人工湿地耦合光催化处理有机农药废水的系统的制作方法

1.本发明涉及污水处理领域，尤其涉及一种人工湿地耦合光催化处理有机农药废水的系统。


背景技术：

2.随着农业科技化、现代化的发展，农药的使用量居高不下，并且农药施用后利用率仅约10％，因此造成了大量农药进入农田水体中形成严重的面源污染。农业面源污水中的农药残留进入河流、湖泊、海洋等水体，造成农药在水生生物体中积累，对生态环境、人类健康和生物多样性的影响日渐凸显。因此，农药污染问题近些年来也备受关注，而高效、低耗、安全、环保的含农药废水处理方法对于水资源的良性循环具有重要意义。特别是在国家大力推进生态文明建设和解决生态问题的背景下，对于地表水体中农药的去除，保护生态环境具有重要实用意义。
3.有机农药污水处理的传统技术主要有物理法(包括萃取法、吸附法、膜分离法等)，化学法(包括湿式氧化法、焚烧法等)和生物法(包括活性污泥法、厌氧生物处理法等)。每种传统的处理技术都有各自的优点，但也不可避免的存在很多难以克服的缺点。萃取法和吸附法此类物理法简单易行，可是只涉及相分离层次，经过萃取和吸附后仍存在一些有毒物质无法分离，无法从根本上去除污染物。膜分离法虽然筛除灵敏、能耗低，但是制作难度大、应用范围窄、操作复杂繁琐。湿式氧化法氧化彻底、周期短，但是催化剂的失活和溶出导致的二次污染限制了其应用。焚烧法作为一个处理合理和价格低廉的工艺，却存在着燃烧温度过高会造成二次污染的问题，并且焚烧法只能处理热值高于105kj/kg的有机农药污水，在处理对象上有明显限制。活性污泥法存在微生物浓度低、利用年限短的缺陷，而厌氧生物处理技术也有着对有机物处理不够彻底的短板。
4.与传统处理方法相比较，光催化法处理有机物具有能降解有机大分子、反应条件温和、净化效果好、操作稳定、运行费用低、易于操作和管理、无二次污染等优点，在处理低浓度、大流量、可生化性强的有机农药废水时，更能显示其优越性，具有广泛的应用前景。
5.光催化反应已成功地应用于低浓度污染面源污水的处理，但在具体的操作中还存在以下主要问题：1)光催化降解不彻底，在降解过程中会生成中间产物；2)光催化剂不易回收，造成催化剂在重复利用上有困难；3)光催化剂光响应范围窄，大部分光催化剂要在紫外线条件下才有较高催化活性，无法充分利用太阳能；4)对于可见光催化剂，夜间无法进行光催化反应。
6.光催化剂的材料主要是二氧化钛(tio2)以及不同离子掺杂tio2形成的改性衍生物，如n
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tio2、mg
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tio2等。有时也用到多种离子掺杂形成的tio2改性衍生物，tio2也同时兼具有固态和悬浮态的形式。除此之外，还有以sio2、fe3o4、c3n4为材料的光催化剂，性能在各方面上都有所不同。
7.传统的光催化反应虽然在处理有机农药时能达到较高的碳化率，但由于光催化反应降解不彻底，会生成中间产物，不能完全消除农药的毒性，甚至部分产物比降解之前毒性
更强，这也在一定程度上限制了光催化反应的应用。而人工湿地作为一种利用基质、植物和微生物三者之间的协同作用实现废水中的污染物去除的复杂生态系统，已在多种污染物的去除方面表现出优良的性能。因此，利用人工湿地耦合光催化技术，可以实现有机污染物经光催化后再经人工湿地进一步降解其中间产物，最终实现完全降解。


技术实现要素：

8.本发明要解决的技术问题是克服现有技术中的不足，提供一种结构简单紧凑、有机农药去除效率高、运行成本低、运行周期长、无二次污染、操作维护方便的人工湿地耦合光催化处理有机农药废水的系统。
9.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。
10.一种人工湿地耦合光催化处理有机农药废水的系统，包括光催化装置、人工湿地和太阳能装置，所述太阳能装置包括太阳能板、导线和至少两个光催化光源，所述光催化装置包括光催化池和至少两块溢流板，各溢流板倾斜设置在所述光催化池的侧壁上，相邻溢流板之间设有导流板，所述导流板倾斜设置在所述光催化池的侧壁上，使相邻的溢流板与导流板之间形成溢流通道，各溢流板上附着有光催化剂，所述光催化光源分设于与各溢流板上光催化剂相对的位置，所述光催化池上设有出水口，所述出水口与所述人工湿地连通，所述人工湿地包括人工湿地池以及由下至上设置在人工湿地池内的承托层和改性基质层，所述改性基质层内设有微生物层，所述改性基质层上栽种有湿地植物，所述人工湿地池外侧装设有太阳能板，所述太阳能板与各光催化光源通过所述导线连接。
