CN110790362B - 一种同时去除畜禽养殖废水中抗生素和重金属的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时去除畜禽养殖废水中有机物和重金属的方法，其特征在于：该系统由底部左侧的进水口、曝气口、右侧上部的出水口、等距离间隔的阴阳交替极板、5mm附着生物的颗粒电极以及系统框架组成；底层隔板为承托层，承托层下部布着具有均匀小孔的曝气管道，用来均匀布气。畜禽养殖废水经前期常规预处理后经流进水泵后被输送入系统第一格内，水流自下而上进入废水处理系统第一格，经过电生物耦合系统，从阳极上方、阴极下方依次流入下一区域。抗生素多于靠近阳极区域经过高级氧化分解成小分子最终被微生物处理，重金属多于阴极区域被还原去除。畜禽养殖废水经“S”型流过反应器后最终通过右上方出水口流出。本发明有效解决了在畜禽养殖废水中存在的具有的抗生素等有机物和重金属难以同时去除的问题。

Description

一种同时去除畜禽养殖废水中抗生素和重金属的方法

技术领域

本发明涉及畜禽养殖废水中有机物和重金属的同时去除，采用电化学与生物处理技术相结合的工艺新技术，达到同时去除水中抗生素和重金属的效果：利用阳极将抗生素降解成小分子有机物，随后经过微生物彻底降解，同时利用阴极的还原反应将重金属去除。此外，通过微生物的生物吸附以及反应器中颗粒的物理吸附也可去除一部分重金属。

背景技术

畜禽粪便污染属于农业面源污染源之一，具有分散性强、隐蔽性强、难以量化、难以控制、污染物种类多，且时间、地点不确定等特点，所以很容易造成环境污染且防治困难。近年来我国畜禽养殖业发展迅速，随着人们物质需求的增多，加之我国“菜篮子”工程的推进，有力促进了蛋、奶、肉的消费量，农业产业结构发生调整，畜牧业获得迅速发展，传统的养殖模式渐渐被打破，农业产业化进程的加快，农业结构相应的调整，促进了畜禽养殖业的快速发展。根据国家统计局统计 2015 年肉类总产量为 8625 万t，相对于 2010 年增长了8.12%，年均增长 1.62%。各畜禽类产品产量持续多年位居世界前列。畜牧业产值占第一产业总产值的比重稳步上升，2016 年我国畜牧业总产值为 3122.99 亿元，占第一产业总产值的 28.6%，人均肉类占有量达 61.76 公斤，直接从事畜禽养殖的收入占家庭农业经营现金收入的 1/6，畜牧业对农业与农村经济的支持作用增强，己经成为带动农村发展的支柱产业，对促进国民经济稳步增长发挥着越来越大的作用。为了满足人们需求而大幅度增长的畜禽养殖业生产不可能在全国各地均匀分布，畜禽养殖业正在从2亿农户养殖转变为大规模的集中式养殖场。

蓄禽养殖废水由于具有：1）COD、SS、NH₃-N浓度高；2）水量大、水质条件恶劣；3）含有大量的病原菌并伴有恶臭；4）处理难度大、技术工艺要求高等特点。第一次污染源普查公报显示，畜禽养殖业是我国农业污染的主要来源，其 COD、TN、TP 排放量占农业源污染物排放总量的 96%、56%、38%。据有关研究2015 年我国养殖动物每年产生 27 亿 t 动物粪便，大约为工业固体废料的 3.5倍，污染耕地、水体、大气及生物，引起土壤板结、水体富营养化，引发呼吸道感染等疾病，破坏生态环境影响人体健康。养殖废水中含有的致病菌等微生物进入自然水体中，随地表径流、地下径流传播危害人类及动物的健康；未经处理的畜禽废水多直接灌溉农田进而导致农田土壤透水性下降，影响作物生长甚至导致作物死亡；畜禽饲料中添加的微量重金属和抗生素不会被动物完全吸收消化，随着灌溉农田导致土壤的重金属污染，进而农作物中也被检测出重金属；携带重金属的农作物及致病菌的动物经过食物链传递最终也会富集在人类身上，所以抓紧时间不加大力度治理畜禽废水迫在眉睫。

