CN112919642A - 一种养殖废水中抗生素的降解装置及降解方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种养殖废水中抗生素的降解装置，包括箱体、藻类生物膜附着机构、固定轴、电机和控制器；箱体沿水流方向设置进水口和出水口；藻类生物膜附着机构穿设于固定轴，通过固定轴固定于箱体；且固定轴垂直于水流方向，并通过电机驱动；电机与控制器电性连接。本发明还公开了一种养殖废水中抗生素的降解方法，利用上述养殖废水中抗生素的降解装置：先制备藻类生物膜，然后利用藻类生物膜降解抗生素。本发明公开的降解装置可根据预设时间旋转、转换藻类生物膜附着机构上接受光照的板面。一方面利于藻类接收阳光促进生长并产生大量活性物质对污染物进行降解，另一方面有利于藻类生物膜吸附下层污水中的污染物，去除深层水中抗生素污染物。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，更具体的说是涉及一种养殖废水中抗生素的降解装置及降解方法。
背景技术
目前，畜禽养殖、水产养殖等养殖业过量使用抗生素是污水处理厂及水环境中残留抗生素的主要来源之一，由于抗生素不合理使用以及过量消耗造成养殖业的污废水中残留抗生素的浓度水平很高。而且，当前并没有对养殖废水中抗生素污染进行处理的方法、装置或技术。经现有技术处理后的污水仍含有抗生素，在此情况下直接排入河流或用于农田回灌，会污染水体环境和土壤，对生态安全和人类健康带来极大的潜在威胁。
此外，现阶段研究的污水处理装置是用于去除的污水中氮磷等污染物，设计复杂、成本高。如利用藻类生物膜去除的污水中氮磷等污染物，具体采用的是填料式静态处理，装置设计较为复杂，且对藻类生物膜的利用程度不高，没有利用其天然的光敏特性。
因此，提供一种养殖废水中抗生素的降解装置及降解方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种养殖废水中抗生素的降解装置及降解方法，装置结构设计简单，方法操作简单，能够降解去除养殖废水中残留的大部分抗生素污染物，并同时对水中的氮磷进行吸收从而达到进一步削减的目的，使降解处理后的水安全回用或排放。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种养殖废水中抗生素的降解装置，包括箱体、藻类生物膜附着机构、固定轴、电机和控制器；
所述箱体沿水流方向设置进水口和出水口；
所述藻类生物膜附着机构穿设于所述固定轴，通过所述固定轴固定于所述箱体；
且所述固定轴垂直于水流方向，并通过所述电机驱动；
所述电机与所述控制器电性连接。
上述优选技术方案的有益效果是：本发明通过控制器控制电机间隔固定时间转动，从而带动固定轴及藻类生物膜附着机构转动，进而实现根据预设时间旋转转换藻类生物膜附着机构上接受光照的板面。一方面利于藻类接收阳光促进生长并产生大量活性物质对污染物进行降解，另一方面有利于藻类生物膜吸附下层污水中的污染物，解决深层水中污染物的去除问题。
优选的，所述藻类生物膜附着机构包括两个固定板和至少三个附着板；
所述固定板垂直、且固定于所述附着板的两端；
所述固定板上设置固定孔，且所述固定孔内穿设所述固定轴；
所述附着板通过侧边固定连接成闭合结构。
优选的，所述固定孔为非圆形，非圆形结构能够减小脱落几率。
上述优选技术方案的有益效果是：本发明通过两个固定板和至少三个附着板固定而成立体结构，采用中空构造大大减少了装置的重量，且节约材料；采用附着板固定藻类生物膜着生的聚乙烯网，板状结构增大了藻类的生长面积，有利于与污水充分接触、并且充分接收光照；通过固定孔与固定轴相互配合实现同轴驱动，方便操作，更加稳固。
优选的，所述藻类生物膜附着机构包括两个固定板和三个附着板；
所述固定板为等边三角形结构，所述固定板垂直固定于所述附着板的两端；
所述固定板上设置所述固定孔，所述固定孔为方形，所述固定孔内穿设所述固定轴；
所述附着板为矩形结构，通过侧边固定连接成三棱柱结构。
