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小型畜禽养殖废水综合处理组合技术及使用方法

发布时间:2019-6-26 14:40:29  中国污水处理工程网

  申请日2019.02.02

  公开(公告)日2019.05.21

  IPC分类号C02F9/14; C02F103/20; C02F101/38; C02F101/34; C02F101/16; C02F101/10

  摘要

  本发明公开小型畜禽养殖废水综合处理组合装置,包括彼此相连通的沉淀装置、稀释装置、净化装置和光催化降解装置。本发明还公开了其使用方法。本发明的组合装置有效运行时间为8~9个月,畜禽废水日综合处理量达到200m3以上,主要污染物的去除率如下:CODcr为90%~98%,氨氮为85%~99%,总磷为70%~90%,四环素或磺胺类等抗生素80%~95%,出水CODcr<260 mg·L‑1、NH4+‑N<15 mg·L‑1、TP<5 mg·L‑1。相比常规方法,集合潜流人工湿地串联和光催化降解,比单独使用人工湿地装置或光催化降解装置,CODcr、氨氮、总磷和四环素等抗生素的去除效率分别提高10%~35%。

  


  权利要求书

  1.一种小型畜禽养殖废水综合处理组合装置,其特征在于,所述组合装置依次包括彼此相连通的沉淀装置、稀释装置、净化装置和光催化降解装置,所述沉淀装置为不锈钢材质制成,包括上部圆筒状部分和下部漏斗状部分;所述稀释装置为硬质塑料材质制成的缓冲箱,缓冲箱内部设有小型磁力搅拌装置;所述净化装置为多个潜流湿地装置串联而成,潜流湿地装置从下至上依次包括最下层碎砖头、中层石子、上层火山石和绿沸石混合层,最上层为土壤,土壤上种植修复植物;所述光催化降解装置包括高压汞灯和设置有多个柱状生物材料的降解室。

  2.根据权利要求1所述的小型畜禽养殖废水综合处理组合装置,其特征在于,所述沉淀装置的下部漏斗状部分内侧设置有高度测感装置,所述下部漏斗状部分底部设有排污口,所述上部圆筒状部分距离圆筒上缘设有出水口。

  3.根据权利要求1或2所述的小型畜禽养殖废水综合处理组合装置,其特征在于,所述最下层碎砖头厚度为10~20cm、中层石子厚度为10~12 cm、上层火山石和绿沸石层混合厚度为10~12 cm,最上层土壤厚度为3~5 cm。

  4.根据权利要求1或2所述的小型畜禽养殖废水综合处理组合装置,其特征在于,所述碎砖头直径为2~3 cm,碎石子直径为4~6 mm,火山石和绿沸石直径为5~8 mm。

  5.根据权利要求1或2所述的小型畜禽养殖废水综合处理组合装置,其特征在于,所述修复植物为黄花水龙或空心莲子草灯或其他中等生物量的水生植物。

  6.根据权利要求1或2所述的小型畜禽养殖废水综合处理组合装置,其特征在于,所述降解室为透明有机玻璃制成,所述生物材料为纳米TiO2负载在生物炭上制成,所述生物材料装载在尼龙网中通过绳子牵引作用以竖直方向悬挂在降解室中。

  7.权利要求1~6任一项所述的小型畜禽养殖废水综合处理组合装置的使用方法,其特征在于,包括以下步骤:

  1)收集畜禽养殖废水,测定废水中的CODcr、氨氮、总磷和四环素的浓度;

  2)将待处理的畜禽养殖废水流入沉淀装置静止2~3h,去除废水中粪便或其他固体物质,上清液从出水口流出;

  3)步骤2)的上清液经过稀释装置稀释后使得CODcr低于2000 mg·L-1,氨氮在200~300mg·L-1,总磷浓度在60~80 mg·L-1;

  4)稀释装置稀释后的上清液进一步通过净化装置进行深度净化;

  5)经过深度净化后的上清液进入光催化降解装置,通过调节光催化降解装置中生物炭上纳米TiO2的负载量以及高压汞灯的照射时间进一步去除废水中的抗生素。

  8.根据权利要求7所述的小型畜禽养殖废水综合处理组合装置的使用方法,其特征在于,所述生物炭上纳米TiO2的负载量为15~30%,高压汞灯的照射时间为1~3h。

  说明书

  一种小型畜禽养殖废水综合处理组合装置及使用方法

  技术领域

  本发明属于环境修复技术领域,涉及一种小型畜禽养殖废水综合处理组合装置及使用方法。

  背景技术

  抗生素作为杀菌性药物,广泛应用在畜禽养殖行业,但对随着畜禽养殖业规模的扩大,大量的抗生素在动物体内很难被完全吸收代谢,随粪尿排出体外,并通过厌氧消化残留在沼液中。沼液中较高浓度的抗生素,可能会使一些环境微生物产生抗性基因,而这些抗性基因会在环境中的致病菌传递,进而会对生态系统和人类健康造成更大威胁。

