CN103332791A

CN103332791A - 一种可强化去除养殖废水中抗生素及抗性基因的人工湿地

Info

Publication number: CN103332791A
Application number: CN2013102907771A
Authority: CN
Inventors: 刘琳; 刘超翔; 王振
Original assignee: Institute of Urban Environment of CAS
Current assignee: Institute of Urban Environment of CAS
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2013-07-11
Publication date: 2013-10-02

Abstract

一种强化去除养殖废水中抗生素及抗生素抗性基因的人工湿地系统。本发明涉及一种污水处理设备，是适合于高效去除畜禽养殖废水中氮磷元素、高残留的兽用抗生素成分以及抗生素抗性基因的人工湿地生态处理装置。本发明包括垂直潜流人工湿地装置，采用大粒径级配差“正、反粒径混合”填铺的填充方式，并以红壤、废砖块和沸石三种比表面积大、氮磷、抗生素及抗生素抗性基因吸附能力好、生物持有量高的材料作为主要的湿地填料，保证了人工湿地生态系统的持续、高效、稳定运行。本发明具有成本低、能耗低、不易堵塞、抗生素及抗生素抗性基因去除效率高、脱氮除磷效率高、占地面积小、结构简单、运行管理方便等优点。

Description

一种可强化去除养殖废水中抗生素及抗性基因的人工湿地

技术领域

本发明专利涉及一种强化去除养殖废水中抗生素及抗生素抗性基因的人工湿地系统。属于水污染控制领域。

背景技术

我国是畜禽养殖大国，随着经济的不断发展，畜禽养殖业也得到了迅猛发展，然而养殖废水（特别是养猪废水）的年排放量也在不断的增加。养猪废水中含有大量有机物、高浓度氮磷、残留的抗生素和病原体等，如不经处理便直接排放，将会造成当地水环境和农田的严重污染，存在很大的生态安全风险，而废水中的兽用抗生素成分更被认为是一种微妙的、潜在的、有累积影响的污染物。

兽用抗生素主要是指在畜禽养殖生产活动中用于抗菌、抗寄生虫、调节和促进生长等类型的抗生素药物。目前大量的抗生素类药物被应用于畜禽疾病的治疗和预防，并作为饲料添加剂促进动物生长。据不完全统计，在我国，用于动物生产的兽药抗生素年平均消费已达6000吨以上。然而研究发现抗生素在进入动物体内后并不能完全被内脏吸收利用，其体内累积量和消耗量很低，约有75%~90%的药物会以原药或其代谢产物的形式通过畜禽粪便和尿液排入环境中，而且排出体外后的抗生素代谢物仍然具有生物活性，能够在环境中进一步形成母体。据估计，一个万头猪场每年可向环境中排泄兽用抗生素约300~500kg。

与废水中COD和氮磷对水体污染的影响相比，抗生素的污染对人类健康和生态环境有着更加严重的潜在危害。抗生素具有很广的抗菌谱，会杀死环境中的某些种属和群类的微生物或抑制某些微生物的生长繁衍，从而破坏环境中固有的生态平衡，进而影响整个食物链。同时，在长期暴露于低剂量抗生素环境中，人类身体会产生过敏反应，严重时会引起中毒效应，部分药物还具有致癌、致畸、致突变或有激素类样的作用，严重干扰人类的各项生理功能。此外，大量抗生素存在于环境中还可诱导产生出具有耐性的抗性菌株，使得抗生素能杀死细菌的有效剂量在不断提高。研究还表明，养殖业中兽用抗生素的使用还会诱导抗生素抗性基因的产生。鉴于此，开发一种投资少，运行费用低、管理操作简单、可强化去除养殖废水中抗生素及抗生素抗性基因的废水处理系统已成为迫切需求。

人工湿地污水处理系统是20世纪70年代发展起来的一种污水处理技术，因具有处理效果好、建设和运行费用低、易于维护管理等优点而受到世界各国的普遍重视，成为近年来发展较快的一种污水处理新技术。人工湿地污水处理系统作为一种新型的污染水体生态修复技术，其诸多优点满足了对养猪废水处理的要求，故而在养猪废水的处理中有着很好的应用前景。

