申请日2015.02.11
公开(公告)日2015.05.13
IPC分类号G06F17/50; C02F3/30
摘要
本发明公开了一种废水厌氧-好氧处理系统(简称STP(A/O))的化学品暴露预测方法。以废水厌氧-好氧生化处理系统为基本工艺，根据气、水、悬浮颗粒、污泥环境介质共存关系及化学品的质量流过程，构建了STP(A/O)概念模型，通过默认环境暴露场景参数，仅需输入化学品分子量、蒸汽压(P)、水溶解度(S)、厌氧生物降解速率(k10)、好氧生物降解速率(k5)、吸附系数(Koc)和排放量(ERC)即可完成暴露水平预测。预测方法简单可行、实测参数较少、预测准确度较高，对化学品暴露风险评估具有重要意义。
权利要求书
1.一种废水厌氧-好氧处理系统的有机化学品暴露水平预测方法，其特征在 于包括以下步骤：
获取待研究废水厌氧-好氧处理系统的暴露场景资料，根据已知资料中的参 数计算未知参数和质量流;依据所述废水厌氧-好氧处理系统的初沉、厌氧、好 氧、二沉基本流程，及化学品在所述废水厌氧-好氧处理系统中吸附、表面挥发、 曝气挥发所涉及的大气、水、悬浮固体、沉积污泥4种环境介质，构建废水厌氧 -好氧处理系统的概念模型图，再基于质量守恒方法建立11箱预测模型，根据各 箱中化学品浓度和环境介质平流流速和扩散流速，计算化学品在废水厌氧-好氧 处理系统中的降解率，及向各环境介质中的排放浓度、排放系数，进而预测所述 废水厌氧-好氧处理系统的有机化学品暴露水平。
2.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述废水厌氧-好氧处理 系统的概念模型图包含：
11箱，分别为(0)外部环境、(1)上方空气、(2)初沉池水体、(3)初 沉池悬浮颗粒、(4)初沉池污泥、(5)曝气池水体、(6)曝气池悬浮颗粒、 (7)二沉池水体、(8)二沉池悬浮颗粒、(9)二沉池污泥、(10)厌氧池水 体、(11)厌氧池悬浮颗粒;
2种生物降解方式，分别为厌氧生物降解性、好氧生物降解性;
18个平流过程，分别为STP上方空气流入、STP上方空气流出、原水溶解 态化学品流入初沉池、原水吸附态化学品流入初沉池、初沉池溶解态化学品流入 厌氧池、初沉池吸附态化学品流入厌氧池、厌氧池溶解态化学品流入曝气池、厌 氧池吸附态化学品流入曝气池、曝气池溶解态化学品流入二沉池、曝气池吸附态 化学品流入二沉池、二沉池溶解态化学品流出、二沉池吸附态化学品流出、初沉 池悬浮颗粒沉降为污泥、初沉池污泥的排出、二沉池悬浮颗粒沉降为污泥、剩余 污泥的排出、二沉池污泥回流至厌氧池、污泥回流过程中水的回流;
8个扩散过程，分别为初沉池挥发、厌氧池挥发、曝气池挥发和曝气、二沉 池挥发、初沉池污泥吸附、厌氧池污泥吸附、曝气池污泥吸附、二沉池污泥吸附。
3.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述11箱预测模型为11 元1次线性方程：
其中A(i,j)指i箱到j箱环境介质的平流流速，单位为m3.s-1;X(i,j)指i 箱到j箱环境介质的扩散流速，单位为m3.h-1;ki指第i箱中生物降解一级动力学 常数，单位为s-1;Vi指第i箱的体积，单位为m3;C(0,2)值STP进水中化学品 溶解态浓度，单位为g/m3;C(0,3)——STP进水中化学品吸附态浓度，单位为g/m3。
计算各箱体平流流速A(i,j)，同时利用逸度理论分别计算各环境介质扩散 流速X(i,j)，最后用matlab或excel软件求解得到各箱体中化学品浓度Ci。
4.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述待研究废水厌氧-好 氧处理系统的暴露场景资料包括环境条件参数、池体容积参数、废水水质参数、 污泥参数、化学品的理化性质参数。
5.根据权利要求4所述的预测方法，其特征在于，所述环境条件参数包括空 气温度、水温、空气高度、风速。
6.根据权利要求4所述的预测方法，其特征在于，所述池体容积参数包括池 高、池面积、池体积。
7.根据权利要求4所述的预测方法，其特征在于，所述废水水质参数包括原 水BOD5、原水悬浮固体浓度、原水悬浮固体密度、原水悬浮固体有机碳分数。
8.根据权利要求4所述的预测方法，其特征在于，所述污泥参数包括污泥停 留时间、污泥密度、污泥有机碳含量、污泥吸附平衡半衰期、污泥悬浮固体浓度、 污泥有机碳分数。
9.根据权利要求4所述的预测方法，其特征在于，所述化学品的理化性质参 数包括分子量、蒸汽压、水溶解度、厌氧生物降解速率、好氧生物降解速率和吸 附系数、排放量。
