废水厌氧生物处理系统中纳米ZnO暴露水平的预测方法与流程

本发明涉及一种废水厌氧生物处理系统中纳米zno暴露水平的预测方法。

背景技术：

反硝化同时产甲烷系统(sdm)作为厌氧生物处理常用的工艺之一，被用于处理含有高浓度的有机物和氮素废水，如淀粉生产废水、大豆蛋白生产废水等，能充分利用废水中有机碳源，在实现生物脱氮的同时回收能源，简化工艺流程、减少处理构筑物数量以及降低处理成本等。但近代纳米技术已触及许多领域的使用服务工具，包括消费品、医疗保健、交通、能源和农业等。其中，纳米zno颗粒具有特殊的磁性和光化学性质常被用于橡胶、涂料、陶瓷、防晒化妆品等领域。随着纳米zno的生产及应用，不可避免地释放到污水生物处理系统中，其含量一般在1mg/l以上，具有较强的生物毒性，对水体生物甚至人类存在潜在的毒性。如何有效地去除工业污水和生活污水处理设施中的纳米颗粒也是尚未解决的问题。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，而其中的关键是如何进行暴露评估，即化学品的排放过程以及在环境中的归趋和分布。污水处理系统中纳米材料的归趋和处理效率是风险评估的重要内容。由于纳米zno数量巨大，在污水处理系统中的归趋和处理效率评估主要采用模型预测。以纳米zno在sdm体系中溶解并释放可溶性zn²⁺，对生化反应(包括水解发酵过程、酸化过程、产乙酸过程、产甲烷过程及反硝化过程)产生相应的抑制效应，建立厌氧消化(adm1)扩展模型，能准确预测纳米zno在sdm体系中的暴露水平。

有关术语：

1、uasb反应器

反硝化同时产甲烷系统(sdm)反应器类型主要为上流式厌氧污泥床(uasb)反应器，其由污泥反应区、气液固三相分离器和气室三部分组成。厌氧颗粒污泥在反应器底部具有沉淀性和凝聚性，能良好的在反应器下部空间形成污泥床。待废水由该反应器底部进入时，以一定流速自下而上经过污泥床，与厌氧颗粒污泥充分接触而发生厌氧反应产生沼气，所产生的沼气上升而引起污泥床扰动形成较稀薄浓度的污泥，该稀薄污泥和水一起进入三相分离器，沼气经由三相分离器上端的集气室收集而利用，含有悬浮污泥的废水进入三相分离器上端的沉淀区。由于污泥发生絮凝，颗粒逐渐增大，并在重力作用下沉降返回反应器主体部分，从而形成污泥的内部循环。含有少量较轻的悬浮污泥的废水从沉淀区的溢流堰上部溢出。

2、反硝化同时甲烷化体系(sdm)

反硝化同时甲烷化体系处理含碳、氮废水，实现生物脱氮的同时回收能源。sdm是一个极其复杂的过程，涉及微生物间底物竞争、氮的转化和nox的抑制等。在同时存在有机物和硝酸盐的厌氧体系中，复杂的有机物被水解酸化菌分解为较简单的物质，如：有机酸和醇类。丙酸和丁酸等有机酸被产氢产乙酸菌分解为乙酸、h2和co2。反硝化菌以上述有机酸和醇类为碳源还原硝态氮，而甲烷菌利用乙酸和h2产甲烷。最终实现生物脱氮的同时回收甲烷。

3、纳米材料

纳米材料是至少在一个维度上的尺寸小于100nm的物质。目前纳米技术已经触及许多领域的实用服务工具，包括消费品、医疗保健、胶体、能源和农业等，应用于工业和人们日常生活用品等产品中。纳米材料具有颗粒小、表面积大的特殊性质，迁移性能好，表面活性大，在生产、使用和废弃的过程中不可避免的进入到水环境中，造成较强的生态效应和生物暴露，负面影响不容忽视。

