模拟扩散的有毒有机化合物通过活性污泥法污水处理过程中使用TOXChem模型

自然,微生物分解有机物质存在于自然,在氧的存在与否。大部分的材料,如有毒的化学物质,重金属,会防止处理过程发生,导致这些污染物进入环境会导致多种疾病的出现。在目前的研究中,使用TOXChem4.1仿真模型,试图模拟一个污水处理厂,然后评估污染物的分散体包括1、2-Dimethylnaphthalene, 1, 3-Dinitropyrene, 1, 6-Dimethylnaphthalene, 1, 6-Dinitropyrene, 17 a-ethinylestradiol (EE2)浓度的一个常见的场景。计算机模拟的结果表明,EE2污染物比例最高的是分解等,由于其广泛的化学结构。因此,很明显,这样的污染物是最高的质量在处理厂污泥退出。此外,模拟结果表明,气态污染物的最高卷在调制和初始沉积单元。

废水来自城市和社区必须被满足排放许可证和最大日负荷标准,允许它被转移到接收水源,土壤,甚至重用,在全球水政策[1]。如今,生物系统可以被看作是一个运营解决方案治疗市政和工业废水。在这种治疗的方法,进口有机污水处理厂的负荷是用作微生物,食品的质量和激活微生物消耗在这个系统,分解,将有机物转化为简化材料。换句话说,微生物作为中央大脑和该系统的主要部分[2]。因此,所有控制模型的主要目的和操作的污水处理厂(城市和工业)是维护的动力学和代谢条件微生物生长和活动过程中[3]。最常见的一种废水处理方法是使用有氧系统,特别是活性污泥法,用于治疗城市和工业废水,与应用程序从小包植物为单家大型设施服务大都市地区。Ardern & Lockett(1914)介绍了活性污泥法的化学工业协会在圆山大饭店在曼彻斯特,英格兰4月3日,1914年,它是污水处理的结果研究在美国和英国的19所示^th和20的开始^th世纪[4 - 6]。

的一个主要问题在生物系统的操作,特别是在有氧过程,是有毒污染物的条目(抑制剂),导致细胞结构的破坏微生物及其酶。这些破坏性的污染物包括有毒有机化合物,有毒的无机化学品、重金属、和藻毒素[2]。其中,有毒有机化合物,以及引起广泛问题的过程中净化和治疗(扰乱系统),通过传播废水,导致流行病学问题[7]。

在文献中,有几个模拟废水处理厂的例子。Guclu et al。(2010)设计了三个不同的ANN模型与反向传播方法估计安卡拉中央污水处理厂;s废水悬浮物(SS)、化学需氧量(COD)和曝气tank-mixed酒悬浮物(mls)内容[8]。亨德伦,他是et al。(2013)使用一个模型精简方法来开发工程的质量平衡描述纳米材料(运用)函数基于少量的输入变量来定义环境释放量[9]。估计天间隔sn浓度的废水污水处理厂在韩国蔚山,韩国,郭,et al。(2015)应用两个机器学习models-artificial神经网络(ann)和支持向量机(svm) [10]。用主成分分析(PCA), et al .(2017)确定COD和TP预测的重要因素。利用主成分分析法(PCA)建议被用来预测因素影响COD和TP使用多元回归方法。此外,模拟废水处理的性能,全面污水处理厂和移动床生物反应器(MBBR)和有压载的分离过程设计[11]。研究Nordlander, et al .(2017),活性污泥法是取代microalgae-activated污泥过程在瑞典一个案例研究。基于质量和能量平衡的生物处理和污泥处理流程步骤,对热量和电力消费的影响,以及二氧化碳排放量,分析了系统模型[12]。Baklouti, et al。(2018)发展一个单变量统计方法,使用一种改进的粒子滤波(IPF)的多尺度优化指数加权移动平均线图表(MS-OEWMA)来提高污水处理厂的监测[13]。 In DaNang City, Vietnam, Nguyen, et al. (2020) conducted a measuring study of the HoaCam wastewater treatment plant (WWTP) using the ASM1 model [14]. de Canete, et al. (2021) Have presented a machine learning-based control technique to optimize both the consumption and the number of regulation violations of a biological WWTP [15]. Abbasi, et al. (2021) have modeled three WWTP based on conventional activated sludge, contact stabilization, and step aeration and assessed them technically and economically using the Zargandeh treatment plant data in Tehran with GPS-X software [16]. Ariff (2021) used WWTP simulation software to simulate an industrial wastewater treatment plant at a petrochemical complex in Terengganu, Malaysia [17].