10.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述未知参数和质量流 包括亨利常数、污泥-水分配系数、气-水分配系数、污泥需氧量、污泥产量、剩 余污泥量、进水化学品浓度。
说明书
废水厌氧-好氧处理系统的有机化学品暴露水平预测方法
技术领域
本发明涉及化学品环境风险评估领域，涉及一种有机化学品废水厌氧-好氧 处理系统的暴露预测方法。
背景技术
我国是化学品研发、生产、使用大国，除了4.5万多种现有化学物质外，每 年还有上千种新化学物质投入使用。污水处理厂(Sewage treatment plant，STP) 是化学品进入环境的关键环节，易降解化学品在STP中基本可以完全去除，但是 难降解化学品经过STP处理后难以发生降解，部分挥发进入大气、被污泥吸附， 残留化学品随二级出水排放进入受纳水体，对生态环境尤其是水生生态系统存在 潜在的生态毒性影响。
目前，我国已经建立了以风险评价为依据的化学品环境风险管理制度。为了 防控化学品的风险，欧盟、美国和中国都发布了化学品的管理法规，要求新化学 物质在首次生产或进口前必须开展危害评估和暴露评估相结合的风险评估，依据 风险评估的结果开展相应的管理。暴露评估主要研究化学品的排放过程以及在环 境中归趋和分布，其中STP中化学品的归趋过程和处理效率是风险评估的重要内 容，决定了化学品的暴露浓度和风险水平。因此STP暴露预测是化学品环境暴露 预测的重要内容，也是开展化学品环境风险评估的重要基础。由于化学品数量巨 大，且新化学物质尚未在国内生产和使用，化学品在STP中的归趋过程和去除效 率评估主要采用模型预测。
厌氧-好氧工艺(A/O)指通过厌氧区和好氧区的各种组合以及不同的污泥回 流方式来去除水中有机污染物和磷等的活性污泥法污水处理方法。A/O工艺在我 国应用较为广泛，是我国目前STP的第三大工艺，在我国目前有约258家STP 采用A/O工艺。因此构建以A/O型工艺为基础的化学品STP暴露预测方法，对 化学品暴露评估具有重要意义。
经广泛检索中国、欧盟、美国等专利机构，均未发现针对化学品厌氧-好氧 处理工艺的STP暴露预测方法。Moya开发了一种基于缺氧-厌氧-好氧紧凑型生物 滤池工艺的污泥消化、有机质氧化、硝化的预测模型(Moya J,C,Peredo K.Modeling of simultaneous denitrification–Anaerobic digestion–Organic matter aerobic oxidation and nitrification in an anoxic–anaerobic–aerobic compact filter reactor[J].Journal of Biotechnology,2012,160(3–4):176–188)。Gracia开发了一种 好氧和厌氧条件下污泥的消化数学模型(Gracia M,Grau P,Huete,E.New generic mathematical model for WWTP sludge digesters operating under aerobic and anaerobic conditions:Model building and experimental verification[J].Water Research,2009,43(18):4626-4642)。Tartakovsky构建了三氯乙烯在厌氧-好氧生 物反应器中的生物降解模型(Tartakovsky B,Manuel M F,Guiot S R.Degradation of trichloroethylene in a coupled anaerobic–aerobic bioreactor:Modeling and experiment[J].Biochemical Engineering Journal,2005,26(1)72–81.)。Zafiri研究 了一种好氧、厌氧处理条件下生物除磷模型(Zafiri C,Kornaros,M,Lyberatos G. Kinetic modelling of biological phosphorus removal with a pure culture of Acinetobacter sp under aerobic,anaerobic and transient operating conditions.Water Research,33(12):2769-2788。总体而言，国内外未见模拟STP厌氧-好氧工艺条件 下化学品的归趋和暴露水平模型。
