CN217025480U - 一种消除农村饮用水中抗生素及其抗性基因污染装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种消除农村饮用水中抗生素及其抗性基因污染装置，包括曝气生物滤池、设于曝气生物滤池内的穿孔支撑板、卵石承托层、斜发沸石层、盘式微孔曝气器、数控超声波换能器、与曝气生物滤池连通的过硫酸盐加料器以及与盘式微孔曝气器连接的微纳米曝气装置；所述过硫酸盐加料器用于向曝气生物滤池添加过硫酸盐，所述盘式微孔曝气器的曝气探头置于斜发沸石层中。本实用新型利用曝气生物滤池整合微纳米曝气技术、超声波细胞粉碎以及超声波活化过硫酸盐体系对水体抗生素与ARGs进行降解和消除，能有效控制农村饮用水中抗生素及ARGs污染所带来的一系列水生态环境问题，达到净化水质，治理水环境的目的。
Description
技术领域
本实用新型涉及水处理技术领域，具体是一种消除农村饮用水中抗生素及其抗性基因污染装置。
背景技术
近年来抗生素作为一类新兴污染物在国内天然水体中广泛检出。抗生素的化学稳定性和生物积累性对水生生物甚至整个水生态系统带来潜在风险，促进环境中耐药菌和抗性基因的形成。我国是生产和消费抗生素的大国，年抗生素产量约21万吨。大多数抗生素被人类和动物吸收代谢的水平较低，大部分以母体化合物和代谢物通过尿液和粪便直接排出，通过雨水冲刷、污水处理厂排放等途径进入水环境，而目前的污水处理工艺不能对抗生素进行有效去除。
抗生素抗性基因(ARGs)是一类能够致使微生物产生抗生素抗性的编码基因，主要由环境中残留的抗生素给予的选择压诱导产生，目前同样成为了较为关注的新兴污染物，通过生物间垂直进化和水平转移在环境中扩散和传播，从而使抗生素失去原有的生物毒性。人类可以通过多种不同的暴露途径接触并在体内蓄积环境中存在的ARGs，给流行性传染病的控制带来困难，ARGs也因此越来越多地被认可为全球公共卫生问题，对现代卫生保健系统构成威胁。
饮用水体中抗生素残留去除技术应用很多，总结起来一般有物理、化学、生物等方法，如物理吸附、光/电化学催化、臭氧氧化、芬顿氧化、活化过硫酸盐、好氧生物与厌氧生物处理等，而受微生物细胞壁的保护所限，ARGs的消除技术则不多，且各技术应用的效果也往往不佳。考虑到饮用水体中的抗生素与ARGs污染往往同时存在，因此特别需要在现有的抗生素降解技术的基础上，研发整合应用效果上佳的ARGs消除技术，进而搭建两种污染同步消除的配套平台以达到全面有效治理饮用水中抗生素与ARGs污染问题，减少其对人类健康构成的危害。
在实用新型名称为“一种去除污水中抗生素抗性基因的混凝方法”的中国专利(专利号：104671618B)中，公布了一种通过向格栅出水和二级出水中投加聚合氯化铝(PACl)和聚合硫酸铁(PFS)两种混凝剂对污水中的ARGs进行去除的方法。该方法主要以混凝、膜分离等技术作为ARGs去除的手段，并未真正意义上破坏ARGs，后续水体分离到的废弃物还需要进一步处理，此外该方法对技术的要求与使用成本均较高，不适应在农村饮用水处理中推广。
在实用新型名称为“一种利用纳米生物炭消除水体中抗生素抗性基因的方法”的中国专利(专利公开号：111661893A)中，公布了一种利用纳米生物炭吸附常见ARGs，破坏其DNA结构，阻断其再次传播可能性的方法。该方法操作简便，易于推广应用，但对水体中ARGs的去除率只有66％，且这种ARGs去除本质上只是污染物的吸附，而非彻底降解ARGs，在应用过程中也存在纳米生物炭的制造成本高、使用量大等问题。
在实用新型名称为“一种用于水体中抗性基因处理的一体光催化装置及方法”的中国专利(专利公开号：111661897A)中，公布了一种经过紫外灯和光催化剂双重作用消除水体中抗生素与ARGs的方法，具有成本低，可反复使用等特点，但方法本质上是光催化氧化，产生的自由基寿命短，不利于长距离传输，对细胞的破坏作用赶不上超声波的空化作用。另外受光照条件的严格要求，本方法的使用处理范围也十分有限。