因此，随着国家节能减排法规的实施和污水生态处理研究的不断深入，针对目前养猪废水处理难度高的情况，研究和开发结构简单、建设和运行成本低、多功能、低耗高效、易操作管理、运行稳定的新型人工湿地系统，已成为养猪废水生态处理发展的必然途径。

发明内容

本发明专利的目的在于提供一种低成本、低能耗、占地面积小、结构简单、运行管理方便、脱氮除磷效率高、可强化去除养殖废水中抗生素及抗生素抗性基因的人工湿地系统。

本发明专利采用垂直潜流人工湿地模式，以红壤、废砖块和沸石为填料层，主要由人工湿地池体、填料层、湿地植物和布水系统组成，为方便系统出水，人工湿地池体底部设置有0.5~1%的坡度。湿地填料层位于人工湿地池体内，分为上下两层，填充方式为大粒径级配差“正、反粒径混合”填铺。大粒径级配差“正、反粒径混合”填铺的填充方式为：下层填料粒径大，上层填料粒径小。即填料层自上而下分别为：10~20 cm厚的土壤层（采用福建当地红壤）；50~100 cm厚的混合填料层（采用废砖块与沸石），填料粒径范围为5~30 mm。采用的三种填料中，红壤和废砖块是人工湿地系统中较为理想的除磷填料，研究表明，红壤和废砖块对磷素的理论饱和吸附量可达0.27和0.60 g·kg^-1，表现出较好的除磷能力，这主要是由于红壤和废砖块中含有较高含量的铝和铁元素；而沸石则具有较高的氨氮吸附能力，其氨氮的理论饱和吸附量可达11.63 g·kg^-1。另外，红壤和废砖块对养猪废水中的抗生素亦具有很高的吸附能力，两者对土霉素和环丙沙星的理论饱和吸附量可达1.54mg·kg^-1、1.18 mg·kg^-1和3.45 ug·kg^-1、3.02 ug·kg^-1。通过对废砖块和沸石的物化特性进行分析还发现，两种填料均具有较大的比表面积（10.78和8.81 m²·g^-1），易于微生物生长附着，且水力特性良好。由此可知，本发明专利可成功实现养猪废水中氮磷元素、抗生素以及抗性基因的同步去除，相比于其他处理设备具有较大优势。而本发明专利中填料层的具体厚度则取决于湿地池体的大小以及污染负荷的大小。

如前所述，本发明专利采用垂直潜流人工湿地模式，系统采用枝状穿孔配水管在土壤层表面均匀布水，在填料层后端填充砾石（粒径范围：5~10 cm）为集水区，两者中间设置导流板隔开，集水区出水由出水管排出，出水管可调节出水水位，进而可在填料层当中创造饱和层与非饱和层，利用好氧氨氧化菌、厌氧氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌和反硝化菌的共同协同作用，丰富湿地当中的脱氮途径。另外，在填料层表面种植根系发达且泌氧能力强的草本植物（如芦苇），进一步促进污水当中氮磷元素、抗生素以及抗性基因的去除。

本发明专利的辅助部分：

（1）水样采集管。为了考察人工湿地系统在运行过程中对污水中各个污染物指标的去除情况，在系统填料层中的特定位置埋设多孔PVC管作为水样采集管，以方便分析系统对污水的处理效果，经验表明长期运行后水样采集管有堵塞的危险，因此在水样采集管外表面包裹防止堵塞的网膜是必需的，以保证水样的正常采集。

（2）枝状穿孔配水管。为保证人工湿地系统布水均匀，在湿地填料层表面即土壤层表面设置枝状穿孔配水管，进水在土壤层表面均匀分布后流经混合填料层而后收集入集水区通过出水管排出。枝状穿孔配水管的设置可有效减少人工湿地内的水力死区，保证湿地系统内良好的水力流态，使进水中的污染物得到充分去除。