4、adm1模型

adm1是一个结构化模型，对厌氧系统内的生化过程和物理-化学过程进行详细分析，明确模型相应组分，建立了相关的反应动力学方程，从而实现厌氧消化的可计量性。adm1包括产酸(发酵)、产乙酸(有机酸的厌氧氧化)和产甲烷、胞外(部分非生物的)分解及胞内水解的三个生化过程。包括26个动态浓度变量、19个生化动力学过程、3个气-液转换动力学过程以及8个隐式代数变量。能较好地模拟和预测不同厌氧工艺在各种条件下的运行状态，为厌氧工艺的设计、运行和优化控制提出理论指导和技术支持。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种废水厌氧生物处理系统中纳米zno暴露水平的预测方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，废水厌氧生物处理系统中纳米zno暴露水平的预测方法，包括以下步骤：

(1)通过灵敏度分析得出对气体指标ch4和n2影响较明显的参数；

(2)通过间歇实验来测出该参数的数值；

(3)通过连续实验定期检测sdm体系在纳米zno暴露下的理化指标；

(4)编写遗传算法和回归拟合程序，得到抑制性常数；

(5)模型只需输入纳米zno的暴露浓度，即可完成纳米zno在sdm体系中的暴露水平预测。

作为优选，步骤(1)包括以下步骤：

通过纳米zno离子释放模型的建立，将纳米zno对功能微生物的抑制作用添加到adm1模型内，形成了废水厌氧生物处理系统中纳米zno暴露水平的预测模型；

对所得模型相应参数进行灵敏度分析，选出对气体指标ch4影响较明显的参数进行参数估计，目标参数的变化范围为10％～300％，其敏感性指数si定义为：

式(1)中，t为模拟时间，单位为d；n为需模拟的数据；cstd(t)和csens(t)分别为文献给定目标参数值所模拟的结果和此参数值相应变化下模拟的结果；

对上述模型的模拟，采用mtalab2012a软件，结合遗传算法和回归拟合算法进行参数估计，得到模拟参数的最优值，其中目标函数为：

式(2)中，yexp(t)为采集的实验数据，ysim(t)是针对参数模拟的数值。

作为优选，步骤(2)包括以下步骤：基于灵敏度分析获得得出对纳米zno暴露气体指标ch4和n2影响较明显的13个参数；分别以乙酸、丙酸、丁酸和氢为底物，硝酸盐和亚酸盐为氮源，通过间歇实验测定13个参数的数值；所述13个参数分别为：底物糖类的最大比吸收速率km，su、底物丁酸的最大比吸收速率km，bu、底物丙酸的最大比吸收速率km，pro、底物乙酸的最大比吸收速率km，ac、底物氢的最大比吸收速率km，h2、反硝化菌对丁酸的最大吸收速率kno2，bu、反硝化菌对丙酸的最大吸收速率kno2，pro、反硝化菌对乙酸的最大吸收速率kno2，ac、反硝化菌对氢的最大吸收速率kno2，h2、反硝化菌对丁酸的最大吸收速率kno3，bu、反硝化菌对丙酸的最大吸收速率kno3，pro、反硝化菌对乙酸的最大吸收速率kno3，ac、反硝化菌对氢的最大吸收速率kno3，h2。

作为优选，在步骤(3)中，定期测定进出水cod、no3^--n、no2^--n、可溶性zn²⁺、挥发性脂肪酸(vfa)、纳米zno浓度、甲烷和氮气产量。

作为优选，步骤(4)包括以下步骤：以函数fobj(θ)为模拟的目标函数，得到抑制性参数的最优值，最终能准确预测纳米zno在sdm体系中的暴露水平；所需模拟的抑制性参数为：亚硝酸盐抑制性常数ki，no2、硝酸盐抑制性常数ki，no3、纳米zno对丁酸的抑制性常数ki，zno，bu、纳米zno对丙酸的抑制性常数ki，zno，pro、纳米zno对乙酸的抑制性常数ki，zno，ac、纳米zno对氢的抑制性常数ki，zno，h；

式(3)中，yexp(t)为实验值；ysim(t)为模拟值；θ为预测的参数值；n为测得实验理化值的数量。

本发明的有益效果是：

本发明的方法能够模拟纳米zno对各功能微生物的抑制效应，并估算纳米zno经反硝化同时产甲烷化工艺处理后，向水体和污泥的排放系数和排放浓度，为纳米材料的暴露评估提供数据资料。

