一种用于去除养殖废水中氮磷和抗生素的上升流人工湿地的制作方法
【专利摘要】一种用于去除养殖废水中氮磷和抗生素的上升流人工湿地。本发明设计一种污水处理设备，是适用于去除养殖废水中氮磷和抗生素复合污染的人工湿地生态处理装置。本发明属于垂直流人工湿地装置，以氮磷吸附能力强且生物持有量高的海蛎壳、废砖块和红壤作为主要的湿地填料，并种植耐污性好的湿地植物芦苇。本发明采用上升流作为水力传输方式，能有效解决传统运行方式存在水力死区、脱氮能力不足、抗生素截留能力差和抗暴雨冲击能力弱的问题。同时本发明还具有成本低、占地面积小、结构简单和运行管理方便等优点。
【专利说明】一种用于去除养殖废水中氮磷和抗生素的上升流人工湿地
【技术领域】
[0001]本发明专利设计一种用于去除养殖废水中氮磷和抗生素的上升流人工湿地。属于水污染控制领域。
【背景技术】
[0002]近年来，因为城市化带来的市场需求日益扩大，规模化畜禽养殖业发展迅猛。生猪养殖业的快速发展满足了人民生活需求和促进农村经济发展，但是养猪废水的氮磷排放所带来的水体富营养化问题也越发严重。此外抗生素作为药物和食品添加剂用于畜禽养殖的历史悠久，并且使用剂量逐渐增大。调查发现，目前约70%的抗生素被用于动物养殖，且相当部分抗生素无法被动物组织吸收而排放到环境中。据统计，一个万头猪场每年向环境排泄的兽用抗生素约300-500 kg。抗生素的过度使用问题逐渐引起重视，环境中的抗生素被视为一种污染物。抗生素滥用其危害不仅表现在环境中高浓度的抗生素残留可能干扰人体的生理功能，还表现在会诱导动物肠道细菌及其环境的细菌产生抗性进而影响到药物的治疗效果。养殖废水是动物养殖业抗生素环境排放的重要方式。经检测，养殖废水中四环素类抗生素的浓度发现达到20-100 μg L'抗生素的大量使用使得动物养殖废水的处理也变得更加复杂化。寻 求一种能够同时处理养殖废水的传统污染物氮磷和新型污染物抗生素的环境工程技术刻不容缓。
[0003]人工湿地作为一种生态处理技术已成功应用于生活污水、工业废水、农业养殖废水等水体的处理，其作用机理综合了物理、化学和生物三重协同作用，表现为过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物代谢等多种途径，能有效去除有机物、氮、磷、重金属和病源微生物等，而且投资运行成本低。在农村土地不稀缺的情况下，人工湿地处理动物养殖废水功能全面且成本低下，拥有其他技术难以比拟的优势。
[0004]目前，人工湿地在污水处理上的理论研究和技术储备虽然逐年增加，但其设计理念和条件设定都主要针对传统的污染物，比如氮、磷、COD等，针对动物养殖废水中抗生素的研究和设计很少。本发明专利采用海蛎壳和废砖块作为处理含抗生素废水的填料主要是基于以废治废和降低成本的想法。海蛎壳是中国东南沿海包括福建的水产养殖主要的副产物，在广大的沿海渔村视为废弃物丢弃。中国城市化过程，大规模的城市建设，产生了大量废砖块等建筑垃圾，这些废砖块回收利用水平很低，造成了严重的环境困扰。已有研究发现，一些人工湿地填料比如沸石对抗生素具有很强的吸附能力。但目前尚未有用海蛎壳和废砖块作为处理含抗生素废水的填料的理论研究和实践。我们之所以没有选择下行流水力运行方式主要有以下2个方面的考虑:1我们前期的研究发现由于大部分抗生素具有一定的水溶性，下行流人工湿地中已经吸附的抗生素易被新的进水带走，尤其在多雨的季节；2下行流人工湿地水力停留时间较短，抗生素难以充分分解。
【发明内容】
[0005]在发明专利目的在于提供一种新型的用于去除养殖废水氮磷和抗生素复合污染的上升流人工湿地系统，它具有结构简单、成本低、能耗低、脱氮除磷效率高、抗生素脱除能力强和抗暴雨冲击等优点。
[0006]本发明提出的人工湿地污水处理系统，属于垂直流人工湿地模式，采用上升垂直流作为水力运行方式，由人工湿地柱体装置，混合填料层和湿地植物系统组成。湿地填料层位于人工湿地池体内，填料层分为上下两层，自上而下分别为:15 cm厚红壤层(来自福建当地)；55cm厚海蛎壳和废砖块混合填料层，二者的体积比近1: 1，粒径范围10-30cm。在红壤层种植耐污能力强且根系发达的湿地植物芦苇，经过1-2两个月的生长，植物根系会延伸至混合填料层，发达的根系以及根系泌氧有助于提高一些功能微生物的活性和氮磷的去除。人工湿地系统采用从底部进水，水力传输方式为上升垂直流，污水先是经过并充盈海蛎壳和废砖块的混合填料层，然后向上推流经过红壤层和湿地植物系统，由侧边的出水管(位于红壤层之上)流出系统。由于采用上升流方式并且出水水位较高，避免了湿地系统内部的水力死区，提高了水力停留时间，改善了脱氮效率和抗生素的去除效果，缓解了南方多降雨季节可能导致对系统的冲击。
