一种电辅助垂直流人工湿地反应器

1.本实用新型涉及污水处理技术领域，特别涉及一种电辅助垂直流人工湿地反应器。


背景技术：

2.传统的抗生素废水及城市污水中均含有抗生素等抗生素类污染物。近年来，大量的生产和生活污水进入自然水体，显著的超过了自然水环境的承载能力，引起了严重的水环境污染。由于抗生素无法被人类和动物有效降解或代谢，大量抗生素以未受损的活性排放到环境中，导致其在各种环境中积累。抗生素的滥用会增加环境中抗性基因(antibiotic resistant genes, args)的含量，而args可在生物体内和环境中长时间残留，对人类健康和生态安全造成巨大威胁。环境中持久存在且不易被降解的抗生素不仅会直接造成有机污染，还会诱导产生args和耐药菌。同时广泛存在于自然水体的抗生素类污染物和层出不群的内分泌干扰素等不仅严重影响着水体和生命体的安全性，也对水处理技术提出了严峻的挑战。鉴于水质的复杂性和多样性，传统水处理工艺已然无法达到有效的去除效果，寻求不同工艺的高效结合成为了保障水环境安全的技术关键。目前应用于污水处理的技术主要有厌氧处理工艺、生物膜法处理技术等方法。这些常规污水生物处理技术对一些难降解抗生素类污染物处理效率不高，并且受污染水体中污染物浓度的限制。此外一些难降解抗生素类污染物会抑制传统生物方法中微生物的生长及活性，影响污水中抗生素类污染物污染物的去除效果。
3.人工湿地(constructed wetlands,cws)作为一种成熟的生态型污水处理技术在去除抗生素类污染物是可行的。人工湿地具有去除效果稳定、成本低、易于操作和维护等特点，被用于处理污染废水已有几十年。在人工湿地中，植物、基质和微生物协同作用，通过植物的吸收富集、基质的吸附和过滤以及微生物分解等过程实现废水中氮、磷、有机污染物等污染物的去除。在以往的研究表明，简单地通过改变湿地的流态(水平、潜流、垂直流)、运行方式(间歇流、连续流)、运行参数(停留时间、有机负荷) 等途径并不能使人工湿地对有机类污染物的去除效果有“质”的提升。为此，研究强化cws对于抗生素类污染物的去除效果有待进一步深入探讨，找到一种有效去除抗生素类污染物的强化cws系统成为目前需要解决的问题。
4.生物电化学(bioelectrochemical system，bes)系统是一种有效的有机类污染物降解途径，并且与其他各种技术联用，达到了很好的去除效果。 bes系统主要是利用微生物的功能来实现阴极还原或者阳极氧化的电化学体系，主要包括微生物燃料电池(microbial fuel cell，mfc)和微生物电解池(microbial electrolysis cell，mec)两种形式，bes系统可以被用来还原降解包括抗生素在内的多种难降解的污染物质。
5.通过人工湿地与生物电化学耦合系统，改变植物和微生物生长、代谢活性、微生物群落结构、微生物和植物所在的微生态环境等，以达到提升有机物类污染物的去除效果。耦合系统将生物电化学植入人工湿地中有助于调节湿地的氧化还原电位并为厌氧区的污染
物提供了更多的电子受体，从而加快的微生物代谢作用，从而增强抗生素类污染物污染物的去除。其基本原理是通过电极系统的电解作用改变污染物的化学形态利用氧化还原、电絮凝、电沉积等作用去除污染物。通过利用电场对植物的诱导、微生物的活化以及污染物的迁移作用加快污染物的迁移、转化速率强化了生物转化能力从而促进抗生素类污染物的去除。
6.由于具有这些特点，近些年强化复合型人工湿地受到了全球学者的广泛关注，其性能也得到了大幅度提高。其中性能最优且最具实用潜力的构型是人工湿地耦合生物电化学系统，其具有以下优点：
7.(1)运行稳定：人工湿地耦合生物电化学系统能持续进水，通过阴阳极室对抗生素类污染物进行有效去除，持续运行较好。
8.(2)强化污水处理：人工湿地耦合生物电化学系统利用微生物的分解作用、植物吸收富集和基质的吸附和过滤等协同作用对抗生素类污染物进行降解。具有稳定且优良的去除效果。
9.(3)生态环保：与传统工艺想比，兼具良好去除效果及生态环保价值。
10.然而，人工湿地耦合生物电化学系统方面的研究相对较少，具有以下局限：
11.1、系统对抗生素类污染物去除效果及最优运行模式尚未清楚，尤其是难以对难降解污染物进行降解去除。
12.2、阳极区溶解氧浓度低，导致不能为微生物代谢活动提供充足氧气。
13.3、水力停留时间较长，悬浮态微生物及脱落生物膜容易造成反应器堵塞。