许多模型被用来预测行为的新兴污染物在污水管网、污水处理厂,其中许多涉及经验传质系数推导(液相(K_l)或气相(K_G)。调味品、CINCI WATER9、TOXChem Gostelow是其中之一。WATER9、Gostelow TOXChem三个最常用的模型[18]。

几个研究人员报道一些研究,评估污染物的命运和分散的污水处理厂。例如,旧金山Gomez-Rivera, et al。(2012)使用了一个实验室规模活性污泥(作为)系统用primarily-treated市政废水和nano-CeO2 (55.0 mg / L)探索nano-CeO2的命运在市政污水处理[19]。阿尔梅达,et al。(2013)开发了一个模型来描述布洛芬和ketoprofen生物降解由三个不同的活性污泥WWTP [20]。在一个典型的二级活性污泥WWTP, Wang等。[21]调查的命运循环不稳定甲基硅氧烷(cvm)如octamethylcyclotetrasiloxane (D4) decamethylcyclopentasiloxane (D5)和dodecamethy-lcyclohexasiloxane (D6)。贝尼省,et al。(2016)研究了苯乙烯(STM)和丙烯腈(ACN)命运和排放废水预处理单元在一个ABS生产植物[22]。赵,et al。(2017)用蒙特卡罗模拟创建一个命运模型,结合二级和三级处理流程进行调查的命运截然不同的治疗过程中六种不同的抗生素[23]。Fileni, et al。(2018)研究了空气污染物,如氨(NH的色散₃)和硫化氢(H_{2 s})发出一个市政WWTP超过一年[24]。使用一个基于计算机的机械模型、TOXChem V4.1 Zwain, et al。(2019)分析了苯酚生物降解的命运在移动床生物膜反应器污水处理厂(MBBR-STP) [18]。Zwain, et al。(2020)应用TOXChem模拟预测排放硫化氢命运和延时曝气活性污泥(eaa)系统正是Aisha-sewage处理厂(MA-STP) [25]。一个高效藻类塘(HRAP)在瑞典北部是探索的API在林德伯格色散和命运,et al。(2021)研究利用市政未经处理的废水中[26]。的去除效率和命运选择ECs(三个内分泌干扰物(内分泌干扰化学物质(edc) -三氯生,双酚A,和壬基酚,和四个制药(phac)——ketoprofen双氯芬酸、萘普生、布洛芬)在hra系统研究的背景下Koumaki, et al。(2021)研究[27]。到目前为止,没有可靠的研究,建模和评估有毒有机化合物在WWTP通过使用TOXChem模型方法。本研究打算模拟,确定排放1,2-Dimethylnaphthalene, 1, 3-Dinitropyrene, 1, 6-Dimethylnaphthalene, 1, 6-Dinitropyrene, 17 a-ethiny-lestradiol (EE2)污染物在污水处理厂使用TOXChem4.1仿真模型。

他的案例研究污水处理厂

的质量和数量废水进入处理厂和污染物的浓度进行了总结在表1所示。在研究区域(即。、工业污水处理厂的马什哈德在伊朗东北部城市)可用的重要污染物是相同的表1中提到的。这些污染物通过各种测试已确定收集废水样本案例研究。

TOXChem模型

Toxchem成立于1990年代初代替环保局的他(Water9)计划,有局限性,如改善传质方法,固体,污染物的吸附和化合物数据库的同行评议的物理、化学和生物性质。Toxchem通常用于确定VOC空气排放废水的摄入量,存储(初步、初级和二级)和处置设施。VOC污染浓度估计使用特定场地排水特点、污染物性质和过程的设计和操作数据。Toxchem专注于基本的传质方程和质量平衡,如剥离和减少挥发机制、生物降解、吸附(18、25、28)。所有物质,并非所有这些过程将是活跃的。只有吸附(和/或沉淀,可能的吸附)将用于去除重金属。的主要方法是生物降解,挥发去除挥发性有机化合物的仪器,吸附扮演一个次要角色。这三个过程是能够消除一些疏水性有机化合物在很大程度上。分离光解和水解降解也是困难的。它可以被用来预测任何合成化合物的命运WWTP稳态或动态条件下的。

