗。
所述的风光互补微动力单元6运行时，太阳能发电装置上设有太阳光追踪器，根据太阳高度角以及辐射光强来调整太阳能板的角度，使其充分采集最大量的太阳能辐射，提升发电效率;所述风光互补微动力单元6同时为多介质土壤层系统处理单元2中曝气富氧、动力光催化处理单元4中模拟太阳光照、光催化剂柱状填料29旋转、全时段光照供给单元5的智能控制和动力旋转以及风光互补微动力单元6中的太阳能板调节提供补充动力能源，充分利用可再生能源，降低能源消耗。
本发明的效果，与现有技术相比，本发明所带来的有益效果是:
(1)本发明在微动力去除废水中抗生素的多介质处理系统中，创新的采用多介质土壤层系统，通过对不同级多介质土壤子系统的布水层，通水层以及土壤混合模块层的组成和粒径进行优化选择，从而提升系统对抗生素类污染物的吸附和降解能力;布水层中沸石比例增加，提升了对污水吸附降解效率;通水层中火山岩和页岩陶粒比例增加，多孔结构有利于微生物固着生长，亲水性强，附着的生物膜量多且速度快，提升了污水微生物降解效率;土壤混合模块层中炉渣、蛭石以及活性炭的增加，利用这些材质比表面积大，吸附容量大，提升力对该模块对废水中抗生素的吸附能力，同时多介质土壤层系统所采用的组分均是易于获取价格低廉的材料，大大降低了应用成本。多介质土壤层系统利用其特有的砖墙结构，对废水中的有机物、抗生素等污染物进行吸附，微生物的好氧和厌氧分解，从而达到净化的目的，该系统抗污染负荷高，材料易获取，建设成本低。
(2)本发明在微动力去除废水中抗生素的多介质处理系统中，针对多介质土壤层系统中采用双层布水系统，每层布水系统采用丰字形布水管设计，布水支管的布水孔孔径和点位交错优化设计，提升了配水均匀程度，每层布水系统前设置了流量调节阀门，提升了系统的抗污染负荷能力，稳定了对废水中有机物以及抗生素等污染物的处理效率。
(3)本发明在微动力去除废水中抗生素的多介质处理系统中，针对多介质土壤层系统采用双层富氧系统，每层富氧系统采用田形管路设计，设计不同进水负荷下的富氧曝气量调控，增加了多介质土壤层系统氧含量，提升了系统微生物好氧过程对废水中抗生素的净化处理效率。
(4)本发明在微动力去除废水中抗生素的多介质处理系统中，创新的设计了微动力光催化处理单元强化了对废水中抗生素的去除;采用光纤照明系统利用太阳光作为光照条件，同时利用模拟太阳光照系统补充黑夜，阴天，下雨等自然条件下光照条件，使系统可以全时段进行光催化反应降解抗生素，提升了系统的抗生素的降解效率;采用TiO2光催化剂附着在聚酯纤维雪花状填料构成催化剂柱状填料，并对填料进行旋转，大大提升了光照全覆盖条件下催化剂与抗生素等污染物的充分接触;池体内侧贴合反射平面镜，以及模拟太阳光LED灯管布设，光催化反应管间距优化设计，充分提升了光照条件的全覆盖，同时废水停留时间的优化设计大大增加了光催化充分反应效果。该系统无任何药剂添加，充分利用可再生能源降低了能源成本，同时大大提升了抗生素污染物的光催化降解效率。
(5)本发明积极利用太阳能和风能可再生资源提供微动力，利用地形自然坡度驱动系统运行，减少了系统的能源消耗，降低了运行成本。
(6)本发明采用微动力去除废水中抗生素的多介质处理方法，利用多介质土壤层系统对废水中的抗生素吸附和降解，同时利用湿地植物的根系作用进行分解，最后利用光催化反应强化对抗生素污染物的去除，从而大大提升了对抗生素的去除效率