利用人工湿地系统去除养殖废水中典型抗生素的方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及利用人工湿地系统去除养殖废水中典型抗生素的方法。

背景技术

养殖环境中抗生素的污染问题日益凸出，研发绿色高效的废水处理技术，对于降低抗生素排放、缓解水环境污染具有重要的意义。目前，抗生素的去除技术包括物理、化学和生物法，如活性炭吸附法、活性污泥法、人工湿地系统和高级氧化法等。其中人工湿地系统是一种低投资、操作简单、低运行成本的污水处理工艺，近年来被广泛用于水产养殖尾水抗生素处理研究。

人工湿地对污染物的去除能力主要是由植物吸收、基质截留以及微生物降解，即通过一系列的物理化学和生物的共同作用完成。公告号为CN217535606U的中国实用新型专利公开了一种去除抗生素的人工湿地系统，该系统包括人工湿地主体、填料层、湿地植物和管道，可将难以对污水中的抗生素进行有效的去除。该人工湿地系统选用的植物为多为淡水植物，不适用于海水养殖废水的处理。此外，磺胺甲恶唑和氟苯尼考是养殖废水中常被检出的两种抗生素，氟苯尼考和磺胺甲唑难以在该人工湿地中被去除。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供利用人工湿地系统去除养殖废水中典型抗生素的方法，该方法可有效去除氟苯尼考和磺胺甲唑。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：利用人工湿地系统去除养殖废水中典型抗生素的方法，养殖废水采用进水-停留-排水-空置-再进水的进水方式，养殖废水依次流经湿地植物和湿地填料，所述湿地填料包括交替铺设的沸石层和生物炭层。

本发明的有益效果在于：本发明通过使用生物炭作为湿地填料，改变湿地填料的组成结构与进水方式，开发了一种既适用于海水，也适用于淡水的水产养殖废水中抗生素净化的生态处理系统，提高废水中磺胺甲恶唑和氟苯尼考去除效率。本发明的湿地填料铺设方法简单，且可以增加污水与生物质炭的接触面，减少生物质炭的流失。相比连续进水，本发明的间断式进水方式在进水过程中可以将更多氧气带入系统中，提高系统内溶解氧含量，促进微生物对污染物的降解。另外，间断式进水方式使得废水与系统中基质接触更充分，可以形成良好的静态吸附状态，促进基质对抗生素的吸附。

附图说明

图1所示为本发明的实施例一的人工湿地系统的示意图。

标号说明：1、池体；2、海马齿；3、麦饭石层；4、小粒径沸石层；5、大粒径沸石层；6、生物炭层；7、砾石层；8、集水管；81、阀门；9、出水口；10、进水管。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本发明最关键的构思在于：通过使用生物炭作为湿地填料，改变湿地填料的组成结构与进水方式，开发了一种既适用于海水，也适用于淡水的水产养殖废水中抗生素净化的生态处理系统，提高废水中磺胺甲恶唑和氟苯尼考去除效率。

请参照图1所示，本发明的利用人工湿地系统去除养殖废水中典型抗生素的方法，养殖废水采用进水-停留-排水-空置-再进水的进水方式，养殖废水依次流经湿地植物和湿地填料，湿地填料包括交替铺设的沸石层和生物炭层。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：传统人工湿地处理系统对于磺胺甲恶唑和氟苯尼考去除率低或不稳定。本发明通过使用生物炭作为湿地填料，改变湿地填料的组成结构与进水方式，开发了一种既适用于海水，也适用于淡水的水产养殖废水中抗生素净化的生态处理系统，提高废水中磺胺甲恶唑和氟苯尼考去除效率。

相比连续进水，间断式进水方式在进水过程中可以将更多氧气带入系统中，提高系统内溶解氧含量，促进微生物对污染物的降解。另外，间断式进水方式使得废水与系统中基质接触更充分，可以形成良好的静态吸附状态，促进基质对抗生素的吸附。

本发明的湿地填料铺设方法简单，且可以增加污水与生物质炭的接触面，减少生物质炭的流失。

进一步地，停留的时间为1～3天。

从上述描述可知，进水后停留有利于人工湿地系统去除养殖废水中的抗生素，但停留时间过长则交底人工湿地系统的工作效率。

进一步地，其特征在于，湿地植物为海马齿。

从上述描述可知，湿地植物需要具有耐污性好，去污能力强的特点。已有研究表明现有的淡水植物美人蕉、花叶芦竹、风车草等均能够在一定程度上去除抗生素。但是这些植物主要为淡水植物，不能够用于海水养殖尾水的处理中。