具体实施方式

本实施例提供了一种纳米zno在一种典型废水厌氧生物处理系统，即反硝化同时产甲烷体系中的暴露水平预测方法。该方法模拟纳米zno对各功能微生物的抑制效应，并估算纳米zno经反硝化同时产甲烷化工艺处理后，向水体和污泥的排放系数和排放浓度，为纳米材料的暴露评估提供数据资料。

一、纳米zno在反硝化同时产甲烷体系中的作用机制分析

纳米zno在反硝化同时产甲烷体系中的作用机制主要包括：

1)纳米zno部分水解，释放出可溶性zn²⁺，即，废水中含有悬浮性纳米zno和部分可溶性zn²⁺；

2)颗粒污泥具有较强的吸附功能，对悬浮性纳米zno和可溶性zn²⁺产生吸附；

3)纳米zno和可溶性zn²⁺传质进入颗粒污泥内部；

4)纳米zno和可溶性zn²⁺参入生化反应，对功能微生物产生一定的抑制作用。

具体分析如下：

1)纳米zno的离子释放过程

纳米zno视为圆形颗粒，采用颗粒碰撞理论，其离子释放方程为：

经过推导、分析、总结，得出如下方程：

上式中，为纳米zno溶解释放可溶性zn²⁺的浓度，单位是mg/l；ea为纳米zno的激活能，单位为j；kb为玻耳兹曼常量，数值为1.38×10^-23j/k；μab为纳米zno碰撞减少量，单位为g/mol；t为体系温度，单位为℃；ρ为纳米zno的密度，单位为g/cm³；r为纳米zno的半径，单位为nm；szno为纳米zno的摩尔浓度，单位为mol/l；[h⁺]为溶液中h⁺的摩尔浓度，单位为mol/l。

2)颗粒污泥的吸附过程

颗粒污泥具有较强的吸附能力，对纳米zno的吸附满足pseudosecond-orderkinetic模型(dongwei，bingfengwang，huuhaongo，etal.roleofextracellularpolymericsubstancesinbiosorptionofdyewastewaterusingaerobicgranularsludge，bioresourcetechnology，2015，185：14-20)：

式中，qt为颗粒污泥在时间t内吸附纳米颗粒的量，单位为mgnps/gags；qe为颗粒污泥在吸附达到平衡时吸附纳米颗粒的量，单位为mgnps/gags。

3)纳米zno在反硝化同时甲烷化体系中的迁移转化过程

纳米zno在反硝化同时甲烷化体系中的迁移转化过程，同时同步进行纳米zno的离子释放过程和颗粒污泥的吸附过程，即：

总结为：

式中，η为纳米zno的粒子释放和颗粒污泥吸附分配系数。

4)纳米zno对功能微生物的抑制(adm1扩展模型)

(1)在不含nox体系下，反硝化菌进行丙酸和丁酸发酵；当添加nox后，丁酸、丙酸、乙酸和氢提供电子，nox被还原，即反硝化过程。此外，反硝化菌对糖类发酵利用速率是发酵细菌的十分之一，在模型中，糖类不包括在反硝化菌过程中。反硝化菌对甲烷菌的抑制主要表现为nox对甲烷菌的抑制，使反硝化菌优先利用底物，直到nox反应完全，然后甲烷菌活性恢复，再利用底物乙酸和氢产甲烷。zno-nps在整个生化过程中抑制反硝化菌和甲烷菌的活性。其生化反应式为(tugtasae，tezelu，spyros，etal.acomprehensivemodelofsimultaneousdenitrificationandmethanogenicfermentationprocesses，biotechnologyandbioengineering，2010，105：98-108)：

式中，isi为组分浓度，单位为kgcod/m³；vi，j为化学计量矩阵；ρj为甲烷化过程速率方程；(上式中与ρj，vfa，nox不一样)为反硝化菌对丙酸和丁酸发酵速率方程；为反硝化菌的生长速率方程；为nox对产甲烷菌的抑制。

