CN112174293A - 一种去除低浓度抗生素的电强化生物滞留系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于污水处理技术领域。为了解决现有微生物燃料电池与人工湿地结合中存在的上述问题，本发明公开了一种可以去除低浓度抗生素的电强化生物滞留系统。该电强化生物滞留系统，包括由上向下依次排列的超高层、过滤层、过渡层、淹没层和排水层，以及进水管和出水管；所述进水管位于所述超高层，所述出水管位于所述排水层并所述出水管的出口位置高度高于所述淹没层的高度；所述过滤层设阴极区，所述淹没层设有阳极区，所述阴极区和所述阳极区之间通过外接导线连接。采用本发明的去除低浓度抗生素的电强化生物滞留系统可以提高对污水的处理效果，达到去除低浓度抗生素的效果。
Description
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种去除低浓度抗生素的电强化生物滞留系统。
背景技术
由于抗生素在人类及动物疾病治疗和养殖中的广泛应用，已经出现在各种环境介质中的残留。其中，残留在水环境中的抗生素对水生生物及人体有直接或间接的致毒作用，尤其是低浓度抗生素具有难降解性、生物积累性等作用，对人体健康及生态环境有着极大的潜在危害。
近年来，生物电强化处理技术开始被应用于难降解污染物的处理中，例如采用微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，MFC)系统降解有机污染物。其中，微生物燃料电池的阳极保持在厌氧环境，微生物在厌氧环境中分解有机物产生电子、质子，在阳极的有机物氧化过程中，质子被释放并移动到阴极通过流体或通过分离器，而电子通过外部电路流向阴极，与最终电子受体发生还原反应，从而产生电能。
为了更好地扩大微生物燃料电池应用范围和使其商业化，提出了基于微生物燃料电池的新型废水处理技术。例如，将微生物燃料电池与传统废水处理工艺的人工湿地进行组合，该结合不仅可以提高对废水的处理效果，而且还具有成为自给自足甚至能源生产者的可能性。
在微生物燃料电池与人工湿地结合的现有研究中，为了获得氧化还原反应梯度的最大化，当前大多数人工湿地耦合微生物燃料电池均采用上流式运行。但是，利用由上流区提供的自然氧化还原梯度会导致大的电极分离，而且虽然流态和结构能够将最大功率密度提高，但是由于溶解氧被异养细菌消耗，导致系统在较高有机负荷下容易出现性能下降。
发明内容
为了解决现有微生物燃料电池与人工湿地结合中存在的上述问题，本发明提出了一种可以去除低浓度抗生素的电强化生物滞留系统。该电强化生物滞留系统，包括由上向下依次排列的超高层、过滤层、过渡层、淹没层和排水层，以及进水管和出水管；所述进水管位于所述超高层，所述出水管位于所述排水层并所述出水管的出口位置高度高于所述淹没层的高度；所述过滤层设阴极区，所述淹没层设有阳极区，所述阴极区和所述阳极区之间通过外接导线连接。
优选的，所述淹没层中设有铁屑，并且分布在所述阳极区的下方区域。
优选的，所述过滤层选用颗粒活性炭作为阴极区，并且采用末端涂环氧树脂的铜线与外接导线连接。
优选的，所述淹没层选用活性炭层作为阳极区，并且采用末端涂环氧树脂的铜线与外接导线连接。
进一步优选的，所述淹没层中设有改性稻壳。
优选的，在上述去除低浓度抗生素的电强化生物滞留系统中还包括通风管；所述通风管布设在所述过滤层并且位于所述阴极区上方。
进一步优选的，所述过滤层由细沙填充构成，所述过渡层由中砂填充构成，所述淹没层由粗砂填充构成，所述排水层由砾石填充构成。
进一步优选的，所述超高层种植有植物。