  与生活污水相比,畜禽养殖废水有机物含量高,其中CODcr高达4000~8000mg·L-1,BOD5高达1500~6000mg·L-1,还含有多种养分,如氨氮浓度高达800~1500mg·L-1。目前畜禽养殖业为降低动物的病死率,多采用在饲料中添加的一些抗生素成分来达到上述目的,因此畜禽养殖废水中含有多种抗生素,如四环素、磺胺类等,同时抗生素含量也在急剧增加。如何同时高效处理这些污染物,是目前面临的严峻环境问题。

  人工湿地是一种广泛应用在污水处理的成熟的生态工程技术,具有投资少、运行时间适中、维护简便等优点,尤其对畜禽养殖废水中氮磷等营养成分具有较好的去除效果,有利于各种有效养分的循环利用。目前,人工湿地存在占地面积较大,运行效率和时间长受到污水中污染物浓度情况、季节性植物生长和环境因子等因素影响。

  光催化降解技术是利用TiO2作为光催化剂,在高压汞灯照射下,对四环素等抗生素进行光降解处理。以往的研究中,很少将光催化材料应用于人工湿地降解污染物处理上,仅有的研究[1,2,3,4]主要将钛高炉渣等光催化材料当做是人工湿地的填料,但是该种做法有一定的局限性,因无法全面接收到足够的光源照射,光催化反应的效率得不到保证。例如,袁湘君[2]的研究结果显示,在渣投加量为60mg·mL-1,光照强度为2.25mW·cm-2,光照时间为3h时,对体积50ml、浓度10mg·L-1的环丙沙星溶液的去除效果最佳,总去除率为82%,其中光催化降解率为7.96%,占总去除率的9.68%,吸附作用占主导地位。季凌晨[3]的研究结果指出,含钛高炉渣和转炉炼钢渣对水中氮磷的去除主要依靠化学吸附,石子主要是依靠物理截留。即使在填料中铺设了紫外灯管,也存在一定的安全隐患,例如张中杰[5]的研究中所述的反应池中从底层至上层依次设有紫外光催化型填料层、可见光催化型填料层和湿地植物;所述的紫外光催化型填料层中设有紫外灯光源管。紫外灯光源与植物生长之间存在着一定程度的相互影响。另外,如果直接向水体中投加TiO2粉末,受到重力作用影响,粉末会逐渐沉积在水底,不同程度影响光催化反应的效率。

  参考文献

  1.袁恒,2007.纳米光电催化和人工湿地联合工艺处理有机农药废水的研究。华中师范大学,硕士毕业论文

  2.袁湘君,2015.含钛高炉渣作人工湿地基质处理含抗生素污水的应用基础研究。南京师范大学,硕士毕业论文

  3.季凌晨,2017.以含钛高炉渣为基质的人工湿地对生活污水中氮磷去除性能研究。南京师范大学,硕士毕业论文

  4.陶磊,赵文喜,吴思璇。一种基于光催化技术的人工湿地污水处理系统。CN201520189294

  5.张中杰,郭冀峰,郭娉,关卫省。一种光催化型人工湿地污水处理装置。CN201720304837

  发明内容

  发明目的:为了解决现有畜禽养殖废水中含有多种污染物,如高浓度的氨氮和磷,以及抗生素等,目前的修复方法或措施无法同时高效处理多种污染物的问题,从更高效综合处理畜禽养殖废水角度,提供一种小型畜禽废水综合处理组合装置及使用方法。

  技术方案:为实现上述技术目的,本发明的技术方案如下:一种小型畜禽养殖废水综合处理组合装置,所述组合装置依次包括彼此相连通的沉淀装置、稀释装置、净化装置和光催化降解装置,所述沉淀装置为不锈钢材质制成,包括上部圆筒状部分和下部漏斗状部分;所述稀释装置为硬质塑料材质制成的缓冲箱,缓冲箱内部的底部设有小型磁力搅拌装置;所述净化装置为多个潜流湿地装置串联而成,潜流湿地装置从下至上依次包括最下层碎砖头、中层石子、上层火山石和绿沸石混合,最上层为土壤,土壤上种植修复植物;所述光催化降解装置包括高压汞灯和设置有多个柱状生物材料的降解室。

  本发明首先利用串联的小型潜流湿地强化对畜禽养殖废水中高浓度氮磷营养的吸收和吸附作用,从而达到高效去除的效果。在本发明中,在人工湿地处理畜禽养殖废水去除掉大部分养分的基础上,进一步用光催化技术降解废水中的抗生素部分,以达到高效彻底处理畜禽养殖废水的目的。

  进一步地,所述沉淀装置的下部漏斗状部分内侧设置有高度测感装置,当沉淀达到一定高度后,自动提示及时处理污水中的固体沉淀,从而不影响整套装置的正常运行。所述下部漏斗状部分底部设有排污口,所述上部圆筒状部分距离圆筒上缘处设有出水口。