上述优选技术方案的有益效果：本发明两个固定板和三个附着板配合形成三角状立体结构稳定，耐水力负荷冲击能力强；较多面体几何形状来说，旋转更换板面频率更高，能够保证藻类的生长；较球体形状来说，接收光的面积更大，有利于进行光促反应。
优选的，所述箱体内固定多个所述固定轴，所述固定轴上穿设多个所述藻类生物膜附着机构。
优选的，所述箱体内固定2个所述固定轴，所述固定轴上穿设3个所述藻类生物膜附着机构。
本发明还提供了一种养殖废水中抗生素的降解方法，利用上述养殖废水中抗生素的降解装置，具体包括如下步骤：
(1)制备藻类生物膜
将聚乙烯网置于容器底部，加入藻液和培养基混匀，静态培养后得到藻类生物膜；然后将上述制得的藻类生物膜均匀固定于藻类生物膜附着机构的附着板表面；
(2)利用藻类生物膜降解抗生素
打开进水口通入污水，使藻类生物膜附着机构没入水中，并使一个附着板平行、且位于水表面以下，并控制污水流速；同时，打开电机和控制器，控制固定轴每隔固定时间间隔转动；控制光照强度和光照总时间进行光促反应。
上述优选技术方案的有益效果是：本发明以聚乙烯网为载体可使藻类在均匀附着形成均匀的藻类生物膜，从而可以利用藻类及其有机物的光敏激发态效应去除养殖类废水中残留的抗生素。
向箱体内通入污水使藻类生物膜附着机构没入水中，并使一个附着板平行、且位于水表面以下，使附着板上的藻类生物膜既能充分接受光照，从而促进藻类生长，又能使其与污水充分接触，从而利用藻类产生大量活性物质对污染物进行降解。
此外，藻类生物膜附着机构通过控制器控制、电机带动进行间歇式转动，从而使藻类生物膜时而暴露于水面，利于其接收阳光进行光合作用，时而潜于水底，更符合藻类的生长习惯；并且能够使藻类生物膜与污水充分接触，同时发挥其吸附性能和活性物质降解性能；且藻类生物膜附着机构间歇式旋转，使附着板交替接受光照，从而可以持续去除抗生素。
优选的，步骤(1)中所述聚乙烯网的厚度为0.5mm，孔径密度为1mm；
所述藻液与所述培养基的体积比为1:(5～10)，所述藻液为小球藻或铜绿微囊藻生长至对数生长期的藻液，所述培养基为BG11培养基；
所述静态培养按照光照12h和黑暗12h交替培养14d，光照强度3000lx；
所述固定具体为：将藻类生物膜采取平铺式挂膜，然后首尾相连缝合，并在附着板相互连接位置使用小木条二次加固。
进一步优选的，所述藻液与所述培养基的体积比为1:5或1:10。
上述优选技术方案的有益效果是：在本发明公开的培养条件下可在聚乙烯网上形成均匀的藻类生物膜，结果可清楚地看到有大量气泡生成，表明聚乙烯网上形成成熟的藻类生物膜；利用本发明形成的藻类生物膜在光照下通过藻类光敏效应诱导产生三重激发态、羟基自由基等活性物质，吸附到藻类生物膜表面或周围水中的抗生素在三重激发态、羟基自由基等活性物质的作用下被高效降解。
优选的，步骤(2)中所述养殖废水中抗生素浓度为0～20mg/L，所述污水流速为0.2～0.5m/s；
所述时间间隔为10min，所述转动的角度为360°/n，所述n为藻类生物膜附着机构中附着板数量；
所述光照强度大于等于30mW/cm2，所述光照总时间为60～120min。
优选的，所述藻类生物膜5d更换一次。
优选的，所述养殖废水中抗生素浓度为0～5mg/L；进一步优选的，所述养殖废水中抗生素浓度为0～1mg/L。
上述优选技术方案的有益效果是：通过本发明限定的转动角度确保经间歇式旋转能够转换藻类生物膜附着机构上接受光照的附着板，保证转换后的附着板平行、且位于水表面以下，使附着板上的藻类生物膜既能充分接受光照，又能使其与污水充分接触。通过本发明限定的时间间隔、光照强度、光照时间相互配合，使藻类生物膜暴露于水面接收阳光进行光合作用，时而潜于水底更符合藻类的生长习惯。本发明对于抗生素浓度为0～20mg/L的污水进行降解处理，降解效率保持在80％以上；对抗生素浓度为0～5mg/L的污水进行降解处理，降解效率在85％以上；对抗生素浓度为0～1mg/L的污水进行降解处理，降解效率达到100％。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种养殖废水中抗生素的降解装置及降解方法，具有如下有益效果：