技术实现要素：

14.本实用新型的目的在于提供一种电辅助垂直流人工湿地反应器，以解决背景技术中存在的技术问题。
15.因此，本实用新型提供一种电辅助垂直流人工湿地反应器，其采用的技术方案如下：
16.一种电辅助垂直流人工湿地反应器，包括反应器体，所述反应器体内自下而上设置厌氧区、曝气区和好氧区，对应所述厌氧区、曝气区和好氧区分别设置第一出水端部、第二出水端部和第三出水端部，所述曝气区设置有曝气口，所述反应器体的下方设置有进水端部，所述厌氧区设置有厌氧阴极，所述好氧区设置有好氧阳极，所述厌氧阴极和所述好氧阳极的上下均填充有砾石，所述厌氧阴极和所述好氧阳极通过钛片连接外部电路。
17.进一步地，所述厌氧阴极是由两块钛网夹心的导电生物膜载体，所述导电生物膜载体上附着有阴极厌氧微生物。
18.进一步地，所述好氧阳极是附着有阳极好氧微生物的电极层。
19.进一步地，所述曝气口通过进气管连通增氧泵。
20.进一步地，所述进气管上设置玻璃转子气体流量计和止回阀。
21.进一步地，所述外部电路至少包括直流电源。
22.进一步地，所述进水端部通过第一进水管连接进水泵的一端，所述进水泵的另一端通过第二进水管连接污水源。
23.进一步地，所述好氧阳极上方的砾石种植有人工湿地植物。
24.进一步地，所述人工湿地植物包括美人蕉、旱伞草、香蒲、再力花、黄菖蒲中的一种及其组合。
25.进一步地，所述反应器体为圆柱状，并采用有机玻璃制造而成。
26.本实用新型的有益效果是：根据本实用新型实施例的一种电辅助垂直流人工湿地反应器，厌氧阴极的微生物可以对难降解抗生素类污染物进行分解，好氧阳极的微生物及植物可以使污水中的抗生素进一步去除，可以去除抗生素类污染物等。在电刺激作用下，微生物群落结构发生变化，刺激植物生长发育、提高酶活性，改变污染物的化学形态，可以促进其对抗生素类污染物的去除。
附图说明
27.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
28.图1示出了根据本实用新型实施例的一种电辅助垂直流人工湿地反应器的的结构示意图。
29.图中，1为反应器体，2为厌氧区，3为曝气区，4为好氧区，5为第一出水端部，6为第二出水端部，7为第三出水端部，8为进水端部，9为厌氧阴极，10为好氧阳极，11为砾石，12为钛片，13为直流电源，14为进气管，15为增氧泵，16为玻璃转子气体流量计，17为止回阀，18为第一进水管，19为进水泵，20为第二进水管，21为污水源，22为曝气口，23 为人工湿地植物。
具体实施方式
30.以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
31.在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
33.下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。
34.本实用新型实施例提供一种电辅助垂直流人工湿地反应器，如图1所示，该电辅助垂直流人工湿地反应器包括反应器体1，所述反应器体1内自下而上设置厌氧区2、曝气区3和好氧区4，对应所述厌氧区2、曝气区3 和好氧区4分别设置第一出水端部5、第二出水端部6和第三出水端部7，所述曝气区3设置有曝气口22，所述反应器体1的下方设置有进水端部8，所述厌氧区4设置有厌氧阴极9，所述好氧区4设置有好氧阳极10，所述厌氧阴极9和所述好氧阳极10的上下均填充有砾石11，所述厌氧阴极9和所述好氧阳极10通过钛片12连接外部电路。