在实用新型名称为“一种催化过硫酸盐降解废水中有机污染物的方法“的中国专利(专利号：107298477B)中，公布了一种可见光协同g-C3N4-Cu2O催化活化过硫酸盐产生硫酸根自由基以降解废水中有机污染物的方法，该方法虽也能稳定、高效降解水体中抗生素，但产生的自由基难以进入耐药菌细胞体内直接作用于ARGs。
在实用新型名称为“一种超声光催化联合污水处理装置及其处理工艺“的中国专利(专利号：106186269B)中，公布了一种联合光催化与超声活化过硫酸盐降解处理污水的装置和工艺，该装置和工艺对降解污水中有毒有害污染物效果良好，但未关注污水中微生物尤其是抗性基因污染，使得装置在应用过程中的针对性与灵活性不够。考虑到该工艺制造的复杂性与成本问题，也很难在广大农村地区推广和应用。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型的技术目的在于提供一种可以同时降解消除农村饮用水中抗生素和ARGs的装置，设计一种使用成本低、技术难度小、便于广大农村地区推广应用的生物滤池为水环境治理平台，以超声活化过硫酸盐体系为核心，并辅以超声波细胞破碎技术，具有生态风险小，简单、高效、持续等优点。
一种消除农村饮用水中抗生素及其抗性基因污染装置，包括曝气生物滤池、设于曝气生物滤池内的穿孔支撑板、卵石承托层、斜发沸石层、盘式微孔曝气器、数控超声波换能器、与曝气生物滤池连通的过硫酸盐加料器以及与盘式微孔曝气器连接的微纳米曝气装置；所述过硫酸盐加料器用于向曝气生物滤池添加过硫酸盐，所述穿孔支撑板、卵石承托层、斜发沸石层由下至上依次设于曝气生物滤池，所述盘式微孔曝气器的曝气探头置于斜发沸石层中。
进一步的，所述曝气生物滤池的顶部设有入水口，用于注入含有抗生素及其抗性基因污染水体，所述曝气生物滤池的底部设有出水口。
进一步的，所述数控超声波换能器的超声功率为100W，超声频率为40KHz。
进一步的，所述过硫酸盐加料器安装在曝气生物滤池的一侧，位于数控超声波换能器的下方。
进一步的，所述过硫酸盐加料器安装在曝气生物滤池的一侧，位于数控超声波换能器的下方。
本实用新型利用曝气生物滤池这一广泛应用的水污染处理平台，整合微纳米曝气技术、超声波细胞粉碎以及超声波活化过硫酸盐体系对水体抗生素与ARGs进行降解和消除，能有效控制农村饮用水中抗生素及ARGs污染所带来的一系列水生态环境问题，达到净化水质，治理水环境的目的。
附图说明
图1是本实用新型一种消除农村饮用水中抗生素及其抗性基因污染的装置其中一个实施例的结构示意图。
图中：1—穿孔支撑板，2—卵石承托层，3—斜发沸石层，4—盘式微孔曝气器，5—入水口，6—数控超声波换能器，7—过硫酸盐加料器，8—微纳米曝气装置，9—出水口，10—曝气生物滤池。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1，本实用新型消除农村饮用水中抗生素及其抗性基因污染装置其中一个实施例，包括曝气生物滤池10、设于曝气生物滤池10内的穿孔支撑板1、卵石承托层2、斜发沸石层3、盘式微孔曝气器4、数控超声波换能器6、与曝气生物滤池10连通的过硫酸盐加料器7以及与盘式微孔曝气器4连接的微纳米曝气装置8。
所述曝气生物滤池10的顶部设有入水口5，用于注入含有抗生素及其抗性基因污染水体，所述曝气生物滤池10的底部设有出水口9，用于排水；所述数控超声波换能器6安装于所述曝气生物滤池10的上层，所述数控超声波换能器6的超声功率为100W，超声频率为40KHz，可达到粉碎耐药菌细胞结构的目的。
所述过硫酸盐加料器7安装在曝气生物滤池10的一侧，位于数控超声波换能器6的下方，其通过数控操作定量向曝气生物滤池10中添加足够的过硫酸盐，利用超声波产生的局部高温高压造成过硫酸盐O-O键断，从而产生SO4-·与·OH等强氧化活性物质。
所述穿孔支撑板1、卵石承托层2、斜发沸石层3由下至上依次设于曝气生物滤池10，其中卵石承托层2用于过滤、吸附水体污染物，穿孔支撑板1作支撑使用，斜发沸石层3由NaCl改性过的粒径为4-6mm的斜发沸石组成，所述盘式微孔曝气器4的曝气探头置于斜发沸石层3中，微纳米曝气装置8与盘式微孔曝气器4连接，以对斜发沸石层3进行曝气充氧，曝气时形成直径在数十微米和数十纳米之间的微小气泡，产生对水体中抗生素及其抗性基因去除效果优良的H2O2。