如图1所示,一个处理装置包括一些不同的单位如均衡,主要澄清器,活性污泥曝气扩散(ASDA),二次澄清器、厌氧消化、脱水压滤机过程,空气处理建模。活性污泥曝气扩散的一般模式如图2所示[29]。根据这个图,一般来说,年代是衬底,X微生物的浓度,V是体积,问在流量。

污染物进入处理厂

图3描述了化学成分的化学物质进入了污水处理厂[30]。

正如前面提到的,环境污染物的排放的有毒有机化合物1,2-Dimethylnaphthalene, 1, 3-Dinitropyrene, 1, 6-Dimethylnaphthalene, 1, 6-Dinitropyrene,和a-ethinylestradiol17 (EE2)污水处理厂是模拟研究;的技术和定性特征污染物被描述在表2。

TOXChem4.1模型被用来模拟污染物的排放在材料和方法部分描述。图4描述了各种污染物质量平衡的结果。

色散模型模拟的命运气体和空气中传播的粒子以及有助于预测大气中污染物的浓度。他们是重要的工具在空气质量管理和规划,成本效益和时效替代实地测量[31]。图4显示1,6-Dimethylnaphthalene污染物释放到大气中以更高的速度比其他污染物。结果显示发射和退化是主要过程发生,6-Dimethylnaphthalene。Zwain et al。[25]调查,结果表明,关键过程发生的是:(1)退化,大多数的H_{2 s}是由有氧氧化的过程;(2)发射,H的一部分_{2 s}被释放到大气中的H_{2 s}从开放的表面剥离,赋予生命。

一些参数可以影响废水中污染物的命运和排放。例如,Zwain进行灵敏度分析,等。[18]研究更好地理解苯酚的命运最影响参数对治疗过程使用MBBR系统:渗透速率,mls和MBBR媒体填充分数。各种流率(200 - 1000立方米/天),美国(500 - 1000 mg / L),浓度和MBBR介质填充分数(18% - 88%)。敏感性分析是用于Zwain,等。[25]研究调查的命运和发射H_{2 s}通过应用的主要影响参数对延时曝气系统的处理过程,如曝气流量、H_{2 s}加载速率(mls浓度扩散曝气活性污泥反应器),风速、废水温度和废水pH值。

图4显示EE2污染物最高质量总污泥的主要和次要澄清器。1,3-Dinitropyrene污染物还包含最高的质量退化的生物处理过程。大气中的污染物排放的质量值和污水处理的各个阶段都在表3中做了总结。

不同的污染物和污染物排放,化学污染物的多样性导致排放的分类根据其病因代理人在各种类型的废水。向大气中排放的速度也受到污水通道的设计。由于非生物因素导致的水虫,促进更多的挥发和释放,更有效地开放废水废气排放比封闭的盒子或地下构造的废水。以下是一些空气污染物从污水废水,只是可发布:1)碳氢化合物2)温室气体挥发性化合物3)4)空气微生物污染物5)氮氧化物和硫氧化物6)重金属(24、32)。污水处理系统,采用空气分离(空气浮选单位),氧化(有氧生物过程),或污染物去除(空气清洗单元)最终会导致有机废水和有害气体的释放水平对人类健康有害[32]。主要和次要解决坦克构造在污水处理厂是静止的,在拥挤的城市污水处理厂,这些坦克可以提供一个巨大的表面积。此外,某些二级处理解决方案广泛的静止表面,包括测序批反应堆在解决和轻轻倒出阶段以及生物曝气过滤等待回流。所有这些可以相当大的气味来源排放在大气中[33]。关于表3,它可以表明,均衡和初级阶段的澄清器中最气态污染物产生所有的治疗水平。

此外,大量不同形式的毒素被释放气体反应堆内的活性污泥和污泥的厌氧消化池。根据Hamoda,(2006)的研究,活性污泥曝气坦克产生最高的气体排放,特别是当空气扩散器[34]。Zwain, et al。[18]观察MBBR-STP在每一个阶段的苯酚排放在空气中,均衡器(85%)、MBBR(12%),和二次澄清器(3%),分别为。Zwain的结果,等。[25]的文章表明,排放的单位都是在人类的嗅觉阈值(0.0005 - -1.5 ppm),除了扩散曝气活性污泥反应器,更高的水平。