(2)在不含nox体系下，反硝化菌进行丙酸和丁酸发酵，其表达为：

式中，sno3和sno2分别为硝酸盐和亚硝酸盐的浓度，单位为kgn/m³；ks，no3和ks，no2为反硝化菌利用底物丁酸和丙酸的半饱和常数，单位为kgn/m³；为反硝化菌数，单位为kgcod/m³。

(3)nox对食氢产甲烷和食乙酸产甲烷的抑制为非竞争性抑制，其inox表达式为：

式中，ki，no3和ki，no2分别为反硝化还原产物nox对产甲烷菌的抑制常数，单位为kgn/m³。

(4)zno-nps水溶液释放可溶性zn²⁺，对功能微生物产生非竞争性抑制，其izno，j表达式为：

式中，izno，j为zno-nps对功能微生物的抑制；ki，zno，j为zno-nps对抑制性常数，单位为mgznonps/l。

(5)反硝化过程总结为如下方程：

式中，为nox的浓度，单位为kgn/m³；为反硝化菌的速率方程。

根据反硝化菌和非反硝化菌对底物的竞争规律，结合multiplicativemonod方程，得到adm1扩展模型与反硝化过程的计量矩阵(表1、表2和表3)。

表1甲烷化溶解性组分的计量矩阵

表2甲烷化颗粒性组分的计量矩阵和过程速率

表3反硝化过程的计量矩阵(ρi，nox)

二、以下结合具体实施案例作进一步说明：

uasb反应器有效容积为8.0l，材质为有机玻璃，反应区和三相分离器体积均为4.0l，反应器采用水浴方式温控35±1℃，利用蠕动泵控制进水流速，停留时间(hrt)为24h。接种具有高效的脱氮除碳功能的厌氧颗粒污泥，接种污泥的浓度为5.72g-vss/l。进水为人工合成废水(cod2000mg/l，no3^--n为200mg/l)，以蔗糖和乙酸钠为碳源，硝酸钠为氮源，cod去除率在95％以上，nox-n去除率100％，产气稳定，ch4产气速率为0.0271m³/h，n2为0.0135m³/h。

zno在sdm体系中的暴露水平预测步骤为：

第一步，通过灵敏度分析得出对气体指标ch4和n2影响较明显的参数，即：底物糖类的最大比吸收速率km，su、底物丁酸的最大比吸收速率km，bu、底物丙酸的最大比吸收速率km，pro、底物乙酸的最大比吸收速率km，ac、底物氢的最大比吸收速率km，h2、反硝化菌对丁酸的最大吸收速率kno2，bu、反硝化菌对丙酸的最大吸收速率kno2，pro、反硝化菌对乙酸的最大吸收速率kno2，ac、反硝化菌对氢的最大吸收速率kno2，h2、反硝化菌对丁酸的最大吸收速率kno3，bu、反硝化菌对丙酸的最大吸收速率kno3，pro、反硝化菌对乙酸的最大吸收速率kno3，ac、反硝化菌对氢的最大吸收速率knoa，h2。

第二步，通过间歇实验来测出上述参数的数值。

第三步，通过连续实验定期检测sdm体系在纳米zno暴露下的理化指标。

第四步，编写遗传算法和回归拟合程序，得到抑制性常数，即：亚硝酸盐抑制性常数ki，no2、硝酸盐抑制性常数ki，no3、纳米zno对丁酸的抑制性常数ki，zno，bu、纳米zno对丙酸的抑制性常数ki，zno，pro、纳米zno对乙酸的抑制性常数ki，zno，ac、纳米zno对氢的抑制性常数ki，zno，h。

第五步，模型只需输入纳米zno的暴露浓度，即可完成纳米zno在sdm体系中的暴露水平预测。

1、灵敏度分析和间歇实验

目的：灵敏度分析和间歇实验直接得到13个参数：底物糖类的最大比吸收速率km，su、底物丁酸的最大比吸收速率km，bu、底物丙酸的最大比吸收速率km，pro、底物乙酸的最大比吸收速率km，ac、底物氢的最大比吸收速率km，h2、反硝化菌对丁酸的最大吸收速率kno2，bu、反硝化菌对丙酸的最大吸收速率kno2，pro、反硝化菌对乙酸的最大吸收速率kno2，ac、反硝化菌对氢的最大吸收速率kno2，h2、反硝化菌对丁酸的最大吸收速率kno3，bu、反硝化菌对丙酸的最大吸收速率kno3，pro、反硝化菌对乙酸的最大吸收速率kno3，ac、反硝化菌对氢的最大吸收速率kno3，h2的数值，减少参数估计的参数个数，以保证参数估计的准确性。