(1)本发明公开的养殖废水中抗生素的降解装置以资源化利用和源头控制为原则，其中包括藻类生物膜附着机构可用于固定藻类生物膜着生的聚乙烯网，结构简单，装置稳固，制作成本低；
(2)本发明公开的降解装置可根据预设时间旋转转换附着板的板面，一方面利于藻类接收阳光促进生长、并产生大量活性物质以降解污染物，另一方面有利于藻类生物膜吸附下层污水中的污染物，去除深层水中污染物；
(3)本发明公开的方法利用藻类生物膜在光照辐射下产生三重激发态、羟基自由基等活性物质的高氧化降解活性，依据光敏激发态效应原理降解去除养殖废水中的抗生素污染物；方法操作简单，去除效果优异；
(4)本发明公开的方法操作过程中藻类生物膜更换十分便捷，更换藻类生物膜无需拆卸降解装置，操作十分便捷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明实施例1提供的养殖废水中抗生素的降解装置的俯视图；
图2附图为本发明实施例1提供的养殖废水中抗生素的降解装置的A-A剖面图；
图3附图为本发明实施例1提供的养殖废水中抗生素的降解装置的B-B剖面图；
图4附图为本发明实施例2提供的养殖废水中抗生素的降解装置的结构示意图；
图5附图为本发明实施例2提供的藻类生物膜附着机构的机构示意图；
图6附图为本发明实施例3～8中抗生素降解结果图。
在图中：
1为箱体、2为藻类生物膜附着机构、3为固定轴、4为固定板、5为附着板、6为固定孔、7为进水口、8为出水口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明实施例1公开了一种养殖废水中抗生素的降解装置，包括箱体1、藻类生物膜附着机构2、固定轴3、电机(未视出)和控制器(未视出)；
箱体1沿水流方向设置进水口7和出水口8；藻类生物膜附着机构2穿设于固定轴3，通过固定轴3固定于箱体1；且固定轴3垂直于水流方向，并通过电机驱动；电机与控制器电性连接。
藻类生物膜附着机构2包括两个固定板4和至少三个附着板5；固定板4垂直、且固定于附着板5的两端；固定板4上设置固定孔6，固定孔6为非圆形，且固定孔6内穿设固定轴3；附着板5通过侧边固定连接成闭合结构。
其中，控制器即为数显时间继电器HHS6R(DH48S-S 990H AC2220V),电机采用的是5IK60RGN-CF。
本发明通过控制器控制电机间隔固定时间转动，从而带动固定轴3及藻类生物膜附着机构2转动，进而实现根据预设时间旋转转换藻类生物膜附着机构2上接受光照的板面。一方面利于藻类接收阳光促进生长并产生大量活性物质对污染物进行降解，另一方面有利于藻类生物膜吸附下层污水中的污染物，解决深层水中污染物的去除问题。
本发明通过两个固定板4和至少三个附着板5固定而成立体结构，采用中空构造大大减少了装置的重量，且节约材料；采用附着板5固定藻类生物膜着生的聚乙烯网，板状结构增大了藻类的生长面积，有利于与污水充分接触；通过固定孔6与固定轴3相互配合实现同轴驱动，方便操作，更加稳固。
为了进一步优化技术方案，藻类生物膜附着机构2包括两个固定板4和三个附着板5；固定板4为等边三角形结构，固定板4垂直固定于附着板5的两端；固定板4上设置固定孔6，固定孔6为方形，固定孔6内穿设固定轴3；附着板5为矩形结构，通过侧边固定连接成三棱柱结构。
本发明两个固定板4和三个附着板5配合形成三角状立体结构稳定，耐水力负荷冲击能力强；较多面体几何形状来说，旋转更换板面频率更高，能够保证藻类的生长；较球体形状来说，接收光的面积更大，有利于进行光促反应。
为了进一步优化技术方案，箱体1内固定多个固定轴3，固定轴3上穿设多个藻类生物膜附着机构2。
本发明设置多个固定轴3，且固定轴3上穿设多个藻类生物膜附着机构2，可以全方位对箱体1内的污水进行降解处理，确保降解效果，提高降解效率。
实施例2
本发明实施例2公开了一种养殖废水中抗生素的降解装置，包括箱体1、藻类生物膜附着机构2、固定轴3、电机和控制器；