从开坦克,表面像澄清器,称为表面挥发。大多数的传质损失是由于空气剥离在充气的过程中血管。两个主要的假设是在构建配方用于这些转移过程:亨利定律和双膜阻力理论应用。转移的过程从一个区域源化合物,如主油箱表面和表面的扩散曝气活性污泥反应器,向大气中被称为挥发(25岁,33)。因为总传质系数中扮演如此重要的角色在决定挥发率,必须准确分析。无空气静止表面,蒸发建模通常是基于菲克定律的分子扩散和亨利定律。质是由液相(KK_l)或气相(K_G)为特定的亨利定律系数。TOXChem使用公式计算三k党_l和KK_G。这些公式考虑摩擦速度和sci或ScG,但他们不采用不同的公式占fetch-to-depth (F / D)比例。Sc_l和ScKK_G是液相的施密特数和施密特数的气相,分别[33]。图5总结了污染物的生物降解能力值在整个调查审核。

传统的有氧和厌氧处理系统无法降低所有化学物质或将其转换成生物质[27]。它已经表明,生物降解速率,安吉亚太空_b可以表示为一个二阶混合反应底物浓度较低。低底物浓度、C、莫诺方程,和其他速率表达式可以由一个混合近似二阶速率表达式,如下所示。

r_b= k_bX_米C (1)

X_米=混合酒挥发性悬浮固体的浓度和k_b=生物降解速率系数。如图5所示,EE2退化(99.97%)由于其更大的复杂性和结构比其他污染物。污染物3-Dinitropyrene和1 6-Dinitropyrene降解率为21.43%,被放在下一组。最终,1 2-Dimethylnaphthalene和1 6-Dimethylnaphthalene污染物分解了1.82%和1.69%,分别。更大的有机污染物的结构导致微生物分解有机物质更容易。

由于排泄和处置,合成雌激素17 a-ethinylestradiol (EE2),已被确定在污水和地表水ng / L,可达到50%的吸入量。EE2的存在在水生环境中是有问题的,因为它被归入水生生物有毒物质,能够导致长期(长期)影响和生殖内分泌干扰作用等问题(35、36)。一些应用程序EE2延迟性成熟,第二性征的减少,和性别决定变更。由于其毒性和持久性,EE2是新兴的污染问题,因为它有一个实质性影响生物体的新陈代谢[37]。

Hamoda(2006)表明,nonchlorinated化合物如对二甲苯、4-ethyl甲苯、甲苯、苯和1、3,5-trimethyl退化最和剥夺。

80%以上的这些化学物质的质量流量影响生物降解,而只有20%的人被剥夺了。其他挥发性有机化合物的仪器,如氯代化合物,氯仿,二氯甲烷,1,1,1-trichloroethane,三氯乙烯,1,4-dichlorobenzene,四氯乙烯,越来越被更多的退化。剥离这些化合物导致损失从31.1%到70.8%不等,平均为47.3%。生物降解率变化从21%提高到63%,平均为45%。

不断充气水下固定床生物反应器用于Forrez, et al .(2009)研究的生物去除EE2µg L¹水平,去除效率96%以上[36]。落叶松和Yargeau[35]研究异养细菌影响合成雌激素生物降解已经完成了红球菌属物种最成功的38% - 61% EE2切除后300 h (r . zopfii r . erythropolis r等),没有检测到EE2只有48 h后(r . rhodochrous)。EtOH为细菌提供了一个额外的碳源,产生更大的可能,EtOH通过在r . rhodochrous cometabolism EE2退化。这两个混合细菌群体调查,其中包括5(组1;枯草芽孢杆菌或r . zopfii)和6(组2;铜绿假单胞菌)从前面列出的细菌种类,无法匹配这些EE2大幅减少。300小时后,细菌的混合团体取得了最大平均删除EE2 43±4%(组1)和42±2%(组2),分别。Zwain, et al。[25]还得出结论,使用延时曝气活性污泥(eaa)系统以最低的曝气流量减少有气味的排放和提高生物降解处理。

由于在污水处理厂生物治疗的发展,需要控制抑制性因素对处理过程和检查有毒污染物的释放是特别重要的。首先,本研究调查了发射的2-Dimethylnaphthalene, 1, 3-Dinitropyrene, 1, 6-Dimethylnaphthalene, 1, 6-Dinitropy-rene, 17 a-ethinylestradiol (EE2)污染物在污水处理厂使用TOXChem4.1仿真模型。生物处理过程在这个处理厂使用活性污泥进行扩散曝气(ASDA)。质量平衡研究和计算的结果表明,EE2和1,6-Dimethylnaphthalene污泥质量和大气中污染物质量最高,分别。进一步发现EE2污染物降解比其他污染物在这项研究由于其庞大的化学结构与降解率为99.97%。

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