进一步优选的，所述淹没层接种有污水厂的厌氧污泥以生成微生物菌群。
优选的，所述进水管采用固定式喷嘴布水管结构。
与现有微生物燃料电池与人工湿地的结合相比较，本发明提出的去除低浓度抗生素的电强化生物滞留系统，具有以下有益效果：
1、在本发明中，通过将进水管置于顶部，将出水管置于底部，并且使出水管的出口高度高于淹没层的高度，从而形成下流式生物滞留系统。此时，不仅可以使待处理污水由上向下自由流动，先经过过滤层的好氧区域再流入淹没层的厌氧区域，避免反向流动过程中溶解氧先被异氧细菌消耗而影响后续过滤层的氧容量，从而保证过滤层的高溶氧量，而且还可以在出水管的作用下将淹没层保持在水淹条件的厌氧状态，从而提高淹没层中微生物的反硝化作用效果。这样，通过提升过滤层的氧容量以及淹没层中的厌氧状态，可以大大提高整个系统中位于不同区域微生物进行污水处理的效率，从而提高该系统对含有低浓度抗生素污水的处理效果和质量。
2、在本发明中，通过在淹没层的阳极区下方位置布设铁屑，并利用铁屑作为催化剂，从而构成生物滞留+微生物燃料电池+铁屑相互耦合的电强化生物滞留系统。这样，可以利用铁屑对电子传递的促进加快作用，提高反应速度，尤其是针对长期间歇运行的情况，可以实现快速启动，提高整个系统快速运行响应以及快速进入高效稳定态的运行，从而提高该系统的运行效率。
3、在本发明中，通过在过滤层布设通风管，利用通风管向过滤层的通风输氧以及曝气作用，不仅可以为过滤层的微生物以及超高层植物的根茎提供充足氧气，保证微生物和植物的正常生长以及对有机物的处理和吸附效果，而且通过曝气操作可以及时将微生物的代谢气体进行置换外排，避免微生物代谢气体的累积而造成孔隙堵塞，从而降低微生物对有机物进一步代谢处理的影响以及提高整个系统的渗透性能，提高水解、吸附以及微生物降解的抗生素得到有效去除的性能，达到其他处理装置不能到达的抗生素去除效果。
附图说明
图1为本实施例去除低浓度抗生素的电强化生物滞留系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细介绍。
结合图1所示，本实施例的去除低浓度抗生素的电强化生物滞留系统，包括由上向下依次排列的超高层1、过滤层2、过渡层3、淹没层4和排水层5,以及位于超高层1上方的进水管6和位于排水层5的出水管7，并且排水管7的出口位置高度要高于淹没层4的高度。同时，在过滤层2中设有阴极区8，在淹没层4中设有阳极区9，并且阳极区8和阴极区9之间通过外接导线10进行连接。
其中，在本实施例中，过滤层采用粒径为0.15～0.25mm的细沙填充构成，过渡层采用粒径为0.25～0.50mm的中砂填充构成，淹没层采用粒径为0.50～2.00mm的粗砂填充构成，而排水层则采用粒径为2.00～5.00mm的砾石填充构成，这样可以提高整个电强化生物滞留系统的结构稳定性，并且利用采用中砂的过渡层可以防止过滤层的填料损失，减少细颗粒的垂直迁移，保证过滤层对污水的有效处理。
此时，通过将进水管布设在最高位置、将出水管布设在最低位置，使待处理污水由上向下流动并依次穿过过滤层的阴极区和淹没层的阳极区，并且将出水管的出口高度位置至于淹没层以上，从而形成下流式生物滞留系统。这样不仅将过滤层中的阴极区至于靠近来流位置，从而保持过滤层的溶氧量，形成有效的好氧环境，而且通过将出水管的出口高度至于高于淹没层的位置，使位于下流位置的淹没层持续保持在被水淹没的有效厌氧环境中，即将淹没层的阳极区始终有效地保持在厌氧环境中，从而大大提高微生物在淹没层中进行有机物分解产生电子和质子的效率，使电子通过外部电路流向阴极，使质子通过淹没层和过滤层之间的水介质流至阴极，最终形成高效的还原反应并产生电能。