发明内容

本发明将电化学技术与生物处理技术相耦合，在生物处理废水工艺的基础上引入电场，经由等间距布置的电极板将电子传递给附有生物膜的颗粒电极，使得每个颗粒电极自身成为微电极，刺激微生物的活性的同时扩大了高级氧化的能力。在电流的刺激作用下，营养物质能够有效的加速通过细胞膜，促进微生物生长繁殖，进而更加快速有效的去除水中抗生素和重金属。实验证明，微生物在电场的影响下，可能产生电催化作用，激活或增强微生物的脱氢酶活性，提高微生物对抗生素类难降解有机污染物的处理能力；难生物降解的物质在电化学作用转化为生物可降解的中间产物，虽然中间产物在电化学作用下不能继续被氧化，但是它们可作为微生物生长过程中的碳源或能源被直接利用，进而实现了抗生素的去除；微生物在电的刺激下数量增多，导致胞外聚合物EPS也随之增多，胞外聚合物对重金属的吸附和阴极对重金属的还原作用大大提高了重金属的去除率。此外，该滤料还可以作为过滤介质，截留水中的悬浮固体和新生成的生物固体，从而省去其他生物处理法中常用的二次沉淀池。而滤料与电极板之间的隔板一方面方便阴阳极的取出，另一方面也阻隔了电极板与滤料的直接接触，避免短路电流的产生。当反应器阴阳极有大量附着物从而导致电流效率减少时，可加大曝气量并交换阴阳极板的所连接的电极，以有效清洗电极板，必要时可活动的电极板可取出反应器进行清理。由于以上种种因素的加和，对于现在畜禽养殖废水中重金属和抗生素含量过高难以用以往常用的污水处理工艺有效且同时去除的问题提供了一个很好的解决思路。经济效益方面，由于反应器中间会填充粒子电极，使得电极间距减小，传质距离缩短，传质效率得到很好的提高，具有更高的电流效率和去除污染物的能力，减少了消耗，经济效益良好。

本发明是采用以下技术方案实现的：该系统由反应器主体左侧底部的进水口、右侧上部的出水口、5mm附着生物的浮选尾渣粒子电极、等距离间隔的阴阳极板、带有均匀孔洞的有机玻璃隔板板组成。阳极附有一个与阳极平齐的有机玻璃隔板直通反应器底部，阴极附有一个与反应器上方平齐、下方置于承托层之上的有机玻璃隔板，整个过程水流呈“S型”从左至右依次流过颗粒电极以及阴阳极；底层隔板为承托层，承托层下部布着一根贯穿整个反应器并具有均匀小孔的曝气管管道，用来均匀布气，一方面保证了对微生物的供氧均匀，另一方面保证了高级氧化的存在，加速了降解抗生素的过程。畜禽养殖废水经前期常规预处理后经流进水泵后被输送入系统第一格内，水流自下而上进入废水处理系统第一格，经过电生物耦合系统，分别从阳极上方、阴极下方流入下一区域，保证畜禽养殖废水呈纵向“S”型从左至右依次经流反应器每一部分。其中抗生素多于靠近阳极区域经过高级氧化分解成小分子最终被微生物处理，重金属及其化合物多于阴极区域被电化学氧化还原去除。

本发明的优点在于：1. 系统为方形有机玻璃容器，长500个单位，宽150个单位，高200个单位。承托层为距底部50个单位的多孔有机玻璃板。

2. 新型粒子电极由粉碎的浮选尾渣：淀粉：泥土= 80:5:15混匀成球并焙烧，形成直径为5mm的滤料，于其上附着微生物。经由等间距布置的电极板到最后每个颗粒电极自身成为一个个微电电极，减小电极板之间的传质效率，刺激微生物的活性的同时还扩大高级氧化的能力。

3. 承托层下部由鼓风机经过横向贯穿反应器底部的曝气管为反应器提供均匀曝气。一方面保证了对微生物的供氧均匀，另一方面保证了高级氧化的存在，加速了降解抗生素的过程。此外还对生物膜起搅动作用,从而加决生物膜的更新,并提高其活性空气的搅动还可加快细菌表面介质的更新,增强传质效果,加快生物代谢速度,缩短处理时间。

4. 阴阳极为间隔为50个单位等间距布置的可活动多孔镀钌铱钛板。可活动的原理为反应器壁面上设有阴阳极板卡槽，且可由极板两侧的有机玻璃板进行固定，方便取出和放入。

5. 阳极附有一个上方与阳极平齐、下方直通反应器底部的有机玻璃隔板，以避免水流从阳极下方流过，阴极附有一个与反应器上方平齐、下方置于承托层之上的有机玻璃隔板，保证水流从阴极下方流入下一区域。

6. 每个极板带有均匀孔洞的有机玻璃板，用于与滤料隔开，避免造成短路电流，并且协同上述第5条的有机玻璃隔板有效的固定阴阳极板，方便阴阳极板的安放与取出。

7. 每个阴阳电极板被上文5,6点所述的两个有机玻璃板固定，反应器侧壁上设有阴阳极板卡槽，制成可活动的阴阳极。当阴极富集重金属过多时，可短期交换阴阳极并加大曝气量进行反冲洗，必要时可借由卡槽以及两个有机玻璃板的固定取出阴阳极进行清理。