化学品STP暴露评估通常需要一种筛选水平的模型，能模拟化学品在STP 中的归趋，预测废水中化学品经STP处理后向大气、污泥、水体的转移或排放系 数。模型应该简单、清晰、稳健，无需完全模拟实际STP的操作情况，只需要知 道化学品的几个理化性质参数，就能获得评估所需的排放系数。STP暴露评估并 不关心生化反应机理及COD、氮、磷的去除过程。针对以上特点，本发明重点 关注化学品在废水A/O处理系统中所涉及的环境介质，以及挥发、吸附、降解等 归趋过程，通过构建STP(A/O)概念模型图和各箱体质量守恒方程，建立了输 入的化学品性质数据较少、准确度较高、且符合我国化学品风险评估数据要求的 STP(A/O)预测模型。
发明内容
本发明的目的是提供一种有机化学品在厌氧-好氧处理工艺的污水处理厂 (简写为STP(A/O)中的暴露水平预测方法，估算有机化学品经STP(A/O) 处理后，向大气、污泥、水体的排放系数和排放浓度，为化学品的暴露评估提供 数据资料。
为实现上述目的，本发明提供一种依照本发明实施的有机化学品在STP (A/O)中暴露水平预测方法，包括以下步骤：
获取待研究废水厌氧-好氧处理系统的暴露场景资料和化学品理化性质参 数，根据已知资料中的参数计算未知参数和质量流;依据所述废水厌氧-好氧处 理系统的初沉、厌氧、好氧、二沉基本流程，及化学品在所述废水厌氧-好氧处 理系统中吸附、表面挥发、曝气挥发所涉及的大气、水、悬浮固体、沉积污泥4 种环境介质，构建废水厌氧-好氧处理系统的概念模型图，基于质量守恒方法建 立11箱预测模型，根据各箱中化学品浓度和环境介质平流流速和扩散流速，计 算化学品在废水厌氧-好氧处理系统中的降解率，及向各环境介质中的排放浓度、 排放系数，进而预测所述废水厌氧-好氧处理系统的有机化学品暴露水平。
具体地，所述废水厌氧-好氧处理系统的概念模型图包含：
11箱，分别为0外部环境、1上方空气、2初沉池水体、3初沉池悬浮颗粒、 4初沉池污泥、5曝气池水体、6曝气池悬浮颗粒、7二沉池水体、8二沉池悬浮 颗粒、9二沉池污泥、10厌氧池水体、11厌氧池悬浮颗粒;
2种生物降解方式，分别为厌氧生物降解性、好氧生物降解性;
18个平流过程，分别为STP上方空气流入、STP上方空气流出、原水溶解 态化学品流入初沉池、原水吸附态化学品流入初沉池、初沉池溶解态化学品流入 厌氧池、初沉池吸附态化学品流入厌氧池、厌氧池溶解态化学品流入曝气池、厌 氧池吸附态化学品流入曝气池、曝气池溶解态化学品流入二沉池、曝气池吸附态 化学品流入二沉池、二沉池溶解态化学品流出、二沉池吸附态化学品流出、初沉 池悬浮颗粒沉降为污泥、初沉池污泥的排出、二沉池悬浮颗粒沉降为污泥、剩余 污泥的排出、二沉池污泥回流至厌氧池、污泥回流过程中水的回流。
8个扩散过程，分别为初沉池挥发、厌氧池挥发、曝气池挥发和曝气、二沉 池挥发、初沉池污泥吸附、厌氧池污泥吸附、曝气池污泥吸附、二沉池污泥吸附。
所述待研究废水厌氧-好氧处理系统的暴露场景资料包括环境条件参数、池 体容积参数、废水水质参数、污泥参数。
所述化学品的理化性质参数包括分子量(MW)、蒸汽压(P)、水溶解度 (S)、厌氧生物降解速率(k10)、好氧生物降解速率(k5)和吸附系数(Koc)， 排放量(ERC)。
环境条件参数包括：空气温度(T_air)、水温(T_water)、空气高度(h_air)、 风速(Windspeed)
污水处理厂一般参数包括日处理能力(Q)、服务人口(NI)、人均污水每日 产生量(Sewage_flow)
废水水质参数包括原水BOD5(BOD_in)、原水悬浮固体浓度(SS_in)、原 水悬浮固体密度(RHO_RS)、原水悬浮固体有机碳分数(Foc_RS)。
初沉池(_ps)、厌氧池(_A1)、好氧池(_O)、二沉池参数(_SLS)包 括池高(Depth)、池面积(Area)、池体积(V)、水力停留时间(HRT)、污 泥停留时间(SRT)、污泥密度(RHO)、污泥有机碳含量(Foc)、污泥吸附 平衡半衰期、悬浮固体浓度(SS)、悬浮混合液浓度(MLSS)。
其他参数包括BOD5去除率(FBOD)、污泥回流比(Cycle_sludge)、污泥负 荷(kSLR)、曝气速率(Aeration_rate)、污泥增长率(Y_sludge)、空气和水质量 迁移系数。
一般参数的计算方法如下：
亨利常数H的计算：
H = P S
在原水、初沉池、厌氧池、曝气池、二沉池中污泥-水分配系数：
Kp(RS,PS,A1,O,SLS)=Kemp×foc(RS,PS,A1,O,SLS)×Koc
