本实用新型属于水处理技术领域，特别涉及一种高水力负荷条件下去除水中抗生素磺胺甲恶唑(SMX)的人工土层快渗系统、方法和实验装置。
背景技术：
SMX是一种磺胺类抗生素，以对氨基苯磺酰胺为基本化学结构，由人工合成的一类抗菌剂，具有抗菌谱较广以及化学性质稳定等优点而被广泛应用于家畜疾病预防与治疗，通过与细菌叶酸代谢循环过程中对氨基苯甲酸会产生竞争作用而抑制细菌繁殖，对大部分革兰氏阴、阳性菌均有抑制作用。SMX通常与甲氧苄氨嘧啶联合用于广谱抗性菌，用于对抗常见的尿路病原体，呼吸道病原体等，目前在环境中频繁被检出。污水处理厂排水是SMX进入环境水体重要途径，Hirsch等调查了德国某污水厂二级出水中SMX进出浓度达到6μg L-1。在我国广州和香港4个污水处理厂出水中，SMX被检出最高浓度达到2μg L-1以上。环境水体中长期存在的低浓度SMX可能会诱导微生物产生抗药性，对人体健康及生态环境都具有很大潜在风险。
土地处理系统被定义为废水到土地表面与植物-土-水体系结合物理、化学和生物过程而完成具有一定可控的处理能力的应用方法。大部分土地处理系统规模比较大，较小的处理系统通常也达到1000m3/d，并且水力负荷因场地渗透速率限制一般比较小，而现有的土柱处理系统水力负荷较高时容易出现系统堵塞导致连续运行困难、去除持久效果较差等现象，规模化应用受到限制。
技术实现要素：
为了克服上述现有系统装置容易堵塞的缺点，本实用新型的目的在于提供一种高水力负荷去除水中抗生素磺胺甲恶唑(SMX)的人工土层快渗系统，针对目标污染物，高水力负荷下运行，系统渗透速率保持良好，借助于滤料为主的介质与污染物之间的物理、化学、生物等作用达到去除SMX污染物并改善水质的目的，具有去除率较高、原料成本低廉、连续运行时间长等优点。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
一种高水力负荷去除水中抗生素磺胺甲恶唑的人工土层快渗系统，主体结构为有机玻璃柱体及其内填充的土壤滤料，所述土壤滤料自上而下包括：
位于最上层人工混合土壤1，包括粉质粘土、中粗砂和火山岩按体积比1:3:2比例混合，用于强化土壤天然微生物降解污染物磺胺甲恶唑SMX，并防止堵塞，保持高的水力负荷；
位于中间的沸石2，对污染物磺胺甲恶唑SMX有物理吸附去除作用；
位于最下的粗砂砾卵石3，具有承托土壤滤料和过滤出水作用；
所述有机玻璃柱体的上端设置有进水口5，下端设置有出水口6。
所述人工混合土壤1的高度15cm；所述沸石2的高度25cm；所述粗砂砾卵石3的高度15cm。
所述人工混合土壤1采自北京市高碑店污水处理厂再生水回灌示范场地地表2-3米间的粉质粘土与中粗砂、火山岩按体积比1:3:2的比例均匀混合而成。
所述人工混合土壤1中粉质粘土的理化性质为：
所述沸石2的表面结构特征如下：
比表面积 18.804m2g-1；
总孔体积 0.001mL g-1。
所述有机玻璃柱体8的外径为10cm，内径为9cm，总高度为65cm，其顶端配备钻有进水口5的有机玻璃盖，位于粗砂砾卵石3底端的侧面开有内径1cm的出水口6；
还包括位于人工混合土壤1上方的溢流容腔4，溢流容腔4上方左右两侧面各设置一个溢流口7，溢流口7距离有机玻璃柱体8顶端进水口8cm。
位于粗砂砾卵石3和沸石2间以及沸石2和人工混合土壤1间均铺设一层玻璃棉；
所述有机玻璃柱体外围整体包裹锡箔纸。
与现有技术相比，本实用新型的优势效果是：
1)能高效去除水体中抗生素SMX，20-30μgL-1去离子水中抗生素SMX的平均去除率为44.75％；20-30μgL-1再生水中抗生素SMX的平均去除率为58.17％。
2)系统运行为具有较高的水力负荷，所构建土层平均表观渗透速率为120.11m d-1，属于高渗透性，使待处理水以300mL h-1的速度自上而下通过有机玻璃柱体，连续120天进水畅通，无堵塞现象发生。
附图说明
图1为本实用新型的人工土层快渗系统示意图。