（3）集水区。为保证人工湿地系统集水均匀，在人工湿地系统出水端设置集水区，集水区内填充粒径均匀的大块砾石（粒径范围：5~10 cm），处理后的污水在集水区内被均匀收集而后通过出水管排出。集水区的设置可保证系统内良好的水力流态，并防止湿地末端出现堵塞现象。

（4）导流板。为了保证湿地内部良好的水力流态以及集水区的稳定性，在填料层和集水区之间设置导流板。处理后的污水通过导流板在集水区均匀收水，且导流板的设置可保证集水区的稳定性，防止填料层的小粒径颗粒堵塞集水区进而影响其收水功能。

（5）溢流设施。为了防止雨季时暴雨对系统的冲击，在人工湿地系统中设置有溢流管，当暴雨导致水力负荷过大时，污水可直接从溢流管流走，以保护本污水处理系统免受冲击。

（6）材料选用。在试验和实际生产中，可以根据具体情况选定相应的材质：实验室小试规模可选用有机玻璃或PVC板材等材料，中试或更大规模可采用钢混结构或砖混结构等。

本发明专利的启动和稳定运行部分：

（1）设备的组装。为了取得高的污水处理效率，必须把人工湿地系统和一些其他附属设施组合连接起来，组成一套完整的污水处理系统。其中的附属设施包括其本身的，诸如在人工湿地当中的特定位置埋设水样采集管、ORP电极和DO电极；通过管路把进水泵和枝状穿孔配水管相连，确保污水处理系统的顺利进行。还有一些是设备以外的，如配电箱与系统的连接、自控系统参数的设定等，把附件与本发明专利组合在一起从而构成了一套完整的水处理工艺。

（2）湿地系统填料层的填充。湿地填料层填充于人工湿地池体内，填料层分为上下两层，填充方式为大粒径级配差“正、反粒径混合”填铺，所述大粒径级配差“正、反粒径混合”填铺的填充方式为：下层填料粒径大，上层填料粒径小。所以填料层自上而下分别为：10~20 cm厚的土壤层（采用福建当地红壤）；50~100 cm厚的废砖块-沸石混合填料层，粒径范围：5~30 mm。

（3）设备的启动。当设备组装、填料填充工作完成之后，可以准备启动系统。设备启动时宜采用人工模拟废水以减少其他因素的影响，探明本发明专利启动时实现污水中污染物去除的关键参数控制条件。

（4）设备运行过程中出水指标的监测工艺参数的确定及工程调控。在设备运行过程中，污染物指标可反映本发明专利对废水的处理效果和运行状态，通过监测可从宏观判断湿地系统对污染元素的去除情况以及控制条件的变化情况。按照一定浓度梯度逐步提高污水中各污染物的浓度以提高本发明专利的污染物负荷，增强其处理能力。通过对DO、pH值和氧化还原电位（ORP）等参数的调控可优化湿地系统的运行状态。

（5）设备的稳定运行。在系统启动成功以后，通过稳定维护运行，保证各种运行参数稳定。之后可通过泵入实际废水考察本发明专利在实际中的应用。

本发明专利与现有技术相比具有以下优点：

（1）基于红壤、废砖块和沸石的物理化学特性、水力学特性、氮磷元素及抗生素吸附特性，在本发明专利中，采用红壤作为土壤层填料，废砖块和沸石作为混合填料层填料可以明显增强湿地系统对污水中氨氮、磷以及抗生素的吸附固定作用。另外，废砖块与沸石多孔的结构、较大的比表面积也非常有利于微生物的附着和生长，进而有利于污染物的降解作用。因此，以红壤、废砖块和沸石作为人工湿地填料可以大大提高人工湿地系统对污染水体的净化和修复效率。

（2）由于采用吸附能力较强的红壤、废砖块和沸石作为人工湿地的填料，且本发明专利可采用潜流人工湿地的设计模式，可以增大单位面积处理负荷，所以使得构建人工湿地所占用的土地面积大幅度降低，这对于中国土地资源紧缺的东南沿海地区更具有推广和应用价值。同时，由于采用了红壤和废砖块这两种易得的材料，因而大大节省了人工湿地的构建成本，并实现了城市化建设固体废弃物—废砖块的高效资源化利用。