11.上述的人工湿地耦合光催化处理有机农药废水的系统，优选的，所述溢流板相对于光催化池底壁的倾斜夹角为15℃～45℃，各溢流板互相平行，各导流板与相邻的溢流板平行。
12.上述的人工湿地耦合光催化处理有机农药废水的系统，优选的，所述溢流板设有两块，顺水流方向依次为一级溢流板和二级溢流板，与所述一级溢流板上光催化剂相对的光催化池侧壁上设有所述光催化光源，与所述二级溢流板上光催化剂相对的导流板表面设有所述光催化光源。
13.上述的人工湿地耦合光催化处理有机农药废水的系统，优选的，所述光催化池与所述人工湿地池共用一共用侧壁，所述出水口设于所述共用侧壁上，所述共用侧壁的顶部设有三角堰，所述出水口形成于所述三角堰上。
14.上述的人工湿地耦合光催化处理有机农药废水的系统，优选的，所述光催化池底部设有污泥斗，所述污泥斗的出口与一排泥管连通。
15.上述的人工湿地耦合光催化处理有机农药废水的系统，优选的，所述光催化池远离出水口的侧壁设有进水口，所述人工湿地池底部设有集水管，所述集水管与一排水管连通，所述排水管上设有水位控制装置。
16.上述的人工湿地耦合光催化处理有机农药废水的系统，优选的，所述改性基质层由改性基质构成，改性基质层的孔隙率为30％～35％，孔径为1cm～3cm，所述微生物层由固定化微生物小球构成。
17.上述的人工湿地耦合光催化处理有机农药废水的系统，优选的，所述固定化微生物小球包括抗性微生物、包裹材料及微生物生长必需物质，所述抗性微生物是通过市政污
水厂二沉池内的活性污泥经过光催化降解农药后产生的含中间产物的废水驯化、扩培、纯化获得的。
18.上述的人工湿地耦合光催化处理有机农药废水的系统，优选的，所述光催化剂为可见光催化剂，所述光催化光源为可见光光源，所述太阳能装置在夜间或阴雨天使用。
19.上述的人工湿地耦合光催化处理有机农药废水的系统，优选的，所述有机农药包括伏虫隆和/或2,4
‑
二氯苯氧乙酸。
20.上述的人工湿地耦合光催化处理有机农药废水的系统，优选的，所述太阳能板通过支撑件倾斜装设于所述人工湿地池的两侧。
21.本发明中，耦合技术一方面解决了传统技术在处理毒性强、难降解物质时的局限性，通过光催化技术的降解，将毒性强、难降解的大分子物质转化为微毒或无毒的易降解小分子物质；另一方面解决了光催化技术分解不完全的问题，光催化技术不能完全矿化底物，在分解过程中会产生中间产物，不能实现有机物的彻底去除，但中间产物进入人工湿地后，会在植物、基质和微生物的共同作用下，达到完全降解的效果。人工湿地作为人工生态系统，生态稳定性不佳，外界有毒物质可以冲击人工湿地，光催化技术与人工湿地的耦合，消除了部分有毒物质对人工湿地的冲击，能有效提高人工湿地的稳定性，从而拓宽人工湿地的应用范围，使其能应用在更多的领域。
22.与现有技术相比，本发明的优点在于：
23.1、本发明提供了一种人工湿地耦合光催化处理有机农药废水的系统，该系统既能克服光催化技术对农药分子分解不彻底的缺陷，又能在人工湿地中通过强化措施实现农药废水的完全降解。该装置的应用不仅能拓宽人工湿地的实际应用范围，而且有助于水生态修复，保护水环境。光催化装置中多级溢流板和导流板共同构成了斜板沉淀池，在光催化反应的同时能将进水中的沉积物先行沉淀下来，可以极大的改善后续人工湿地基质层的堵塞情况。而且多级溢流板平行间隔设置，相邻两级溢流板间以导流板隔开，能将废水流态优化成层流状态，依次多次充分接触光催化剂能达到充分降解污染物的目的。在层流流体的单向水流冲刷作用下，多级溢流板上的光催化剂很难被沉积物覆盖而影响催化活性。多个溢流板倾斜平行排布构成的多级溢流板在使用中可根据光催化剂老化、流失或失效情况及时进行单个溢流板(带光催化剂)更换，以保证工艺连续高效运行。本发明系统还可根据增减溢流板的数量来满足不同处理量的需求。
24.2、本发明采用太阳能装置为可见光光催化剂夜间供能，既充分利用清洁能源，又实现多级连续光催化反应，提升了该耦合工艺对农药废水处理的连续性和稳定性，有利于保障处理效率和处理规模。