本实用新型的工作原理介绍如下：
在降解抗生素的同时也去除了水体游离的ARGs以及耐药菌细胞内的ARGs，有效克服了单一的抗生素降解方法去除ARGs效果不佳问题。
(1)将含有抗生素及其抗性基因污染水体通过入水口5注入微纳米曝气生物滤池的顶部，向下进入滤池内的过滤层，首先经过过滤层上部，该区域上层设置数控超声波换能器6，此后向下经过斜发沸石层3，控超声波换能器6可超声波粉碎耐药菌细胞，裸露抗生素抗性基因；
(2)由微纳米曝气装置8从两侧向过滤层进行曝气充氧，曝气时形成直径在数十微米和数十纳米之间的微小气泡，通过曝气作用，产生对抗生素及其抗性基因有降解消除效果的H2O2，
(3)过硫酸盐加料器7由电控开关控制，事先注入配制好的高浓度过硫酸钠溶液，待处理好的池水流出后自动感应加入固定体积的高浓度过硫酸钠溶液，利用超声波活化的过硫酸盐体系产生的高活性羟基自由基和硫酸根自由基等强氧化性物质，与水体抗生素以及裸露的抗生素抗性基因发生反应，使抗生素化学基团氧化、断裂，并导致耐药菌细胞内的抗生素抗性基因碱基结构与序列发生变化，丧失遗传信息的完整性，进而实现农村饮用水中抗生素的化学降解与抗生素抗性基因污染高校去除的双重目的。
超声波活化过硫酸盐体系(US/PS)能够通过超声使水体内部快速产生微小气泡并破裂，局部高温高压使得O-O键断，产生SO4-·与·OH，具有强氧化性。微纳米曝气装置8快速增加水体溶氧含量，从而在超声波活化过硫酸盐体系(US/PS)配合使用中显著提升SO4-·与·OH产生量，有效降解饮用水中抗生素残留与游离在水体中的ARGs污染，但是，水体细菌体中ARGs受细菌细胞壁与细胞膜的保护，难以与SO4-·、·OH等接触氧化，导致水体ARGs去除十分有限，因此在本实用新型的技术方案中进一步增加超声波粉粹饮用水体细菌细胞的功能，有利于ARGs的暴露，并和自由基的充分接触，从而大大提高饮用水体ARGs的去除率。
本实用新型综合利用超声波细胞粉碎技术、超声波活化过硫酸盐体系以及微纳米曝气技术通过曝气生物滤池对从上而下的水体中抗生素与ARGs污染进行处理，方法简单经济，安全可靠，通过各单元的协同作用，在对农村饮用水体中抗生素与ARGs同时进行有效的降解和去除。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种消除农村饮用水中抗生素及其抗性基因污染装置，其特征在于：包括曝气生物滤池(10)、设于曝气生物滤池(10)内的穿孔支撑板(1)、卵石承托层(2)、斜发沸石层(3)、盘式微孔曝气器(4)、数控超声波换能器(6)、与曝气生物滤池(10)连通的过硫酸盐加料器(7)以及与盘式微孔曝气器(4)连接的微纳米曝气装置(8)；所述过硫酸盐加料器(7)用于向曝气生物滤池(10)添加过硫酸盐，所述穿孔支撑板(1)、卵石承托层(2)、斜发沸石层(3)由下至上依次设于曝气生物滤池(10)，所述盘式微孔曝气器(4)的曝气探头置于斜发沸石层(3)中。
2.如权利要求1所述的消除农村饮用水中抗生素及其抗性基因污染装置，其特征在于：所述曝气生物滤池(10)的顶部设有入水口(5)，用于注入含有抗生素及其抗性基因污染水体，所述曝气生物滤池(10)的底部设有出水口(9)。
3.如权利要求1所述的消除农村饮用水中抗生素及其抗性基因污染装置，其特征在于：所述数控超声波换能器(6)的超声功率为100W，超声频率为40KHz。
4.如权利要求1所述的消除农村饮用水中抗生素及其抗性基因污染装置，其特征在于：所述过硫酸盐加料器(7)安装在曝气生物滤池(10)的一侧，位于数控超声波换能器(6)的下方。
5.如权利要求1所述的消除农村饮用水中抗生素及其抗性基因污染装置，其特征在于：所述斜发沸石层(3)由NaCl改性过的粒径为4mm-6mm的斜发沸石组成。
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