说明书厌氧-缺氧-好氧处理系统的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-缺氧-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-缺氧-好氧工艺(A2/O)通过厌氧区、缺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、氮、磷等的 活性污泥法污水处理方法。A2/O工艺在我国应用较为广泛，是我国目前STP的第二大工艺。根据环保标准《厌氧-缺氧-好氧活性污泥法污水处理工程技术规范》(HJ 576-2010)，为了规范厌氧缺氧好氧活性污泥法在污水处理工程中的应用，要求大、中型城镇污水和工业废水处理工程艺宜采用A2/O工艺。因此构建以A2/O型工艺为基础的化学品STP暴露预测方法和模拟系统，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-缺氧-好氧处理工艺的STP暴露预测方法。HU开发了一种缺氧-厌氧-好氧的后置式试验模型(Hu X,Xie L,Mi C,et.al.Calibration and validation of an activated sludge model for a pilot-scale anoxic/anaerobic/aerobic/post-anoxic process[J].Journal of Zhejiang University-Science A,2014,9,15(9):743-752)，该模型考虑了生物质的生长和衰减系数，主要模拟氮、磷、COD的去除过程。Moya开发了一种缺氧-厌氧-好氧的紧凑型滤池模型(Moya J,Huilinir 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)，用于模拟渔业废水的反硝化、厌氧消化、有机质好氧氧化和硝化过程中碳、氮、磷等总量污染物的去除。Curio研究了一种缺氧-厌氧-好氧处理升流式固定床膜生物反应器模型(Curio CH,Geissen SU,Knodel J.Modelling of integrated anoxic-anaerobic-aerobic treatment for salmon fishery wastewater in an upflow fixed-bed biofilm reactor.Environmental Technology,2012,33(6):607-622)，用于模拟鲑鱼养殖废水的COD、氨氮的去除过程。Oehmen研究了厌氧-缺氧-好氧增强型生化除磷工艺中微生物种群和生物代谢多样性模型(Oehmen A, Lopez-Vazquez-CM,Carvalho G.Modelling the population dynamics and metabolic diversity oforganisms relevant in anaerobic/anoxic/aerobic enhanced biological phosphorus removal processes.Water Research,2010,44(15):4473-4486.)。Mino使用模型估计了淀粉在厌氧-缺氧-好氧条件下的缓慢水解过程(Mino T,Sanpedro DC,Matsuo T.Estimation of the rate of slowly biodegradable cod(sbcod)hydrolysis under anaerobic,anoxic and aerobic conditions by experiments using starch as model substrate[J].Water Science and Technology,1995,31(2):95-103)。总体而言，目前已有A2/O模型主要用于模拟废水中溶解氧、COD、氨氮、硝氮及总氮等总量污染物的去除过程。不能用于有机化学品的暴露模拟。
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A2/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(A2/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(A2/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-缺氧-好氧处理工艺的污水处理厂(简写为STP(A2/O)中的暴露水平预测方法，估算有机化学品经STP(A2/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(A2/O)中暴露水平预测方法，包括以下步骤：
(1)获取待研究废水厌氧-缺氧-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；(2)依据所述废水厌氧-缺氧-好氧处理系统的初沉、厌氧、缺氧、好氧、二沉基本流程，及化学品在所述废水厌氧-缺氧-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-缺氧-好氧处理系统的概念模型图，基于质量守恒方法建立13箱预测模型；(3)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-缺氧-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-缺氧-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-缺氧-好氧处理系统的概念模型图包含：