连续实验得到相关指标，编写遗传算法和回归拟合程序，估计6个抑制性常数：亚硝酸盐抑制性常数ki，no2、硝酸盐抑制性常数ki，no3、纳米zno对丁酸的抑制性常数ki，zno，bu、纳米zno对丙酸的抑制性常数ki，zno，pro、纳米zno对乙酸的抑制性常数ki，zno，ac、纳米zno对氢的抑制性常数ki，zno，h。

(1)灵敏度分析

对所得模型相应参数进行灵敏度分析，选出对气体指标ch4和n2影响较明显的参数进行参数估计，目标参数的变化范围为10％-300％，其敏感性指数(si)定义为：

式中，t为模拟时间(d)；n为需模拟的数据；cstd(t)和csens(t)分别为文献给定目标参数值所模拟的结果和此参数值相应变化下模拟的结果。

通过matlab软件编程，得出对气体指标ch4和n2影响较明显的参数为：底物糖类的最大比吸收速率km，su、底物丁酸的最大比吸收速率km，bu、底物丙酸的最大比吸收速率km，pro、底物乙酸的最大比吸收速率km，ac、底物氢的最大比吸收速率km，h2、反硝化菌对丁酸的最大吸收速率kno2，bu、反硝化菌对丙酸的最大吸收速率kno2，pro、反硝化菌对乙酸的最大吸收速率kno2，ac、反硝化菌对氢的最大吸收速率kno2，h2、反硝化菌对丁酸的最大吸收速率kno3，bu、反硝化菌对丙酸的最大吸收速率kno3，pro、反硝化菌对乙酸的最大吸收速率kno3，ac、反硝化菌对氢的最大吸收速率kno3，h2。

(2)间歇实验

分别以乙酸、丙酸、丁酸和氢为底物，硝酸盐和亚酸盐为氮源，通过间歇实验测定上述13个参数：底物糖类的最大比吸收速率km，su、底物丁酸的最大比吸收速率km，bu、底物丙酸的最大比吸收速率km，pro、底物乙酸的最大比吸收速率km，ac、底物氢的最大比吸收速率km，h2、反硝化菌对丁酸的最大吸收速率kno2，bu、反硝化菌对丙酸的最大吸收速率kno2，pro、反硝化菌对乙酸的最大吸收速率kno2，ac、反硝化菌对氢的最大吸收速率kno2，h2、反硝化菌对丁酸的最大吸收速率kno3，bu、反硝化菌对丙酸的最大吸收速率kno3，pro、反硝化菌对乙酸的最大吸收速率kno3，ac、反硝化菌对氢的最大吸收速率kno3，h2的数值。具体实验步骤为：

①间歇实验在容积为1000ml血清瓶中进行，有效容积为ve＝400ml。

②取25g经超纯水清洗3次的反硝化同时甲烷化颗粒污泥接种于一系列血清瓶中。分别以乙酸、丙酸、丁酸和氢为底物，使cod为2000mg/l；硝酸盐和亚酸盐为氮源，含氮为200mg/l。再加入一定量营养母液成分为：k2hpo4121.5mg·l^-1；nahco33000mg·l^-1；cacl275mg·l^-1；mgc12·6h2o150mg·l^-1；微量元素母液成分为：fecl22500mg·l^-1；cucl2·5h2o500mg·l^-1；cocl2·6h2o500mg·l^-1；mncl2·4h2o500mg·l^-1；alcl3250mg·l^-1；zncl2500mg·l^-1；nicl2·6h2o500mg·l^-1；(nh4)6mo7o241500mg·l^-1；h3bo4500mg·l^-1。