25.3、本发明人工湿地基质层引入抗农药固定化微生物小球，针对性地强化去除对人工湿地处理效率有影响的光催化产物，既能实现对农药的高效处理，又能避免二次污染。
26.4、本发明的系统处理效率高，应用简单，非常适宜处理流量大、浓度低的农药废水，运行周期长，维护简单，同时低浓度的有机物农药可以有效控制微生物在人工湿地基质层过度生长，避免发生堵塞。
27.5、本发明系统的单体处理面积大，适用于农田有机农药废水的处理，农田作为农村土地的主要部分，加之农田普遍集中分布，一个区域的农药面源污染均可通过该系统进行处理。
附图说明
28.图1为本发明实施例1的人工湿地耦合光催化处理有机农药废水的系统主视剖面图。
29.图2为本发明实施例1的人工湿地耦合光催化处理有机农药废水的系统俯视图(湿地植物和改性基质层未示出)。
30.图3为本发明实施例1的人工湿地耦合光催化处理有机农药废水的系统左视图(湿地植物和改性基质层未示出)。
31.图4为本发明实施例1的人工湿地耦合光催化处理有机农药废水的系统中共用壁的结构示意图。
32.图例说明：
33.1、光催化装置；11、光催化池；12、溢流板；121、一级溢流板；122、二级溢流板；13、导流板；14、出水口；15、进水口；16、污泥斗；17、排泥管；2、人工湿地；21、人工湿地池；22、改性基质层；23、微生物层；24、湿地植物；25、排水管；26、集水管；27、水位控制装置；28、承托层；3、太阳能板；4、导线；5、光催化光源；6、共用侧壁；7、三角堰。
具体实施方式
34.以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。
35.实施例1：
36.一种本发明的人工湿地耦合光催化处理有机农药废水的系统，如图1和图2所示，包括光催化装置1、人工湿地2和太阳能装置，太阳能装置包括太阳能板3、导线4和多个光催化光源5，光催化装置1包括光催化池11和至少两块溢流板12，各溢流板12倾斜设置在光催化池11的侧壁上，相邻溢流板12之间设有导流板13，导流板13倾斜设置在光催化池11的侧壁上，使相邻的溢流板12与导流板13之间形成溢流通道，各溢流板12上附着有光催化剂，多个光催化光源5分设于与各溢流板12上光催化剂相对的位置，光催化池11上设有出水口14，出水口14与人工湿地2连通，人工湿地2包括人工湿地池21以及设置在人工湿地池21内的改性基质层22和承托层28，改性基质层22内设有微生物层23，微生物层23由固定化微生物小球构成，改性基质层22上栽种有湿地植物24，人工湿地池21外侧装设有太阳能板3，太阳能板3与各光催化光源5通过导线4连接。
37.本实施例中各溢流板12相互平行并倾斜布置于光催化池11中，倾斜布置的倾斜方向为顺水流方向，相邻两个溢流板12间以导流板13隔开，导流板13与溢流板12平行排布，溢流板12的顶边低于光催化池11的开口端，溢流板12的侧边与光催化池11的侧壁贴合，以确保水流从溢流板12上方通过，导流板13的顶边高于溢流板12的顶边，导流板13的侧边与光催化池11的侧壁贴合，导流板13的底边与光催化池11低壁留有间隔，使水流能够从导流板13下方通过流至下一级溢流板12。光催化装置1主要是通过光催化剂来实现农药废水的初步分解，将农药大分子分解为小分子。
38.本实施例中，溢流板12相对于光催化池11的底壁(水平面)的倾斜夹角为45℃，各溢流板12互相平行，各导流板13与相邻的溢流板12平行。
39.本实施例中，溢流板12设有两块，顺水流方向依次为一级溢流板121和二级溢流板
122，与一级溢流板121上光催化剂相对的光催化池11侧壁上设有光催化光源5，与二级溢流板122上光催化剂相对的导流板13表面设有光催化光源5。
40.在实际应用过程中，可以根据需求增加溢流板12、导流板13和光催化光源5的数量。
41.本实施例中，光催化池11与人工湿地池21共用一共用侧壁6，出水口14设于共用侧壁6上，共用侧壁6的顶部设有多个三角堰7。在光催化装置1中被降解的农药小分子，通过溢流从三角堰7进入人工湿地2时，三角堰7可以进一步起到改变废水流态的作用，使人工湿地2进水均匀。
42.本实施例中，光催化池11底部设有污泥斗16，污泥斗16的出口与一排泥管17连通，排泥管17用于将污泥斗16中的污泥排出光催化池11，既可以起排泥作用，也方便流失光催化剂的回收。