气-水分配系数：
KH=H/(R×T_air)
厌氧池和曝气池中污泥需氧量计算：
O require _ A 1 , o = BOD _ RS , A 1 1000 × F BOD × sewage _ flow
厌氧池，曝气池中的污泥产量：
Pro_sludge_A1、O=Sewage_flow×(Oxygen_rPEuire_A1、O×FBOD_A1、O×Y_sludge_O)
每日产生的剩余污泥量：
Surplus_sludge=Pro_sludge_A1+Pro_sludge_O+1/3×ss_RS-Sewage_flow× SS_SLS
STP输入浓度主要为原水中化学品向初沉池的流入，化学品一部分溶解在水 中，一部分吸附在悬浮物中。其中，进入初沉池水相的浓度公式：
C ( 0,2 ) = C in 1 1 + K p 1000 × MLSS
进入初沉池悬浮固体中的化学品浓度：
C(0,3)=C(0,2)×Kp×RHO_RS
所述的基于质量守恒方法建立污水处理系统的11箱预测模型为11元1次线 性方程，如下表所示：
其中：Ci——i箱中化学品的浓度，g/m3;
A(i,j)——i箱到j箱环境介质的平流流速，m3·s-1;
X(i,j)——i箱到j箱环境介质的扩散流速，m3·h-1;
ki——第i箱中生物降解一级动力学常数，s-1;
Vi——第i箱的体积，m3;
C(0,2)——STP进水中化学品溶解态浓度，g/m3;
C(0,3)——STP进水中化学品吸附态浓度g/m3。
各箱体环境介质平流流速A(i,j)计算如下：
A ( 0,1 ) = Area _ STP × NI × H _ air × Windspeed
A ( 0,1 ) = Area _ STP × NI × H _ air × Windspeed
A ( 0,2 ) = ADV ( 2,10 ) = NI × Swage _ flow 24 × 3600
A(10,5)=A(2,10)+A(7,10)
A(7,10)=A(0,2)×Cycle_Sludge
A(5,7)=A(10,5)
A ( 0,3 ) = Input _ solids _ RS × NI RHO _ RS × 1000 × 24 × 3600
A(3,4)=A(4,0)=2/3A(0,3)
A(3,11)=1/3A(0,3)
A ( 11,6 ) = A ( 10,5 ) × MLSS _ A 1 RHO _ A 1 × 1000
A ( 6,8 ) = A ( 5,7 ) × MLSS _ O RHO _ O × 1000
A(8,9)=A(6,8)-A(8,0)
A(9,11)=A(8,9)-A(9,0)
A ( 9,0 ) = Surplus _ sludge × NI 24 × 3600 × 1000 × RHO _ SLS
A ( 8,0 ) = A ( 7,0 ) × SS _ SLS RHO _ SLS × 1000
利用逸度理论分别计算环境介质扩散流速X(表面挥发、曝气挥发、吸附)：
X ( i , j ) = D ( i , j ) Z ( i )
其中，迁移参数D值采用惠特曼双阻力原理，计算公式为：
D ( 1,2 ) = D ( 2,1 ) = Area _ PS × NI 1 K _ air × Z 1 + 1 K _ water × Z 2
D ( 1,10 ) = D ( 10,1 ) = Area _ A 1 × NI 1 K _ air × Z 1 + 1 K _ water × Z 10
D ( 1,7 ) = D ( 7,1 ) = Area _ SLS × NI 1 K _ air × Z 1 + 1 K _ water × Z 7
D ( 1,5 ) = D ( 5,1 ) = k _ aerator 1 V 1 × Area _ O Area _ STP × Z 1 + 1 V 5 × Z 5
对于曝气池，挥发速率常数(kaerator)是表面挥发速率(ksur)和曝气挥发速率(kstrip) 两部分之和kaerator=ksurf+kbubble。这意味着化学品在曝气池中的损失大部分来自 于气提而非表面挥发。ksur和kbubble计算公式分别为：
k surf = K H / h _ 0 + 1 / h _ air K H / K water + 1 / K air
k bubble = 8.9 × 10 - 4 × Aeration _ rate Volume _ 0 H 1.04
