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CN110378071B - 一种基于生态安全性控制的浅池处理单元设计方法 - Google Patents

一种基于生态安全性控制的浅池处理单元设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于生态安全性控制的浅池处理单元设计方法。该方法利用k‑C*模型拟合污水的发光细菌急性毒性在浅池中的动态衰减特性，利用SSD曲线估算发光细菌急性毒性检测中阳性对照化合物的5％危害浓度，并将其作为保障生态安全的毒性阈值，将该数值带入k‑C*模型中，确定处理一定流量的污水所需要的时间，然后获得浅池处理单元的水深与处理面积之间的关系。为了保证太阳光能够全部透过浅池中污水层，其水深不宜超过50cm，最终可根据浅池设计水深，确定最小处理面积。本发明给出了浅池处理单元的设计方法，综合考虑了污水深度处理的生态安全性，保障了污水受纳水体或者污水回用中水生生物的安全。

Description

一种基于生态安全性控制的浅池处理单元设计方法
技术领域
本发明属于污水深度处理技术领域，特别涉及一种基于生态安全性控制的浅池处理单元设计方法，可应用于污水厂二级处理出水深度处理。
背景技术
近些年，浅层水池作为一种强化自然光解作用的水生态处理单元，在污水处理领域逐渐得到广泛关注。浅池最早作为表流人工湿地系统的一个单元，平推流运行，主要由多组矩形浅池(水深≤50cm)组成，底部做防水衬层，不种植任何水生植物。与人工湿地比较而言，浅池处理单元有以下几个优点：①自然光照不受浮水与挺水植物的遮挡，可充分透过水体；②改善水力效率，不存在死水区；③底部可富集固着大量光合作用菌与异养菌，处理效果好；④成本低、灵活性高，可与其它处理单元(UASB、人工湿地等)结合起来应用。不同于其它人工或生态处理单元，浅池作为一种近自然的生态处理设施，提供了一种有利于污染物光解及生物转化的微环境，具有明显的净化功效。在自然环境条件下浅池处理单元不但可以强化污水厂尾水中常规污染物(氮、磷)的去除，同时可进一步去除城市生活污水来源的多种微量有毒有害化合物。但是，由于浅池是一种新兴的处理单元，目前仍无相关的设计方法。并且，随着全球对地表水环境生态污染的关注，二级处理出水的生态安全性仍需进一步提高。
发明内容
为了克服上述现有技术浅池设计的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于生态安全性控制的浅池处理单元设计方法，在污水厂二级处理出水常规理化指标都达标的情况下，进一步对其进行深度处理，综合考虑污水中有毒有害污染物引起的生态毒性在浅池处理中的动态衰减特性及污水的生态安全性，对浅池的最小处理面积进行设计。该方法利用k-C*模型模拟污水的发光细菌急性毒性在浅池中的动态衰减特性，利用SSD曲线估算发光细菌检测中阳性对照化合物的5％危害浓度，并将其作为保障生态安全的毒性阈值，将该数值带入k-C*模型中，确定处理一定流量的污水所需要的时间，获得浅池处理单元的水深与处理面积之间的关系。为了保证太阳光能够全部透过浅池中污水层，其水深不宜超过50cm，最终可根据浅池设计水深，确定最小处理面积。该方法给出了浅池处理单元的设计方法，综合考虑了污水深度处理的生态安全性，保障了污水受纳水体或者污水回用中水生生物的安全。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于生态安全性控制的浅池处理单元设计方法，引入污水的生物毒性在浅池处理单元内的衰减特性，综合考虑浅池处理单元出水对生态环境中水生生物的安全性，对浅池的面积进行设计，具体包括如下步骤：
(1)根据污水的发光细菌急性毒性的衰减特性，对处理过程中污水的发光细菌急性毒性进行测定，并将测试结果转化为阳性对照化合物的浓度，利用k-C*模型进行拟合，得到发光细菌急性毒性的动力学衰减曲线；
(2)利用搜集的阳性对照化合物的急性毒性数据，构建物种敏感性分布曲线，估算阳性对照化合物的5％危害浓度，即保证95％的生物不会受到危害的浓度，以此作为浅池出水毒性的阈值；
(3)利用浅池内污水的发光细菌急性毒性的动力学衰减曲线，确定毒性阈值条件下对应的处理时间，结合浅池处理单元水深，获得浅池处理单元面积和水深之间关系，最终获得最小处理面积。