8. 底部承托层右侧有一处开槽，可定期清理沉积物。

9. 对微生物进行微生物培养时使用一种环保型营养液，该环保型培养液具体制作方法如下：

1）准备：将作物秸秆用粉碎机粉碎或用铡草机切断，一般长度以1-3厘米为宜；

2）预处理：把粉碎或切断后的秸秆加水搅拌均匀，含水量控制在60%左右，秸秆与水的比例为1.5:1；

3）腐化：以秸秆：发酵液为20:3的比例搅拌均匀，存入密闭空间中，并用保鲜膜封口后扎若干小洞，培养10天左右即可形成营养液以提供微生物的营养。处理畜禽养殖废水过程中无需外加其他药剂。

附图说明

图1是为本发明的立体示意图。

具体实施方式

如图所示为一种同时去除畜禽养殖废水中抗生素和重金属的方法的反应示意图，畜禽养殖废水经前期常规预处理后经流进水泵后被输送入系统第一格内，水流自下而上进入废水处理系统第一格，畜禽养殖废水整体从阳极上方、滤料、阴极下方依次呈“S型”经过等间距布置阴阳极的电生物降解层，经过电生物耦合效应有效降解后，从右上侧的出水口处流出。畜禽养殖废水处理全程伴有均匀曝气。为保证微生物正常生存，进水前向水中添加一定量的自制环保型营养液即可，无需额外投加药品。本实施案例经过多次对不同抗生素（如四环素，土霉素，金霉素，磺胺嘧啶，磺胺甲恶唑，磺胺氯哒嗪，磺胺二甲基嘧啶，磺胺甲氧哒嗪，环丙沙星，诺氟沙星，氧氟沙星等）和重金属（如铜，锰，锌，铁，铬，砷等）的实验，抗生素和重金属的去除效率分别达到了94.6%~96.8%和89.5%~92.4%，证明这种同时去除抗生素和重金属的方法可行且高效。

Claims (7)

1.一种同时去除畜禽养殖废水中抗生素和重金属的方法，其特征在于：蓄禽养殖废水从系统底部左侧的进水口进水、右侧上部的出水口出水，路径呈“S”型从左下至右上依次经由反应器中的等距阴阳极板以及5mm大小的由浮选尾渣制得的粒子电极，整个反应期间伴有均匀布气，进水前向水样中添加环保型秸秆营养液，为反应器内的微生物提供生存条件，无需外加其他药剂，其中粒子电极由粉碎的浮选尾渣：淀粉：泥土＝80:5:15的质量比混匀成球并以1150℃进行焙烧，形成直径为5mm的滤料，并于其上附着微生物；对颗粒电极上的微生物进行微生物培养时使用一种环保型秸秆营养液，具体制作方法如下：

1)准备：将作物秸秆用粉碎机粉碎或用铡草机切断，长度为1-3厘米；

2)预处理：把粉碎或切断后的秸秆加水搅拌均匀，含水量控制在60％，秸秆与水的质量比例为1.5:1；

3)腐化：以预处理后的秸秆：发酵液质量比为20:3的比例搅拌均匀，存入密闭空间中，并用保鲜膜封口后扎若干小洞，培养10天即可形成环保型秸秆营养液以提供微生物的营养，处理畜禽养殖废水过程中无需外加其他药剂。

2.一种如权利要求1所述的同时去除畜禽养殖废水中抗生素和重金属的方法，其特征在于：系统为方形有机玻璃容器，长500个单位，宽150个单位，高200个单位，承托层为距底部50个单位的多孔有机玻璃板。

3.一种如权利要求1所述的同时去除畜禽养殖废水中抗生素和重金属的方法，其特征在于：承托层下部由鼓风机经过横向贯穿反应器底部的曝气管为反应器提供均匀曝气。

4.一种如权利要求1所述的同时去除畜禽养殖废水中抗生素和重金属的方法，其特征在于：阴阳极为间隔为50个单位等间距布置的可活动多孔镀钌铱钛板。

5.一种如权利要求1所述的同时去除畜禽养殖废水中抗生素和重金属的方法，其特征在于：阳极附有一个上方与阳极平齐、下方直通反应器底部的有机玻璃隔板，以避免水流从阳极下方流过，阴极附有一个与反应器上方平齐、下方置于承托层之上的有机玻璃隔板，保证水流从阴极下方流入下一区域。

6.一种如权利要求5所述的同时去除畜禽养殖废水中抗生素和重金属的方法，其特征在于：每个极板带有均匀孔洞的有机玻璃板，用于与滤料隔开，避免造成短路电流，并且协同所述有机玻璃隔板有效的固定阴阳极板，方便阴阳极板的安放与取出。

7.一种如权利要求1所述的同时去除畜禽养殖废水中抗生素和重金属的方法，其特征在于：底部承托层右侧有一处开槽，可定期清理沉积物。