结合图1所示，在本实施例的超高层1中种植有植物11。其中，植物优选成活率高、根茎发达的植物，这样可以使植物扎根至过滤层，利用植物的根系快速、直接去除污水中的营养物质，避免在超高层和过滤层发生堵塞，保持整个系统的长期渗透率，保证整个系统对污水的有效可靠处理。
结合图1所示，在本实施例中，过滤层2选用颗粒活性炭作为阴极区8。这样，不仅可以利用颗粒活性炭强化过滤层对于污染物的吸附截留效果，而且还可以利用活性炭的吸附作用增加对过滤层的微生物总量以及磷酸盐的吸附效果，提高COD去除率以及除磷性能。同时，将末端涂环氧树脂的铜线放置在阴极区的中部，以便于与外接导线连接形成与阳极区的连接。
结合图1所示，在本实施例中，淹没层4选用活性炭层作为阳极区9。这样，借助活性炭可以提高对磷的吸附去除效果以及总氮的去除率，同样将末端涂环氧树脂的铜线放置于阳极区的中部，以便于与外接导线连接形成与阴极区的连接。此外，在本实施例中通过对淹没层进行预先接种污水厂的厌氧污泥，从而使淹没层可以快速生成微生物菌群，保证微生物反硝化处理的正常进行。
另外，结合图1所示，在淹没层4中还布设有一定量的改性稻壳12，即对普通稻壳依次经过洗净、10％氢氧化钠溶液的24h浸泡和晾干处理。改性稻壳可以作为缓释碳源，可以增强淹没层中的反硝化脱氮效果，为淹没层的微生物生长提供充足的碳源。
结合图1所示，在本实施例的淹没层4中还设有铁屑13，并且均匀铺设在阳极区9的下方位置。这样，通过铁屑作为催化剂，可以加快电子传递，尤其是在长期间歇运行的情况下，借助淹没层中靠近阳极区的铁屑，可以快速启动电子传递，从而进一步提高脱氮性能、缩短整个系统达到脱氮性能稳定的时间，获得高响应、长高效的污水处理效果。
结合图1所示，在本实施例的去除低浓度抗生素的电强化生物滞留系统中，还设有一个通风管14。其中，通风管14布设在过滤层2并且位于阴极区8的上方位置，用于向过滤层进行氧气输送以及定期进行曝气操作。此时，不仅借助通风管向过滤层进行氧气输送，可以为阴极区的微生物提供充足氧气，进一步提高该区域微生物的好氧呼吸作用，促进生物膜的形成，增强产电性能，同时可以为超高层中植物的根系供氧，使植物适应水下环境，而且通过定期对通风管进行曝气，可以及时将污水中携带的空气以及微生物代谢气体排出至系统外部，避免多余空气在填料孔隙中的积累而影响生物代谢气体的产生和排出以及对填料的堵塞，从而保证生物的正常代谢以及填料的有效渗透性能，进而提高整个系统的渗透性能，提升水解、吸附以及微生物降解的抗生素得到有效去除的性能，达到现有常规污水处理装置不能到达的抗生素去除效果。
另外，结合图1所示，在本实施例中，进水管6采用固定式喷嘴布水管结构，并且悬挂固定在超高层1的上方区域，这样可以提高布水的均匀性，提高对污水的处理效率和效果。
接下来，采用本实施例的去除低浓度抗生素的电强化生物滞留系统对某农村的生活污水进出处理，验证其污水处理效果。
其中，本系统使用有机玻璃或亚克力板材质设计为800×800×700mm的长方体构筑物。其中，超高层的高度为50mm，植株密度为8～12株/m2；过滤层的高度为200mm，并且在过滤层高度的三分之一处加入体积为19200cm3的颗粒活性炭作为阴极区；过渡层的高度为100mm；淹没层的高度为250mm，并且在淹没层高度的三分之一处加入体积为19200cm3的活性炭层作为阳极区，同时在紧挨着阳极区的下方位置加入铁屑作为催化剂；排水层的高度为150mm，排水管则开设有多个直径为2mm孔用于集水并且其出口抬高至350mm处；进水管的水质如表1所示。
表1