所述步骤(1)中，发光细菌急性毒性随时间的衰减符合k-C*模型，模型公式如下：
Ct＝C*+(C0-C*)·e-kt
其中，Ct为污水在处理第t天的发光细菌急性毒性，以阳性对照物浓度表示，单位mg/L；C*为常数，表示不能削减的毒性，单位mg/L；C0为污水在处理第0天的发光细菌急性毒性，单位mg/L；k为表观速率常数，单位d-1；t为处理时间，单位d。
所述步骤(2)中，利用毒理学数据库搜集阳性对照化合物的急性毒性数据，将毒性数据从大到小分类排列，并计算每个物种的累积概率，以毒性大小为横坐标，以累积概率为纵坐标利用计算机软件采用BurrⅢ模型对SSD曲线进行拟合，获得5％危害浓度，即毒性控制的阈值，表示为EBT。BurrⅢ模型形式如下：
Figure BDA0002156161600000031
其中，x为阳性对照化合物浓度的，单位mg/L，a、b、c为函数三个参数。
所述步骤(3)中，将毒性控制的阈值EBT和浅池处理单元的水深(一般不超过0.5m)带入毒性动力学衰减的k-C*模型，即获得达到生态安全的最小的浅池处理面积，公式如下：
Figure BDA0002156161600000032
其中，Q为日处理水量，单位m3/d；Z为浅池处理单元水深，单位m。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明在目前仍没有浅池处理单元设计依据的情况下给出了浅池处理单元最小处理面积的设计方法，为该绿色、低碳、环保的处理工艺的设计提供了依据和方法。
(2)本发明公开的设计方法是在污水常规水质指标达标的情况下进一步提高水质而提出的，以污水中有毒有害污染物引起的生态毒性是可接受的为条件进行设计，保障了出水水质对水生生物的安全性。
附图说明
图1为本发明设计方法流程示意图。
图2为浅池处理单元的平面构造图。
图3为污水的发光细菌急性毒性的k-C*模型拟合图。
图4为苯酚的SSD曲线图。
图5为保证生态安全的浅池处理单元面积和水深之间的关系图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。应该指出，以下详细说明都是示例性的，仅用于说明本发明并非对本发明的限制。
实施例1：
浅池处理单元平面构造如图2所示。按照图1的说明仔细的描述设计方法：
发光细菌(Virbio fischeri)急性毒性试验参照修正的ISO11348方法，采用微板毒性法进行测定，苯酚为阳性对照化合物。根据获得的计量-效应曲线，确定污水的EC50值，并将其转换成阳性对照化合物的浓度(表示为TEQphenol)。将污水的毒性值和浅池的处理时间作图。利用k-C*模型进行拟合。污水的发光细菌急性毒性的k-C*模型拟合曲线如图3所示。
从US EPA ECOTOX数据库(http://cfpub.epa.gov/ecotox/)查询阳性对照化合物苯酚的毒理学数据，筛选并剔除异常值后，对各数据进行分组合并，同一物种具有多个数据来源的取其算术平均数。经过物种分组后苯酚对应各物种的毒性数据量如表1所示。本实例通过USEPA推荐程序SSD generator采用BurrⅢ模型进行拟合。
表1
Figure BDA0002156161600000041
BurrⅢ型分布是澳大利亚及新西兰的环境风险评价和环境质量标准中均被推荐使用的模型。BurrⅢ型函数的形式如下所示：
Figure BDA0002156161600000042
式中，x为污染物的浓度(μg·L-1)，a、b、c分别为函数的三个参数。苯酚的SSD曲线采用BurrⅢ型函数拟合结果(直线)及95％置信区间结果(虚线)如图4所示。
在拟合曲线上确定对应于5％积累概率的浓度，亦或者称为95％保护浓度，即当污染物环境浓度小于该值时，95％的生物都不会受到影响。从SSD曲线上可知，苯酚的95％保护浓度为6.04mg/L。以此值作为浅池处理出水发光细菌急性毒性控制的阈值，即EBT值为6.04mg/L。当流量Q＝1m3时，将上述获得的参数带入方程中，即可得到浅池处理面积和水深之间的关系，具体见图5，即可根据此曲线完成浅池处理单元的设计。当处理水量为1m3/d，浅池水深为20cm时，浅池的最小处理面积为8.8m2。该设计的浅池处理面积可保障处理出水的发光细菌急性毒性值在可接受的范围内，水生生物不会受到威胁，水质生态安全。