根据惠特曼双阻力公式，假定化学品在水相和悬浮固体相中达到了吸附平 衡，污泥-水之间的D值由吸附速率kabs决定，kabs=ln2/t1/2。其中t1/2为污泥吸附 解析平衡一般所用的时间。由于曝气加剧了吸附解析的速度，可以认为曝气池t1/2为360s，初沉池、厌氧池和二沉池为t1/2为3600s。则吸附D值计算公式为：
D ( 2,3 ) = D ( 3,2 ) = ln 2 / t 1 / 2 _ PS 1 V 2 Z 2 + 1 V 3 Z 3
D ( 5,6 ) = D ( 6,5 ) = ln 2 / t 1 / 2 _ O 1 V 5 Z 5 + 1 V 6 Z 6
D ( 7,8 ) = D ( 8,7 ) = ln 2 / t 1 / 2 _ SLS 1 V 7 Z 7 + 1 V 8 Z 8
D ( 10 , 11 ) = D ( 11,10 ) = ln 2 / t 1 / 2 _ A 1 1 V 10 Z 10 + 1 V 11 Z 11
各箱体的逸度容量Z主要与环境介质有关，气相Z(1)，水相Z(2、5、7、 10)，固相Z(3、4、6、8、11)计算公式分别为：
Z ( 1 ) = 1 R × T _ air
Z ( 2 ) = Z ( 5 ) = Z ( 7 ) = Z ( 10 ) = 1 H
Z ( 3 ) = Z ( 4 ) = RHO _ PS × Kp _ PS H
Z ( 6 ) = RHO _ O × Kp _ O H
Z ( 8 ) = Z ( 9 ) = RHO _ SLS × Kp _ SLS H
Z ( 11 ) = RHO _ A 1 × Kp _ A 1 H
最后将计算得到的A(i,j)、X(i,j)值带入质量守恒方程，用matlab或excel等 软件求解得到各箱体中化学品浓度Ci;
根据各箱中化学品浓度Ci和环境介质平流流速和扩散流速，计算化学品在 STP(A/O)系统中的化学品降解率，及向各环境介质(大气、二级出水、污泥) 中的排放浓度、排放系数。
化学品向STP的总排放量为：
N_in=A(0,2)×C(0,2)+A(0,3)×C(0,3)
向空气的排放比例：
F _ air = C 1 × A ( 1,0 ) N _ in × 100
向水的排放比例：
F _ water = C 7 × A ( 7,0 ) + C 8 × A ( 8,0 ) N _ in × 100
向污泥的排放比例：
F _ sludge = C 4 × A ( 4,0 ) + C 9 × A ( 9,0 ) N _ in × 100
生物降解去除率：
F _ bio = k 5 × V 5 × C 5 + k 10 × V 10 × C 10 N _ in × 100
向空气中排放浓度：
C_air=C1
向水中排放浓度：
C _ water = C 7 + C 8 × MLSS _ SLS EHO _ SLS × 1000
污泥中的化学品浓度：
F _ sludge = C 4 × A ( 4,0 ) + C 9 × A ( 9,0 ) A ( 4,0 ) × RHO _ PS + A ( 9,0 ) × RHO _ SLS
本发明的有益效果在于：
(1)本发明结合我国的STP处理情况，提供了一种化学品STP(A/O)暴露 预测方法，可用于研究化学品在A/O型工艺的STP中降解、挥发、吸附、排放 等归趋行为规律，确定目标化学品在STP(A/O)中的主要归趋介质，预测目标 化学品经STP(A/O)处理后的排放因子和排放浓度，为实现对目标化学品的环 境风险管理提供依据。
(2)仅需输入7种化学品基本理化性质参数，即可完成目标化学品的排放因 子和排放浓度预测。采用的污水处理厂暴露场景参数都比较容易获取，通过查阅 资料即可得到。
(3)依据STP(A/O)的工艺流程(初沉、厌氧、好氧、二沉)和3种环境 介质(水、悬浮固体、沉积污泥)、厌氧、好氧2种生物降解方式，构造了11 箱概念模型图，包含17个平流过程、8个扩散过程、2个生物降解过程。该模型 完整的界定了STP(A/O)中环境介质和化学品的基本过程，机理科学、清晰、 明确。
(4)根据所建模型灵敏度分析，化学品在STP(A/O)模型中的排放系数最 为相关的10个参数为：厌氧生物降解性、好氧生物降解性、吸附系数、亨利常 数、原水BOD5、原水SS、出水BOD5、污泥产生量、污泥有机碳含量、化学品 日排放量。其中影响降解的参数为厌氧生物降解性、好氧生物降解性，影响污泥 吸附的参数为吸附系数、原水BOD5、原水SS、出水BOD5、污泥产生量、污泥 有机碳含量，影响挥发的参数为亨利常数，影响排放浓度的参数为化学品日排放 量。