13箱，分别为0外部环境、1上方空气、2初沉池水体、3初沉池悬浮固体、4初沉池污泥、5曝气池水体、6曝气池悬浮固体、7二沉池水体、8二沉池悬浮固体、9二沉池污泥、10厌氧池水体、11厌氧池悬浮固体、12缺氧池水体、13缺氧池悬浮固体；
3种生物降解方式，分别为厌氧生物降解性、缺氧生物降解性、好氧生物降解性；
21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缺氧池、厌氧池吸附态化学品流入缺氧池、缺氧池溶解态化学品流入曝气池、缺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、初沉池悬浮固体沉降为污泥、初沉池污泥的排出、二沉池悬浮固体沉降为污泥、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、曝气池硝化混合液回流时溶解态化学品回流至缺氧池、曝气池硝化混合液回流时吸附态化学品回流至缺氧池。
10个扩散过程，分别为初沉池挥发、厌氧池挥发、缺氧池挥发、曝气池挥发、二沉池挥发、初沉池污泥吸附、厌氧池污泥吸附、缺氧池污泥吸附、曝气池污泥吸附、二沉池污泥吸附。
所述待研究废水厌氧-缺氧-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、其他参数和计算参数。
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)、缺氧生物降解速率(k12)、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)
污水处理厂容积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)，各池(初沉池标识为_ps、厌氧池标识为_A1、缺氧池标识为_A2、好氧池标识为_O、二沉池标记为_SLS)池高(h)、池面积(Area)、池体积(Volume)、各箱体积(V)、水力停留时间(HRT)；
废水水质参数包括原水BOD5(BOD_in)、原水悬浮固体浓度(ss_in)；
污泥性质参数包括：原水(下标为_RS)及各池污泥密度(RHO)、污泥有机碳含量(foc)、悬浮固体含量(SS)、污泥吸附平衡半衰期(t1/2)、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)、硝化混合液回流比(Cycle_NitriMix)、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。
未知参数包括亨利常数(H)、污泥-水分配系数(Kp)、气-水分配系数(KH)、剩余污泥量(Surplus_sludge)、进水化学品浓度(C(0,2)和C(0,3))。计算方法如下：
亨利常数：H＝P/S
原水及各池污泥-水分配系数：
Kp(RS,PS,A1,A2,O,SLS)＝foc(RS,PS,A1,A2,O,SLS)×Koc
气-水分配系数：KH＝H/(R×T_air)
每日产生的剩余污泥量：
Surplus_sludge＝(BOD5_RS/1000*FBOD×Y_sludge)+
2/3*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)=Cin11+Kp1000×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13箱预测模型为13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ADV计算如下：
Area_STP＝Area_PS+Area_o+Area_SLS+Area_A1+Area_A2
A(0,1)=Area_STP×NI×h_air×Windspeed]]>
A(1,0)=Area_STP×NI×h_air×Windspeed]]>
A(0,2)=A(2,10)=Q24×3600]]>
A(10,12)＝A(2,10)+A(7,10)
A(12,5)＝A(10,12)+A(5,12)
A(5,7)＝A(12,5)-A(5,12)
A(3,4)＝A(4,0)＝2/3A(0,3)
A(3,11)＝1/3A(0,3)
A(13,6)＝A(6,13)
A(8,9)＝A(6,8)-A(8,0)
A(9,11)＝A(8,9)-A(9,0)
A(9,0)=Surplus_sludge×NI24×3600×1000×RHO_SLS]]>
A(0,3)=Input_solids_RS×NIRHO_RS×1000×24×3600]]>
A(11,13)=A(10,12)×MLSS_A1RHO_A1×1000]]>
A(6,13)=A(5,12)×MLSS_ORHO_O×1000]]>
A(6,8)=A(5,7)×MLSS_ORHO_O×1000]]>
A(8,0)=A(7,0)×MLSS_SLSRHO_SLS×1000]]>
利用逸度理论分别计算环境介质扩散流速X(i,j)(表面挥发、曝气挥发、吸附)：
X(i,j)=D(i,j)Zi]]>
其中，迁移参数D(i,j)值采用惠特曼双阻力原理，计算公式为：
D(1,2)=D(2,1)=Area_PS×NI1K_air×Z1+1K_water×Z2]]>
D(1,10)=D(10,1)=Area_A1×NI1K_air×Z1+1K_water×Z10]]>
D(1,12)=D(12,1)=Area_A2×NI1K_air×Z1+1K_water×Z12]]>
D(1,7)=D(7,1)=Area_SLS×NI1K_air×Z1+1K_water×Z7]]>
D(1,5)=D(5,1)=k_aerator1V1×Area_OArea_STP×Z1+1V5×Z5]]>