35.在具体实施时，污水通过反应器体1的下方设置的进水端部8进入到反应器体1内，并先通过厌氧区4的厌氧处理，然后在进入好氧区4之前通过曝气区的曝气处理，为好氧区4提供稳定的氧气来源，最后在好氧区4 中进行好氧处理，对污水进行处理。
36.在厌氧区2中，所述厌氧阴极9是由两块钛网夹心的导电生物膜载体，所述导电生物膜载体上附着有阴极厌氧微生物，能实现抗生素类污染物的初步降解。在好氧区4中，所述好氧阳极是附着有阳极好氧微生物的电极层，并且可以进一步在所述好氧阳极10上方的砾石种植有人工湿地植物23，利用微生物的分解及植物的吸收富集作用，进一步降解抗生素类污染物。仅作为示例，导电生物膜载体可以是碳毡小块，阴阳极微生物可以附着在碳毡小块上。
37.需要说明的是，在一些实施例中，所述反应器体1采用圆柱有机玻璃，内径9cm，外径10cm，高41cm。可以理解的，上述尺寸仅仅只是示例，反应器体1的具体尺寸根据实际应用情况下的污水处理量来具体确定。
38.在一些实施例中，所述外部电路至少包括直流电源13，用以通过钛片 12为所述厌氧阴极9和所述好氧阳极10供电，以保着给厌氧阴极9阴极证附的厌氧微生物，好氧阳极10附着的阳极好氧微生物提供电压。分层的对污水处理，在电刺激作用下，微生物群落结构发生变化，刺激植物生长发育、提高酶活性，改变污染物的化学形态，可以促进其对抗生素类污染物的去除。
39.需要注意，本实施例中所述的外部电路还可以包括调压电路，即在直流电源13在为所述厌氧阴极9和所述好氧阳极10供电时，调整供电电压。当然，还可以配置有其他电路元件，例如短路保护器以避免线路短路、各种接触器以实现智能供电控制等等。本实施例此处不作限制。
40.在一些实施例中，所述曝气口22通过进气管14连通增氧泵15，以通过增氧泵14提供氧气来源，其中氧气来源具体是含有氧气的气体，并不限于纯氧气供给。
41.更具体地，所述进气管14上设置玻璃转子气体流量计16和止回阀17。玻璃转子气体流量计16用于调节曝气量，止回阀17用于防止污水倒流。
42.在一些实施例中，所述进水端部8通过第一进水管18连接进水泵19 的一端，所述进水泵19的另一端通过第二进水管20连接污水源21。本文中所述的污水源21可以实现为污水池等污水暂存的结构体。可以理解的是，污水源21还可以是废弃排污管，即可以将本实用新型作为工厂等污水产出源的污水净化器进行使用。可以理解的是，本实用新型也可以对生活废水进行处理。本实施例此处不作具体限制。
43.在一些实施例中，所述人工湿地植物23具体是水生植物，以起到吸收富集作用，提升净水效果，仅作为示例，所述人工湿地植物包括美人蕉、旱伞草、香蒲、再力花、黄菖蒲中
的一种及其组合。
44.综上所述，本实施例运行过程中采用实际抗生素废水或者城市污水，运行方式为升流式。即污水先进入厌氧阴极区(水力停留时间为24h)，利用电刺激，使得反应器中的微生物群落结构随着电解强度的改变而改变，强化微生物的活化作用及转化能力，加快污染物的迁移和转化，从而利用微生物的分解作用实现抗生素类污染物的初步去除。抗生素类污染物后续进入好氧阳极区，利用适宜的电解强度，刺激植物生长发育、提高酶活性，特别是在调节抗氧化防御系统的活性方面，增强植物在逆境中的适应。从而利用微生物的分解及植物的吸收富集等作用实现抗生素类污染物的进一步去除，实现难降解抗生素类污染物的降解，实现污水的深度处理。
45.以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应由权利要求限定。