[0007]本发明专利的启动和稳定运行
柱体结构的装填和附属结构的组装湿地填料层填充于人工湿地PVC柱体内，填料层分为上下两层，自上而下分别为:15 Cm厚红壤层(来自福建当地)；55cm厚海贩壳和废砖块混合填料层，二者的体积比近1:1，粒径范围10-30cm。在红壤层种植耐污能力强且根系发达的湿地植物芦苇，经过1-2两个月的生长，植物根系会延伸至混合填料层。人工湿地污水处理系统的正常运转，除了主体结构(柱体、混合填料层、红壤层和植物)，还需要一些附属的设施的参与。附属设施包括直接相连的管道(进水管和进水管)和进水泵，还包括配电箱和自控系统等供电控电设施。这些柱体结构和附属设施一起构成了完整的水处理工艺。 [0008]设备的启动设备装填和组装完成之后，既可启动系统。先用模拟废水或者低浓度养殖废水试运行，让湿地植物能够先长起来，有利于增强其耐污能力和根系的发育。这个过程大约需要2个月。
[0009]运行过程中检测指标的设定和工程调控在设备运行过程中，通过检测一些污染物指标如COD、BOD、NH4-N、N03-N、N02-N、TN、P04-P和TP，反映本发明专利对养殖废水的处理效果和运行状况。在养殖废水中额外添加抗生素(浓度在300 yg L-1以下)，检测出水中的抗生素残留，计算湿地系统对抗生素的去除效率。此外通过改变水力负荷，调控工艺参数来优化湿地系统的运行状态。
[0010]设备的稳定运行在系统正式启动成功之后，需要通过保证各种参数的稳定，来维护系统的稳定运行。
[0011]本发明专利与现有技术相比具有以下的优点
本发明专利的特征之一是使用海蛎壳和废砖块作为去除氮磷和抗生素的混合填料。海蛎壳和废砖块都具有多孔的结构和较大的比表面积，很适合用于替代传统的填料。我们的研究也发现，以海蛎壳和废砖块混合填料构建的人工湿地对C0D、NH4-N、TN、TP和抗生素等都具有良好的去除效果。此外，这两种材料都极易获得，成本低廉，属于废物利用。既解决了部分环境问题，也降低了人工湿地的构建成本。
[0012]本发明专利的特征之二是使用上升垂直流水力传输方式。相对于其他工艺，如下行流和水平流工艺，上升流式工艺对去除氮磷和抗生素复合污染有四个方面的优点。第一，有效地规避了人工湿地柱体内的水力死区，保证了布水的均匀性；第二，延长了水力停留时间，使得污染物的吸附或者分解更为彻底；第三，系统较长时间处于富水状态，有利于反硝化脱氮；第四，遇到暴雨天气，雨水直接从出水管流出系统，避免了因暴雨冲击而导致抗生素和其他污染物未充分降解即被冲刷出系统。
[0013]本发明专利使用的湿地植物芦苇根系发达、生长快速，能同时耐受较高浓度的氮磷和抗生素。芦苇生长密度大，蒸腾作用强，一方面对抗生素的吸收能力强，另一方面能够减少湿地系统的排水，从而缓解了抗生素过早流出系统的问题。
[0014]【专利附图】
【附图说明】
图1是本发明专利的剖面图。该设备在运行过程中，通过水泵将污水泵入人工湿地系统(1)，从底部进水管(2)进水，先经海蛎壳和废砖块混合填料层(3)，再经红壤层(4)和植物系统芦苇(5)，从上方出水管(6)流出系统。具体细节详见说明书附图。
【具体实施方式】
[0015]本发明专利包括人工湿地柱体(1)、进水管(2)、海蛎壳-废砖块混合填料层(3)、红壤层(4 )、湿地植物系统(5 )、出水管(6 )。
[0016]【具体实施方式】一:本发明采用垂直流人工湿地模式，该系统填料层包括上层和下层，上层为红壤层(4)选用的福建地区的红壤，下层为海蛎壳-废砖块混合填料层(3)，其中海蛎壳是福建沿海养殖和捕捞副产物，海蛎壳和废砖块的体积比约1:1，粒径范围:10-30_。红壤层(4)种植芦苇(5)，芦苇生长密度高，根系发达且与填料层紧密结合。
[0017]【具体实施方式】二:本发明采用上升流式工艺，在人工湿地系统(I)的底部设置进水管(2)，底部进水，先经混合填料层(3)，再经红壤层(4)和植物生长层(5)，最后从出水管(6 )排出。