箱体1沿水流方向设置进水口7和出水口8，箱体1内固定两个固定轴3；固定轴3上穿设三个藻类生物膜附着机构2，藻类生物膜附着机构2通过固定轴3固定于箱体1；且固定轴3垂直于水流方向，并通过电机驱动；电机与控制器电性连接。
藻类生物膜附着机构2包括两个固定板4和三个附着板5；固定板4为等边三角形结构，固定板4垂直固定于附着板5的两端；固定板4上设置固定孔6，固定孔6为方形，固定孔6内穿设固定轴3；附着板5为矩形结构，通过侧边固定连接成正三棱柱结构。
其中，箱体1的规格为(L*B*H)：50cm*40cm*30cm，附着板5的规格为(L*B)：8cm*6cm；控制器即为数显时间继电器HHS6R(DH48S-S 990H AC2220V)，电机采用的是5IK60RGN-CF。
运行原理：
本发明通过控制器控制电机间隔固定时间转动120°，电机驱动固定轴3转动，而固定轴3与藻类生物膜附着机构2上设置的固定孔6配合连接，从而可以带动藻类生物膜附着机构2转动120°。而藻类生物膜附着机构2由两个固定板4和三个附着板5固定连接成正三棱柱，没转动120°可以将相邻的附着板5转换至水表面，实现根据预设时间旋转转换藻类生物膜附着机构2上接受光照的板面的效果。一方面利于藻类接收阳光促进生长并产生大量活性物质对污染物进行降解，另一方面有利于藻类生物膜吸附下层污水中的污染物，解决深层水中污染物的去除问题。
而且本发明由两个固定板4和三个附着板5配合形成正三棱柱结构稳定，耐水力负荷冲击能力强；较多面体几何形状来说，旋转更换板面频率更高，能够保证藻类的生长；较球体形状来说，接收光的面积更大，有利于进行光促反应。
此外，本发明在箱体1内设置多个固定轴3，且固定轴3上穿设多个藻类生物膜附着机构2，可以全方位对箱体1内的污水进行降解处理，确保降解效果，提高降解效率。
实施例3～8
本发明实施例3～8公开了还一种养殖废水中抗生素的降解方法，利用实施例2公开的养殖废水中抗生素的降解装置，具体包括如下步骤：
(1)制备藻类生物膜
将聚乙烯网置于容器底部，加入藻液和培养基混匀，静态培养后得到藻类生物膜；然后将上述制得的藻类生物膜均匀固定于藻类生物膜附着机构的附着板表面；聚乙烯网的厚度为0.5mm，孔径密度为1mm；藻液与培养基的体积比为1:(5～10)，藻液为小球藻或铜绿微囊藻生长至对数生长期的藻液，培养基为BG11培养基；静态培养按照光照12h和黑暗12h交替培养14d，光照强度为3000lx。
(2)利用藻类生物膜降解抗生素
打开进水口和出水口通入污水，使藻类生物膜附着机构没入水中，并使一个附着板平行、且位于水表面以下，并控制污水流速；同时，打开电机和控制器，控制固定轴每固定时间间隔转动；控制光照强度和光照总时间进行光促反应；
其中，养殖废水中抗生素浓度为0～20mg/L，污水流速为0.2-0.5m/s；时间间隔为5～10min，转动的角度为120°；光照强度为30mW/cm2，光照总时间为60～120min。具体抗生素浓度如下表1所示。
表1
效果验证
采用上述实施例3～8方法，每10min取一次水样，用分光光度计检测抗生素(具体检测四环素)剩余浓度，每个实施例进行两组平行实验以减小误差，其中误差计算利用EXCEL中的误差计算公式：STDEV(D50:E50)，具体结果如下表2～7所示和图6所示。
表2实施例3降解效果
表3实施例4降解效果
表4实施例5降解效果
表5实施例6降解效果
表6实施例7降解效果
表7实施例8降解效果
由上述实验结果可以得知：
采用本发明实施例3～8公开方法对抗生素进行降解，降解效率均在80％以上。具体而言，采用本发明公开的降解装置和降解方法，对抗生素浓度为0～20mg/L的污水进行降解处理，降解效率保持在80％以上；对抗生素浓度为0～5mg/L的污水进行降解处理，降解效率在85％以上；对抗生素浓度为0～1mg/L的污水进行降解处理，降解效率达到100％。