在污水处理的过程中，当生物滞留池的水力负荷为0.50～2.00m3/m2·d时，内部流场较为稳定，并且在水力负荷为0.50m3/m2·d时，整个系统的脱氮除磷效率较高。综合分散式污水以及农村家庭生活用水的水量、水质等影响因素，选取1.00m3/m2·d作为水力负荷条件，采用间歇进水，每天进水2h，水力停留时间为24h，进水流量为3.50mL/min，进水水温20℃，环境温度25℃。
基于以上运行条件，以未种植植物且无电强化的生物滞留系统作为空白组，与本实施例的去除低浓度抗生素的电强化生物滞留系统进行对照，处理数据见表2。
表2
结合表1和表2数据可知，相较于空白组，采用本实施例的电强化生物滞留系统可对低浓度(0.80mg/L)抗生素的去除率提升35.24％～67.66％，对COD的去除率提升5.18％，对TN的去除率提升26.73％，对TP的去除率提升10.50％。通过研究分析，采用本实施例的电强化生物滞留系统可以获得更好处理效果的原因是发生了以下化学反应：
7H2O+NO3 -+4Fe＝NH4 +-N+4Fe2++10OH-
8Fe2++NO3 -+10H+＝8Fe3++NH4 +-N+3H2O
由此可以看出，在本实施例的电强化生物滞留系统中Fe参与了化学反应，从而形成NH4 +-N的积累，而最终通过采用本实施例的电强化生物滞留系统，使COD的去除率达到了95.02％，TN的去除率达到了83.73％，TP的去除率达到了98％，抗生素的去除率达到了99％以上，出水完全符合了国家一级排放标准，获得了极佳的污水处理效果。
Claims (10)
1.一种去除低浓度抗生素的电强化生物滞留系统，其特征在于，包括由上向下依次排列的超高层、过滤层、过渡层、淹没层和排水层，以及进水管和出水管；所述进水管位于所述超高层，所述出水管位于所述排水层并所述出水管的出口位置高度高于所述淹没层的高度；所述过滤层设阴极区，所述淹没层设有阳极区，所述阴极区和所述阳极区之间通过外接导线连接。
2.根据权利要求1所述的去除低浓度抗生素的电强化生物滞留系统，其特征在于，所述淹没层中设有铁屑，并且分布在所述阳极区的下方区域。
3.根据权利要求1所述的去除低浓度抗生素的电强化生物滞留系统，其特征在于，所述过滤层选用颗粒活性炭作为阴极区，并且采用末端涂环氧树脂的铜线与外接导线连接。
4.根据权利要求1所述的去除低浓度抗生素的电强化生物滞留系统，其特征在于，所述淹没层选用活性炭层作为阳极区，并且采用末端涂环氧树脂的铜线与外接导线连接。
5.根据权利要求4所述的去除低浓度抗生素的电强化生物滞留系统，其特征在于，所述淹没层中设有改性稻壳。
6.根据权利要求1所述的去除低浓度抗生素的电强化生物滞留系统，其特征在于，还包括通风管；所述通风管布设在所述过滤层并且位于所述阴极区上方。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的去除低浓度抗生素的电强化生物滞留系统，其特征在于，所述过滤层由细沙填充构成，所述过渡层由中砂填充构成，所述淹没层由粗砂填充构成，所述排水层由砾石填充构成。
8.根据权利要求7所述的去除低浓度抗生素的电强化生物滞留系统，其特征在于，所述超高层种植有植物。
9.根据权利要求7所述的去除低浓度抗生素的电强化生物滞留系统，其特征在于，所述淹没层接种有污水厂的厌氧污泥以生成微生物菌群。
10.根据权利要求1-6中任意一项所述的去除低浓度抗生素的电强化生物滞留系统，其特征在于，所述进水管采用固定式喷嘴布水管结构。
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