图2为实施例1中连续60d运行去离子水中SMX去除情况。
图3为实施例2中连续60d运行再生水中SMX去除情况。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本实用新型的实施方式。
水中SMX进入人工土层处理系统，主要通过系统中55cm土壤滤料的物理吸附作用及生物降解得到去除。
粉质粘土、中粗砂、火山岩按V:V:V＝1:3:2比例混合土壤，厚度15cm。以强化SMX的生物降解去除作用，取自受试场地的粉质粘土填充微生物含量丰富、渗透性好的中粗砂与火山岩滤料介质混合得到的透气性土壤。火山岩呈多孔疏松状，是菌胶团最佳的生长环境，故强化微生物降解作用，且火山岩含有大量的硅、钾、钠、铁、镁及铜、锌镍和锰等矿物元素，有利于改善出水水质。
沸石2厚度为25cm，进一步吸附去除SMX及上层渗滤液中的其他污染物，沸石吸附容量较大，容易获得且价格低，具有外表面呈光滑圆形利于布水，材质抗压能力好等物理特性。
粗砂砾卵石，厚度为15cm，功能为支撑上部的填充介质。
在粗砂砾卵石3和沸石2以及沸石2和人工混合土壤1间均铺设一层玻璃棉，其主要功能是防止上层物质泄漏到下层。
在有机玻璃柱体外围整体包裹锡箔纸，避免光解效应，模拟土壤环境。
为对上述系统进行实验，构建了简单的实验装置。
如图1所示，实验装置土柱由有机玻璃制成，包括：
有机玻璃柱体，外径10cm，内径9cm，总高度65cm，其顶端配备钻有进水口5的有机玻璃盖，底端有内径1cm的出水口6；
自下而上，位于有机玻璃柱体内的厚度15cm的粗砂砾卵石3、厚度25cm的滤料层2和厚度15cm的土砂层1；
位于沸石3底端的侧面开有1个出水口6；
位于有机玻璃柱体上方的溢流容腔4，溢流容腔4上方左右两侧面各设置一个溢流口7，溢流口7距离有机玻璃柱体8顶端进水口8cm。
在粗砂砾卵石3和沸石2以及沸石2和人工混合土壤1间均铺设一层玻璃棉；
在有机玻璃柱体外围整体包裹锡箔纸。
本实用新型构建的人工土层快渗系统，具体构建内容为：
所述55cm土壤滤料的中厚度为15cm的人工混合土壤，填充粉质粘土采自北京市高碑店污水处理厂再生水回灌示范场地2-3米间的粉质粘土与中粗砂和火山岩按V:V:V＝1:3:2的比例均匀混合添加；粉质粘土研磨后自然风干后，过1mm标准分样筛；中粗砂自然风干后，过1-2mm标准分样筛。所构建系统的平均表观渗透速率为120.11m d-1，属于高渗透性。
用于混合填充的粉质粘土的理化性质如表1所示。
表1受试粉质粘土理化性质
所述沸石2厚度为25cm，具有一定孔隙度的无尖颗粒，对水流阻力小不易堵塞，布水布气均匀，吸附容量较大且便宜易获得，具有轻质、吸水率低、强度高、抗冻耐腐蚀等特点，具有很强的吸附作用。填料层填充的沸石的比表面积为18.804m2g-1。
所述中粗砂砾卵石3厚度为15cm，粒径为15-30mm。功能为支撑上部的填充介质，保持出水畅通。
实施例分析1
在去离子水中人为添加一定量SMX污染物，使回灌进水中SMX的浓度都达到20-30μg L-1。同样以2d为一个周期，按照湿干比为1:1，淹灌与落干交替进行回灌。使待处理水，经进水口5以300mL h-1的速度自上而下依次通过有机玻璃柱体，在每个回灌周期初2小时后取有机玻璃柱体底部出水，研究所构建的人工土层快渗系统对SMX的去除效果。运行期间水流畅通，未出现系统堵塞现象。系统对SMX的平均去除率为44.75％，其去除效果见图2。
实施例分析2
在去离子配水实验进行后利用0.01mol L-1CaCl2溶液反冲洗土柱14d后，以某学校中水站出水为有机玻璃柱体进水，连续运行60天，仍以2d为一个周期取样，进水SMX浓度在20-30μg L-1变动。使待处理水，经进水口5以300mL h-1的速度自上而下依次通过有机玻璃柱体。系统对SMX的平均去除率为58.17％，构建的人工土层快渗系统在低浓度SMX进水的条件下对其具有很好的去除效果。系统对再生水中SMX去除情况如图3所示。