而且，采用本发明公开的降解装置和降解方法，对抗生素的降解效能随着时间的推移逐渐提高，60min后降解效能基本保持稳定。分析是由于60min内藻类细胞膜已充分吸收光照，通过光敏激发态效应产生大量活性物质，可降解水中的抗生素。而藻类能够产生的活性物质在一定时间内是有限的，需要重新生长才能进行下一轮光促反应，所以60min后降解效能基本保持稳定。光照强度越大，其反应速率越快，可在更短的时间内完成对抗生素的大部分降解。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种养殖废水中抗生素的降解装置，其特征在于，包括箱体(1)、藻类生物膜附着机构(2)、固定轴(3)、电机和控制器；
所述箱体(1)沿水流方向设置进水口(7)和出水口(8)；
所述藻类生物膜附着机构(2)穿设于所述固定轴(3)，通过所述固定轴(3)固定于所述箱体(1)；
且所述固定轴(3)垂直于水流方向，并通过所述电机驱动；
所述电机与所述控制器电性连接。
2.根据权利要求1所述的养殖废水中抗生素的降解装置，其特征在于，所述藻类生物膜附着机构(2)包括两个固定板(4)和至少三个附着板(5)；
所述固定板(4)垂直、且固定于所述附着板(5)的两端；
所述固定板(4)上设置固定孔(6)，且所述固定孔(6)内穿设所述固定轴(3)；所述附着板(5)通过侧边固定连接成闭合结构。
3.根据权利要求2所述的养殖废水中抗生素的降解装置，其特征在于，所述藻类生物膜附着机构(2)包括两个固定板(4)和三个附着板(5)；
所述固定板(4)为等边三角形结构，所述固定板(4)垂直固定于所述附着板(5)的两端；
所述固定板(4)上设置所述固定孔(6)，所述固定孔(6)为方形，所述固定孔(6)内穿设所述固定轴(3)；
所述附着板(5)为矩形结构，通过侧边固定连接成三棱柱结构。
4.根据权利要求1～3任一项所述养殖废水中抗生素的降解装置，其特征在于，所述箱体(1)内固定多个所述固定轴(3)，所述固定轴(3)上穿设多个所述藻类生物膜附着机构(2)。
5.根据权利要求4所述养殖废水中抗生素的降解装置，其特征在于，所述箱体(1)内固定2个所述固定轴(3)，所述固定轴(3)上穿设3个所述藻类生物膜附着机构(2)。
6.一种养殖废水中抗生素的降解方法，其特征在于，利用权利要求1～5任一项所述养殖废水中抗生素的降解装置，具体包括如下步骤：
(1)制备藻类生物膜
将聚乙烯网置于容器底部，加入藻液和培养基混匀，静态培养后得到藻类生物膜；然后将上述制得的藻类生物膜均匀固定于藻类生物膜附着机构的附着板表面；
(2)利用藻类生物膜降解抗生素
打开进水口通入污水，使藻类生物膜附着机构没入水中，并使一个附着板平行、且位于水表面以下，并控制污水流速；同时，打开电机和控制器，控制固定轴每隔固定时间间隔转动；控制光照强度和光照总时间进行光促反应。
7.根据权利要求6所述养殖废水中抗生素的降解方法，其特征在于，步骤(1)中所述聚乙烯网的厚度为0.5mm，孔径为1mm；
所述藻液与所述培养基的体积比为1:(5～10)，所述藻液为小球藻或铜绿微囊藻生长至对数生长期的藻液，所述培养基为BG11培养基；
所述静态培养按照光照12h和黑暗12h交替培养14d，光照强度3000lx；
所述固定具体为：将藻类生物膜采取平铺式挂膜，然后首尾相连缝合，并在附着板相互连接位置使用小木条二次加固。
8.根据权利要求6或7所述养殖废水中抗生素的降解方法，其特征在于，步骤(2)中所述养殖废水中抗生素浓度为0～20mg/L，所述污水流速为0.2～0.5m/s；
所述时间间隔为5～10min，所述转动的角度为360°/n，所述n为藻类生物膜附着机构中附着板数量；
所述光照强度大于等于30mW/cm2，所述光照总时间为60～120min。
9.根据权利要求8所述养殖废水中抗生素的降解方法，其特征在于，步骤(2)中所述养殖废水中抗生素浓度为0～5mg/L。
10.根据权利要求9所述养殖废水中抗生素的降解方法，其特征在于，步骤(2)中所述养殖废水中抗生素浓度为0～1mg/L。
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