43.本实施例中，光催化池11远离出水口14的侧壁底端设有进水口15，人工湿地池21底部(承托层28的底部)设有集水管26，集水管26与一排水管25连通，排水管25上设有水位控制装置27。经光催化装置1和人工湿地2处理后的污水由集水管26收集，通过排水管25排出，人工湿地2内的水位由水位控制组件来控制，根据进水水质灵活调节人工湿地2内水位从而达到不同的水力停留时间，保证处理效率。
44.本实施例中，改性基质层22由改性基质构成，改性基质层22的孔隙率为30％～35％，孔径为1cm～3cm，改性基质具体为改性人工沸石，通过将氮源(硝酸钾)和磷源(磷酸钠)负载在沸石上，为基质中的微生物提供生长所需的部分氮源和磷源。
45.本实施例中，固定化微生物小球包括抗性微生物、包裹材料及微生物生长必需物质，抗性微生物是通过市政污水厂二沉池内的活性污泥经过光催化降解农药后产生的含中间产物的废水驯化后，经扩培、纯化获得的。抗性微生物可以根据实际处理对象进行选择驯化，如经2,4
‑
二氯苯氧乙酸驯化后的微生物即是对2,4
‑
二氯苯氧乙酸有抗性的微生物，然后制成固定化微生物小球，包裹材料通常采用聚乙烯醇和海藻酸钠，微生物生长必需物质通常为微生物所需微量元素。该抗性微生物引入人工湿地2的改性基质层22后，对光催化降解产物具有专一性，能高效分解并达到98％以上的处理效率。
46.本实施例中，固定化微生物小球的直径约为0.3cm～1.0cm，位于改性基质层22内，集中分布在植物根系部位，平面铺设密度为3～6个/cm2。经光催化降解后的废水进入人工湿地后，在改性基质层22、湿地植物24和微生物层23的协同作用下，农药废水能够得以彻底高效分解。
47.本实施例中的湿地植物24采用芦苇，根系发达，能有效将氧通过根系传送至微生物，以满足微生物降解中间产物时对氧的需求。当然在其它实施例中也可以采用其它当地的优势土著水生植物如香蒲和风车草等。
48.本实施例中，光催化剂为可见光催化剂，光催化光源为可见光光源，太阳能装置在夜间或阴雨天使用，既节能环保又实现光催化系统的昼夜连续运行，保障了该装置的处理规模和工艺稳定性。
49.本实施例中，处理的废水中有机农药包括伏虫隆、2,4
‑
二氯苯氧乙酸等。
50.本实施例中，如图3所示，太阳能板3通过支撑件倾斜装设于人工湿地池21两侧，其中，太阳能板3与人工湿地池21侧壁的夹角为70
°
，在其它实施例中设置为55
°
～80
°
均可。
51.本实施例的人工湿地耦合光催化处理有机农药废水的系统的工作原理如下：
52.农田中的有机农药废水从光催化装置1底部的进水口15进入，然后水流由一级溢流板121底端冲刷至上端，从一级溢流板121上端溢出，由导流板13将水流导流至光催化池11底部，再从导流板13下方流至二级溢流板122，由二级溢流板122底端冲刷至上端，通过三角堰7进入人工湿地。一级溢流板121、二级溢流板122与导流板13间隔平行排布将废水流态优化成层流状态，使废水能够依次与一级溢流板121、二级溢流板122上的光催化剂充分接触，既能保证废水中的有机农药与光催化剂充分反应，又能使废水流态稳定，有效提高光催化效率。一级溢流板121、二级溢流板122和导流板13共同构成了斜板沉淀池，在光催化反应的同时能将进水中的沉积物沉淀下来，可以极大的改善后续人工湿地基质层的堵塞情况。并且在层流流体的单向水流冲刷作用下，溢流板13上的光催化剂很难被沉积物覆盖而影响催化活性。底部的排泥区即可以起排泥作用，也方便流失光催化剂的回收。光催化降解后的农药小分子随着废水通过三角堰7进入人工湿地2，经过改性基质层22、湿地植物24和固定化微生物小球的协同作用，实现农药废水的彻底净化。
53.在可见光照射下高活性的光催化剂能将农药大分子分解成小分子有机物，提高废水的可生化性，矿化率可达95％以上。例如伏虫隆这类苯甲酰脲类农药，可被光催化降解为微毒2
‑
氟苯甲酰胺，2
‑
氟苯甲酰胺再经人工湿地处理后能完全被矿化。
54.本发明通过光催化技术与人工湿地的耦合，衔接太阳能装置，保证连续多级光催化反应的同时结合固定化抗性微生物的分解，最终达到高效处理有机农药废水的目的。
55.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。