海马齿广泛分布于福建、广东、广西、海南和中国台湾等沿海省份和地区，属于盐碱植物，耐高温、耐旱、耐盐，具有较好的水质净化作用，即可以生长于淡水，也可以生长于海水，选择海马齿有利于海水养殖废水的治理，应用范围更为广泛。此外，海马齿属于多年生且生命力顽强的盐生植物，可以保证季节连续性，减少由于植物生命力季节差异显导致的人工湿地净化能力下降的问题。海马齿还可以较好的去除废水中的营养盐，一定程度上改善修复区海水水质，还会增强系统的硝化、反硝化作用，促进水中氮、磷等物质的去除。

进一步地，海马齿的种植密度为25～60株/m

从上述描述可知，种植密度过小，不利于养殖废水的净化，种植密度过大，海马齿生长状况较差，净化能力降低。

进一步地，海马齿移栽步骤为：先选取高度为15～20cm、叶片数和叶片大小相同的海马齿在清水中培养7天，待生根后移栽至人工湿地系统中。

从上述描述可知，选用生长期的海马齿，水质净化效率高。选用叶片数和叶片大小相同的海马齿有利于排除植物长势差异影响，防止部分养殖废水未净化或净化不完全即被排出人工湿地系统。

进一步地，湿地填料从上至下依次为麦饭石层、生物炭层、小粒径沸石层、生物炭层、小粒径沸石层、生物炭层、小粒径沸石层、生物炭层、大粒径沸石层、生物炭层、大粒径沸石层和砾石层；小粒径沸石层的粒径为：0.9～1.6cm，大粒径沸石层的粒径为：1.6～3.0cm。

从上述描述可知，使用海马齿和生物炭结合，可提高抗生素的去除率。本发明的湿地填料可以增加污水与生物质炭的接触面，减少生物质炭的流失。

相同质量的小沸石比表面积更大，且基质间的间隙小，水流从上往下流时，有助于污染物截留与去除。但是相比大粒径沸石基质组成结构，小沸石基质间的间隙较小，系统运行久后容易造成基质堵塞，影响系统使用寿命。综合考虑从上往下设置小粒径和大粒径沸石，既能保证污染物截留与去除又能防止基质堵塞。

进一步地，湿地填料的总体积比为麦饭石层：小粒径沸石层：大粒径沸石层：生物炭层＝1：2～3：2：0.5～1.5。

进一步地，每铺设10cm高度沸石，交替铺设500g玉米秸秆生物炭，生物炭均匀平铺于沸石层表面。

从上述描述可知，添加生物炭可以显著提升磺胺甲恶唑和氟苯尼考的去除率，生物炭含量越高，去除效果越好，但生物炭的强度较低，若生物炭的比例太高，系统基质结构的稳定性会受影响。

进一步地，湿地填料中至少三个不同高度的位置设有集水管。集水管四周均匀布满小孔。

进一步地，每个集水管分别与一个阀门连接。

从上述描述可知，集水管用于水质监测、排水和水位控制，最高的集水管作为溢流口，用于控制系统内水面高度，其余集水管用于样品采集和排水。

进一步地，池内集水管外侧填充大粒径砾石。

从上述描述可知，防止集水管小孔堵塞。

进一步地，水面高度低于人工湿地系统的3/4。

从上述描述可知，水面高度过高，不利于海马齿的生长。

请参照图1所示，本发明的实施例一为：

利用人工湿地系统去除养殖废水中典型抗生素的方法，养殖废水采用进水-停留-排水-空置-再进水的进水方式，养殖废水依次流经海马齿2和湿地填料，湿地填料包括交替铺设的沸石层和生物炭层6。

人工湿地系统的池体1为长0.8m、宽0.6m、高度0.8m的玻璃钢池体1。池体1一侧设有进水管10，进水管10均匀设置布水孔。养殖废水的制备方法为：在实际养殖废水中添加2种养殖水域中常被检出的典型抗生素(磺胺甲恶唑、氟苯尼考)配置而成，抗生素为兽用抗生素，每种抗生素的添加浓度为250μg/L。进水时间为5分钟，水力停留时间(HRT)为3天，水力停留时水面高度为0.6m。