（3）人工湿地系统中的填料采用了大粒径级配差“正、反粒径混合”填铺的填充方式，且为保证人工湿地系统布水均匀，对于垂直潜流人工湿地模式，在湿地填料层表面设置了枝状穿孔配水管，进水在表层均匀分布后流经填料层而后收集入集水区通过出水管排出。两种措施可有效减少人工湿地内的水力死区，保证湿地系统内良好的水力流态，有效防止湿地填料层堵塞且可使污水中的污染物得到充分降解。

（4）筛选了根系发达、泌氧能力强、抗逆性好的植物作为人工湿地植物，合适的湿地植物不但可以增强人工湿地系统的抗冲击能力，提高处理系统的高效性和稳定性，同时还可以提升人工湿地的景观效果。

（5）由于以红壤、废砖块和沸石为湿地填料的人工湿地系统运行成本低、填料吸附饱和量大、周期长、微生物量丰富，所以与传统湿地相比较，本发明专利稳定运行时间长，无需频繁更换填料，大大降低了人工湿地处理系统的运行和管理成本。

附图说明

图1是本发明专利的剖面图。图2是本发明专利的平面图。

具体实施方式

本发明专利包括人工湿地池体1、红壤层2、废砖块-沸石混合填料层3、湿地植物系统4、枝状穿孔配水管5、导流板6、集水区7、出水管8、水样采集管9，溢流管10。

具体实施方式一：污水由进水泵泵入人工湿地池体1，通过枝状穿孔配水管5在红壤层2表面均匀布水，而后污水流经废砖块-沸石混合填料层3通过导流板6集入集水区7，最后出水由出水管8排出，人工湿地系统中的出水水位可通过出水管8调节。

具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本发明专利包括垂直潜流人工湿地模式，该系统填料层包括上层和下层（即红壤层2和废砖块-沸石混合填料层3），上层为10~20 cm厚红壤层2；下层为50-100 cm厚废砖块-沸石混合填料层3，粒径范围：5~30 mm。填料填充方式为大粒径级配差“正、反粒径混合”填铺，所述大粒径级配差“正、反粒径混合”填铺的填充方式为：下层填料粒径最大，上层填料粒径最小。

具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式在人工湿地系统中设置有出水管8，出水管8通过调节水位可在系统中的废砖块-沸石混合填料层3中创造非饱和层和饱和层，从而实现好氧氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌、厌氧氨氧化菌和反硝化菌的有效协同，丰富系统当中氮素脱除的途径，大大提高本发明专利的氨氮去除效率。

具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式在人工湿地红壤层2表层设置枝状穿孔配水管5，枝状穿孔配水管5的设置可有效减少人工湿地内的水力死区，保证湿地系统内良好的水力流态，有效防止湿地填料层堵塞且可使污水中的污染物得到充分去除。

具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式在人工湿地系统中种植有湿地植物，并筛选了根系发达、泌氧能力强、抗逆性好的植物作为人工湿地植物。

具体实施方式六：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式增加有溢流管10，当系统遭受暴雨冲击或水力负荷较大时，可利用溢流管10降低系统受冲击程度，保证本发明专利的有效运行。

下面通过实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例：人工湿地采用垂直潜流人工湿地低水位出水模式，系统内复合填料由红壤、废砖块和沸石混合配制而成。湿地系统面积为6 m²，种植湿地植物为芦苇。系统水力负荷为2 cm·d^-1，采用污水连续投配的方式进水，进水为养猪场厌氧池出水，污水中COD、氨氮、总氮、总磷的浓度分别为1500-1800 mg·L^-1、700-750 mg·L^-1、800-1000 mg·L^-1、70-80 mg·L^-1，土霉素和环丙沙星的平均浓度分别为45和66 μg·L^-1。经过本发明专利处理以后，COD的去除率可达85%，氨氮、总氮和总磷的去除率分别为66%、42%和51%；本发明专利对土霉素和环丙沙星亦有较好的去除效果，系统出水中土霉素的平均含量为2.2μg·L^-1，环丙沙星的平均含量为10.19μg·L^-1，两者的平均去除率分别为95.11%和84.58%。