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：
ksurf=KH/h_O+1/h_airKH/Kwater+1/Kair]]>
kbubble=8.9×10-4×Aeration_rateVolume_OH1.04]]>
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、缺氧池和二沉池为t1/2为3600s。则吸附D值计算公式为：
D(2,3)=D(3,2)=kavs_PS1/(V2Z2)+1/(V3Z3)]]>
D(5,6)=D(6,5)=kabs_01/(V2Z2)+1/(V3Z3)]]>
D(7,8)=D(8,7)=kavs_PS1/(V2Z2)+1/(V3Z3)]]>
D(10,11)=D(11,10)=kavs_A11/(V2Z2)+1/(V3Z3)]]>
D(12,13)=D(13,12)=kavs_A21/(V2Z2)+1/(V3Z3)]]>
各箱体的逸度容量Z主要与环境介质有关，气相Z1，水相Z(2、5、7、10、12)，固相Z(3、4、6、8、9、11、13)计算公式分别为：
Z1=1R×T_air]]>
Z2=Z5=Z7=Z10=Z12=1H]]>
Z3=Z4=RHO_PS×Kp_PSH]]>
Z6=RHO_0×Kp_OH]]>
Z8=Z9=RHO_SLS×Kp_SLSH]]>
Z11=RHO_A1×Kp_A1H]]>
Z13=RHO_A2×Kp_A2H]]>
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(A2/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=C1×A(1,0)N_in×100]]>
向水的排放比例：
F_water=C7×A(7,0)+C8×A(8,0)N_in×100]]>
向污泥的排放比例：
F_sludge=C4×A(4,0)-C9×A(9,0)N_in×100]]>
生物降解去除率：
F_bio=k5×V5×C5+k10×V10×C10+k12×V12×C12N_in×100]]>
向空气中排放浓度：
C_air＝C1
向水中排放浓度：
C_water=C7+C8×SS_SLSRHO_SLS×1000]]>
污泥中的化学品浓度：
F_sludge=C4×A(4,0)+C9×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(A2/O)暴露预测方法，可用于研究化学品在A2/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(A2/O)中的主要归趋介质，预测目标化学品经STP(A2/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(本文已给出推荐值)即可得到。
(3)依据STP(A2/O)的工艺流程(初沉、厌氧、缺氧、好氧、二沉)和3种环境介质(水、悬浮固体、沉积污泥)、厌氧、缺氧、好氧3种生物降解方式，构造了13箱概念模型图，包含21个平流过程、10个扩散过程、3个生物降解过程。该模型完整的界定了STP(A2/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(A2/O)模型中的排放系数最为相关的11个参数为：厌氧生物降解性、缺氧生物降解性、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、缺氧生物降解性、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。
附图说明
图1为STP(A2/O)基本工艺流程；
图2为STP(A2/O)化学品暴露评估概念模型，其中0外部环境，1上方空气，2初沉池水体，3初沉池悬浮固体，4初沉池污泥，5曝气池水体，6曝气池悬浮固体，7二沉池水体，8二沉池悬浮固体，9二沉池污泥，10厌氧池水体，11厌氧池悬浮固体，12缺氧池水体，13缺氧池悬浮固体。
具体实施方式
结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
选择联苯作为待评估化学品，收集联苯的8项基本理化性质数据，分别为分子量MW＝154.21g.mol-1，蒸汽压P＝1261Pa，水溶性S＝7.5mg.L-1，吸附系数lgKoc＝3.27，厌氧生物降解速率k10＝0.3h-1，缺氧生物降解速率k12＝0h-1，好氧生物降解速率k5＝1h-1，化学品日排放量ERC＝10kg.d-1。
收集或计算废水厌氧-缺氧-好氧生化处理系统的暴露场景资料，见表1。污水处理厂的暴露场景参数可以查阅设计参数、相关工艺技术规范获取，各箱体的体积可以根据水力停留时间、悬浮固体浓度、悬浮固体密度、沉积污泥厚度、STP总面积等进行计算。本例中给出的暴露场景参数是一种标准的、默认值。
表1废水厌氧-缺氧-好氧生化处理系统的暴露场景资料
计算各质量流过程的环境介质平流流量ADV、环境逸度容量Z、环境介质迁移系数D。并用D值和Z值计算扩散流量XCH。
利用excel求解线性方程，得到各箱中化学品浓度Ci。计算得到联苯向空气挥发比例为29.9％，二级出水排放比例为3.45％，污泥中比例为6.90％，降解率为59.9％，空气中浓度为1.13×10-5g·m-3，污泥中浓度为77.1mg·kg-1，二级出水中浓度为0.00986mg/L。用实验室模拟处理装置实测结果显示，联苯向空气挥发比例为34.6％，二级出水排放比例为6.25％，污泥中比例为9.67％，误差在5％以内。该结果表明，联苯经过污水处理后最大的环境暴露介质为空气，在后续评估中要重点关注空气中的风险。