海马齿2的种植密度为40株/m

湿地填料从上至下依次为麦饭石层3、生物炭层6、小粒径沸石层4、生物炭层6、小粒径沸石层4、生物炭层6、小粒径沸石层4、生物炭层6、大粒径沸石层5、生物炭层6、大粒径沸石层5和砾石层7；小粒径沸石层4的粒径为：0.9～1.6cm，大粒径沸石层5的粒径为：1.6～3.0cm。湿地填料的总体积比为麦饭石层3：小粒径沸石层4：大粒径沸石层5：生物炭层6＝1：3：2：0.5，每铺设10cm高度沸石，交替铺设500g玉米秸秆生物炭，生物炭均匀平铺于沸石层表面。

湿地填料中0、0.25m、0.50m和0.60m高度分别设置集水管8，该集水管8由四周均匀布满小孔的DN 20PVC管组成，每个集水管8分别与一个阀门81连接。池体1底部设置大孔径(DN 40)的出水口9，用于系统排空、排泥和反冲洗。

本发明的实施例二为：

实施例二与实施例一的区别在于：水力停留时间(HRT)为2天；海马齿2的种植密度为25株/m

本发明的实施例三为：

实施例三与实施例一的区别在于：水力停留时间(HRT)为1天；海马齿2的种植密度为60株/m

本发明的对比例一：

对比例一与实施例一的差别在于：湿地填料中无生物炭，未种植海马齿2。

本发明的对比例二：

对比例二与实施例一的差别在于：湿地填料中无生物炭。

采集实施例一、对比例一和对比例二中HRT＝3天时，0m位置水样检测氟苯尼考和磺胺甲恶唑的去除率，实验时间覆盖春季、夏季、冬季3个季节，共检测7次。分析结果见表1。

表1

由表1可知，与对比例一比较，实施例一对氟苯尼考和磺胺甲恶唑的平均去除率分别提高了26.48％和25.52％；与对比例二比较，实施例一对氟苯尼考和磺胺甲恶唑的去除率分别提高26.69％和18.34％；与对比例一比较，对比例二对氟苯尼考和磺胺甲恶唑的去除率分别提高-0.22％和7.17％。结果表明，相比对比例一和对比例二，实施例一可以显著提高磺胺甲恶唑和氟苯尼考的去除率；在对比例一基础上种植海马齿2可以在一定程度上提高磺胺甲恶唑的去除率，但对氟苯尼考的去除能力无显著差异。

综上，本发明提供的从上述描述可知，本发明通过使用生物炭作为湿地填料、海马齿2作为湿地植物，改变湿地填料的组成结构与进水方式，开发了一种既适用于海水，也适用于淡水的水产养殖废水中抗生素净化的生态处理系统，提高废水中磺胺甲恶唑和氟苯尼考去除效率。

相比连续进水，间断式进水方式在进水过程中可以将更多氧气带入系统中，提高系统内溶解氧含量，促进微生物对污染物的降解。另外，间断式进水方式使得废水与系统中基质接触更充分，可以形成良好的静态吸附状态，促进基质对抗生素的吸附。

海马齿2广泛分布于福建、广东、广西、海南和中国台湾等沿海省份和地区，属于盐碱植物，耐高温、耐旱、耐盐，具有较好的水质净化作用，即可以生长于淡水，也可以生长于海水，选择海马齿2有利于海水养殖废水的治理，应用范围更为广泛。此外，海马齿2属于多年生且生命力顽强的盐生植物，可以保证季节连续性，减少由于植物生命力季节差异显导致的人工湿地净化能力下降的问题。海马齿2还可以较好的去除废水中的营养盐，一定程度上改善修复区海水水质，还会增强系统的硝化、反硝化作用，促进水中氮、磷等物质的去除。使用海马齿2和生物炭结合，可提高抗生素的去除率。本发明的湿地填料可以增加污水与生物质炭的接触面，减少生物质炭的流失。

水面高度过高，不利于海马齿2的生长，集水管8用于水质监测、排水和水位控制，最高的集水管8作为溢流口，用于控制系统内水面高度。

以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。