Claims (6)

1.一种基于生态安全性控制的浅池处理单元设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据污水的发光细菌急性毒性的衰减特性，对处理过程中污水的发光细菌急性毒性进行测定，并将测试结果转化为阳性对照化合物的浓度，利用k-C*模型进行拟合，得到发光细菌急性毒性的动力学衰减曲线；
(2)利用搜集的阳性对照化合物的急性毒性数据，构建物种敏感性分布曲线，估算阳性对照化合物的5％危害浓度，即保证95％的生物不会受到危害的浓度，以此作为浅池出水毒性的阈值；
(3)利用浅池内污水的发光细菌急性毒性的动力学衰减曲线，确定毒性阈值条件下对应的处理时间，结合浅池处理单元水深，获得浅池处理单元面积和水深之间关系，最终获得最小处理面积。
2.根据权利要求1所述基于生态安全性控制的浅池处理单元设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中，发光细菌急性毒性随时间的衰减符合k-C*模型，模型公式如下：
Ct＝C*+(C0-C*)·e-kt
其中，Ct为污水在处理第t天的发光细菌急性毒性，以阳性对照物浓度表示，单位mg/L；C*为常数，表示不能削减的毒性，单位mg/L；C0为污水在处理第0天的发光细菌急性毒性，单位mg/L；k为表观速率常数，单位d-1；t为处理时间，单位d。
3.根据权利要求1所述基于生态安全性控制的浅池处理单元设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，利用毒理学数据库搜集阳性对照化合物的急性毒性数据，将毒性数据从大到小分类排列，并计算每个物种的累积概率，以毒性大小为横坐标，以累积概率为纵坐标利用计算机软件采用BurrⅢ模型对SSD曲线进行拟合，获得5％危害浓度，即毒性控制的阈值，表示为EBT。
4.根据权利要求3所述基于生态安全性控制的浅池处理单元设计方法，其特征在于，所述BurrⅢ模型形式如下：
Figure FDA0002156161590000021
其中，x为阳性对照化合物浓度的，单位mg/L，a、b、c为函数三个参数。
5.根据权利要求1所述基于生态安全性控制的浅池处理单元设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中，将毒性控制的阈值EBT和浅池处理单元的水深带入毒性动力学衰减的k-C*模型，即获得达到生态安全的最小的浅池处理面积，公式如下：
Figure FDA0002156161590000022
其中，Q为日处理水量，单位m3/d；Z为浅池处理单元水深，单位m。
6.根据权利要求1所述基于生态安全性控制的浅池处理单元设计方法，其特征在于，所述浅池处理单元水深Z≤0.5m。
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污水处理与回用过程对生态毒性的削减和水质安全评价;戴迪楠等;《安全与环境学报》;20170825(第04期);全文 *

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