另外，我们分析了湿地的入水和出水中三种四环素抗性基因的绝对拷贝数。在原废水中三个四环素基因都被检测到，tetW，tetM，tetO平均绝对丰度分别为1.07×10¹⁰，4.03×10¹⁰和4.92×10¹⁰ copis·L^-1，这些值大大高于抗性基因在生活污水中检测水平。监测结果进一步说明了养殖废水是抗生素抗性基因的重要污染源。而在人工湿地处理养殖废水过程中，三种抗生素抗性基因在本系统中减少几乎一个数量级。同时我们还监测了系统对抗生素抗性基因相对表达量的影响，抗生素抗性基因相对丰度是根据抗性基因绝对数量和16S rRNA基因拷贝数计算的基因相对表达量，用来减少背景微生物带来的差异。通过本发明专利的处理，出水和入水水质中tetW，tetM和tetO的相对丰度（目标gene/16S r-RNA基因）表达量分别为0.0043，0.0127，0.0205和0.0081，0.0357，0.0445。

Claims

1.一种以红壤、废砖块和沸石为复合填料的人工湿地系统，包括垂直潜流人工湿地模式，其特征在于：污水由进水泵泵入人工湿地池体（1），通过枝状穿孔配水管（5）在土壤层（2）表面均匀布水，而后污水流经废砖块-沸石复合填料层（3）通过导流板（6）集入集水区（7），最后出水由出水管（8）排出，人工湿地系统中的出水水位可通过出水管（8）调节。

2.根据权利要求1所述的一种以红壤、废砖块和沸石为复合填料的人工湿地系统，其特征在于其包括垂直潜流人工湿地模式，该系统填料层包括上层和下层（即红壤层（2）和废砖块-沸石复合填料层（3）），上层为10-20 cm厚红壤层（2）（采用福建当地红壤）；下层为50-100 cm厚废砖块-沸石复合填料层（3），粒径范围：5-30 mm，填料填充方式为大粒径级配差“正、反粒径混合”填铺，所述大粒径级配差“正、反粒径混合”填铺的填充方式为：下层填料粒径大，上层填料粒径小。

3.根据权利要求1所述的一种以红壤、废砖块和沸石为复合填料的人工湿地系统，其特征在于系统设置有出水管（8），出水管（8）通过调节水位可在系统中的废砖块-沸石复合填料层（3）中创造非饱和层和饱和层，从而实现好氧氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌、厌氧氨氧化菌和反硝化菌的有效协同，丰富系统当中氮素脱除的途径，大大提高本发明专利的氨氮去除效率。

4.根据权利要求1所述的一种以红壤、废砖块和沸石为复合填料的人工湿地系统，其特征在于它在人工湿地红壤层（2）表层设置枝状穿孔配水管（5），枝状穿孔配水管（5）的设置可有效减少人工湿地内的水力死区，保证湿地系统内良好的水力流态，有效防止湿地填料层堵塞且可使污水中的污染物得到充分降解。

5.根据权利要求1所述的一种以红壤、废砖块和沸石为复合填料的人工湿地系统，其特征在于人工湿地系统中种植有湿地植物，并筛选了根系发达、泌氧能力强、抗逆性好的植物作为人工湿地植物。

6.根据权利要求1所述的一种以红壤、废砖块和沸石为复合填料的人工湿地系统，其特征在于它增加有溢流管（10），当系统遭受暴雨冲击或水力负荷较大时，可利用溢流管（10）降低系统受冲击程度，保证本发明专利的有效运行。

7.根据权利要求1-6所述的一种以红壤、废砖块和沸石为复合填料的人工湿地系统，其特征在于本发明专利的进水负荷为0.05-0.5 m³/（m²·d）。