[0018]【具体实施方式】三:在设定水力负荷为0.02 - 0.1 m3/(m2.d)之间时，本发明装置可以实现对氮磷和抗生素的同步处理的要求。
[0019]【具体实施方式】四:在设定抗生素浓度在300 μ g L—1以下，本发明装置可以实现对氮磷和抗生素的同步去除的要求。
[0020]【具体实施方式】五:对于湿地植物芦苇，根据季节变化，3-5月份收割一次，6-8月份收割两次，9-11月份收割一次，12-2月份不收割。
[0021]下面通过实施例子对本发明做进一步详细说明
实施例1人工湿地系统采用上升垂直流模式，下层填充55cm海蛎壳和废砖块混合填料，上层填充15cm红壤，种植湿地植物芦苇。系统水力负荷为2cm d—1，进水为COD、NH4-N、TN、TP 和土霉素浓度分别为 400-500 mg L1、300-350 mg L'300-400 mg L'50-70 mg L-1和100 μ g L-1的生猪养殖厌氧池出水。经过本发明装置处理后，COD、NH4-N和TN的去除都超过60 %，TP和土霉素的去除率达到95%以上。
[0022]实施例2人工湿地系统采用上升垂直流模式，下层填充55cm海蛎壳和废砖块混合填料，上层填充15cm红壤，种植湿地植物芦苇。系统水力负荷为4cm cT1，进水为C0D、NH4_N、TN、TP 和土霉素浓度分别为 250-400 mg L'80-120 mg L'190-210 mg L'18-25 mg L-1 和300 μ g L—1的生猪养殖厌氧池出水。经过本发明装置处理后，NH4-N的去除率超过75%，TN的去除超过50 %，TP和COD的去除率超过85%以上，土霉素去除率达到95%以上。
【权利要求】
1.一种用于去除养殖废水中氮磷和抗生素的上升流人工湿地，该湿地系统属于垂直流人工湿地模式，柱形装置；运行过程描述:污水由水泵或者由高度差产生的推力进入柱状人工湿地系统(I)底部进水管(2)，以上升垂直流方式流经海蛎壳-废砖块填料层(3)，通过红壤层(4)和植物系统-芦苇(5)，最后由出水管(6)排出；运行过程中，进水负荷控制在0.02 - 0.1 m3/(m2.d)，抗生素的浓度范围在 O - 300 μ g/L。
2.根据权利要求1所述的一种用于去除养殖废水中氮磷和抗生素的上升流人工湿地，特征之一在于采用垂直流人工湿地模式，该系统填料层包括上层和下层，上层为红壤层(4)选用的福建地区的红壤，下层为海蛎壳-废砖块混合填料层(3)，其中海蛎壳是福建沿海养殖和捕捞副产物，海蛎壳和废砖块的体积比约1:1，粒径范围:10-30 mm，红壤层(4)种植芦苇(5)，芦苇生长密度高，根系发达且与填料层紧密结合。
3.根据权利要求1所述的一种用于去除养殖废水中氮磷和抗生素的上升流人工湿地，特征之二在于采用上升流式工艺，从人工湿地系统底部进水，先经混合填料层(3)，再经红壤层(4)和植物生长层(5);上升流式工艺对去除氮磷和抗生素复合污染有四个方面的优点:第一，有效地规避了人工湿地柱体内的水力死区，保证了布水的均匀性，第二，延长了水力停留时间，使得污染物的吸附或者分解更为彻底，第三，系统较长时间处于富水状态，有利于反硝化脱氮；第四，遇到暴雨天气，雨水直接从出水管(6)流出系统，避免了因暴雨冲击而导致抗生素和其他污染物未充分降解即被冲刷出系统。
4.根据权利要求1所述的一种用于去除养殖废水中氮磷和抗生素的上升流人工湿地，特征之三在于本发明装置的水力负荷在0.02 - 0.1 m3/(m2.d)之间可以实现污水处理的要求。
5.根据权利要求1所述的一种用于去除养殖废水中氮磷和抗生素的上升流人工湿地，特征之四在于该系统在抗生素浓度300 μ g/L以下时都是适用的。
6.根据权利要求1所述的一种用于去除养殖废水中氮磷和抗生素的上升流人工湿地，该人工湿地装置当前虽然采用柱形结构(直径40cm，高80cm)，但上升流式工艺和填料层选材同样适用于池式结构的人工湿地系统。
【文档编号】C02F3/32GK104016484SQ201310290731
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2013年7月11日 优先权日:2013年7月11日
【发明者】黄栩, 刘超翔, 王振, 李可 申请人:中国科学院城市环境研究所