  进一步地,所述上部圆筒状部分距离圆筒上缘2.5~2.8m处设有直径为8~10cm的出水口。

  进一步地,所述最下层碎砖头厚度为10~20cm、中层石子厚度为10~12cm、上层火山石和绿沸石混合厚度为10~12cm,最上层土壤厚度为3~5cm。从构建成本、透水性、对氮磷等污染物吸附效果的角度综合考虑,选择了碎砖头、石子以及火山石和绿沸石混合层,以及三者之间1∶1∶1~2∶1∶1的比例关系。

  进一步地,所述碎砖头直径为2~3cm,碎石子直径为4~6mm,火山石和绿沸石直径为5~8mm。

  在选择湿地植物方面,选择了环境适应能力强、根系发达、生长周期较长、中等生物量的湿地植物类型,从而使该装置运行周期长,且稳定、保证其较长时间高效运行且方便后期的更新维护。作为进一步优选,所述修复植物为黄花水龙或空心莲子草灯或其他中等生物量的水生植物。

  进一步地,所述降解室为透明有机玻璃制成,所述生物材料为纳米TiO2负载在生物炭上制成,所述生物材料装载在尼龙网中通过绳子牵引作用以竖直方向悬挂在降解室中。

  为解决以上背景技术中提到的问题:无法全面接收到足够的光源照射,光催化反应的效率得不到保证、以及直接向水体中投加TiO2粉末,受到重力作用影响,粉末会逐渐沉积在水底,不同程度影响光催化反应的效率等,在本发明的降解室中,将TiO2按照15%~30%的比例负载在生物炭上,以条带状在水中悬浮与废水充分接触,同时也在最大程度上增加光照射的面积从而有效解决了上述技术问题。

  本发明的内容还包括所述的小型畜禽养殖废水综合处理组合装置的使用方法,包括以下步骤:

  1)收集畜禽养殖废水,测定废水中的CODcr、氨氮、总磷和四环素的浓度;

  2)将待处理的畜禽养殖废水流入沉淀装置静止2~3h,去除废水中粪便或其他固体物质,上清液从出水口流出;

  3)步骤2)的上清液经过稀释装置稀释后使得CODcr低于2000mg·L-1,氨氮在200~300mg·L-1,总磷浓度在60~80mg·L-1;

  4)稀释装置稀释后的上清液进一步通过净化装置进行深度净化;

  5)经过深度净化后的上清液进入光催化降解装置,通过调节光催化降解装置中生物炭上纳米TiO2的负载量以及高压汞灯的照射时间进一步去除废水中的抗生素。

  其中,所述生物炭上纳米TiO2的负载量为15%~30%,高压汞灯的照射时间2h~3h。

  此外,畜禽养殖废水经过沉淀装置和串联的人工湿地装置后,水中的杂质被进一步去除,澄清度的大大提高有利于光催化反应的顺利进行。

  在出水口,测定处理后水体CODcr、氨氮、总磷和抗生素等浓度,从而进一步估算此组合装置的处理效果。

  去除率=(N入水-N出水)/N入水*100%;

  这里,N入水为一段时间内入水各污染物的总量,N出水为一段时间内出水各污染物的总量。

  其中,CODcr采用重铬酸钾法,氨氮的测定采用纳氏试剂分光光度法,总磷的测定采用钼锑抗分光光度法,抗生素组分和含量的测定固相萃取-液相色谱串联质谱(SPE-LC-MS/MS)法。

  综上,在本发明中,为有效控制污水浓度到一个合适的浓度,通过稀释装置对其进行了不同比例的稀释,同时,我们在允许的情况下,将小型人工潜流湿地串联,一定程度降低了其占地面积,并提高了对污染物的去除效率。并选择环境适应能力强、根系发达、生长周期较长、中等生物量的水生植物,保证其较长时间高效运行。最重要的是,我们的研究中四环素或磺胺类等抗生素去除率在80%~95%,其中降解室的设计对四环素等的光催化降解率贡献达到了15%~21%,占总去除率的18.8%~22.1%,作用效果明显。

  有益效果:与现有技术相比,本发明具有如下优点:本发明的基于一种小型畜禽养殖废水综合处理组合装置及其使用的方法,有效运行时间为8~9个月,畜禽废水日综合处理量达到200m3以上,对水体主要污染物的去除率如下:CODcr为90%~98%,氨氮为85%~99%,总磷为70%~90%,四环素或磺胺类等抗生素80%~95%,其中出水CODcr<260mg·L-1、NH4+-N<15mg·L-1、TP<5mg·L-1,达到《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB 18596-2001)。相比于常规方法,集合潜流人工湿地串联和光催化降解等作用,比单独使用人工湿地装置或光催化降解装置,CODcr、氨氮、总磷和四环素等抗生素的去除效率分别提高了10%~35%。本发明适用于研究畜禽养殖废水中氮、磷和抗生素等污染物的去除情况。

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