③向血清瓶中充入氩气15min后用丁基胶塞盖好，铝盖密封。置于温度为35±1℃，转速为150r·min^-1恒温振荡器中培养，每组实验设置3个平行。

④定期测定cod、no3^--n、no2^--n、vfa、产甲烷和氮气量。每次每种指标测定3次，求平均值。利用方差分析进行显著性检验。

(3)连续实验

主要目的是：利用间歇实验得到的13个最优参数值，运用matlab软件编程，编写遗传算法和回归拟合程序，预测纳米zno在sdm体系中的暴露水平。

向合成废水中添加一定浓度的纳米zno，如下步骤依次进行。第一阶段，进水1mgzn/lzno-nps，uasb反应器运行40～50d；第二阶段，进水5mgzn/lzno-nps，uasb反应器运行50～60d；第三阶段，进水10mgzn/lzno-nps，uasb反应器运行50～60d。第四阶段，进水50mgzn/lzno-nps，uasb反应器运行60～80d。定期测定进出水cod、no3^--n、no2^--n、可溶性zn²⁺、挥发性脂肪酸(vfa)、纳米zno浓度、甲烷和氮气产量。

(4)参数估计

matlab软件编程，编写遗传算法和回归拟合程序，利用上述连续实验，得到纳米zno影响uasb运行的的理化数据，即：cod、no3^--n、no2^--n、可溶性zn²⁺、vfa、纳米zno浓度、ch4和n2。利用遗传算法和回归拟合算法，以函数fobj(θ)为模拟的目标函数，得到抑制性参数的最优值，最终能准确预测纳米zno在sdm体系中的暴露水平。所需模拟的抑制性参数为：亚硝酸盐抑制性常数ki，no2、硝酸盐抑制性常数ki，no3、纳米zno对丁酸的抑制性常数ki，zno，bu、纳米zno对丙酸的抑制性常数ki，zno，pro、纳米zno对乙酸的抑制性常数ki，zno，ac、纳米zno对氢的抑制性常数ki，zno，h。

式中，yexp为实验值；ysim为模拟值；θ为预测的参数值；n为测得实验理化值的数量。

2、纳米zno在uasb反应器内的迁移转化

纳米zno在uasb中的迁移转化过程如下：长期的纳米zno暴露下，水解酸化菌、嗜乙酸产甲烷菌、嗜氢产甲烷菌和反硝化菌部分被抑制，也有部分细菌死亡。

颗粒污泥具有层状的结构，最外层分泌着eps(lb-eps和tb-eps)，外层由含有大部分的水解酸化菌和反硝化菌，中间层占用部分的反硝化菌，最内层分布着嗜乙酸产甲烷菌、嗜氢产甲烷菌。纳米zno在颗粒污泥内的迁移过程为：①eps具有较强的吸附能力，最外层粘附着大量zno颗粒；②纳米zno在颗粒污泥内部孔道内迁移扩散；③纳米zno与各层功能微生物相互作用，产生一定的生物效应。

3、利用模拟方法得出的仿真结果与实际结果的对照

从纳米zno对甲烷菌抑制作用的仿真结果与实际结果的对照来看，甲烷和氮气产量可反映zno-nps对sdm体系的影响。运用matlab软件模拟了不同浓度zno-nps对产甲烷量的影响。低浓度纳米zno对甲烷菌的抑制作用较弱，甲烷总量未受影响；随着纳米zno浓度的增加，其对甲烷菌的抑制作用也随之增强。纳米zno浓度为100mg/l时，酸化菌和甲烷菌的活性被部分抑制，在反应开始的20h内，纳米zno对酸化菌和甲烷菌的活性冲击较大，产甲烷速率近乎零，但颗粒污泥具有较强抵御不良环境的能力，随反应的进行，产甲烷速率逐渐恢复至ν100mg/l＝6.5083，产气量随反应时间逐渐上升，最大值达1100mgcod/l。但在200mg/lzno-nps的体系中，在27h后开始产甲烷，zno-nps的抑制效应较显著。可得出不同浓度下zno-nps产气速率顺序ν200mg/l＝6.508＜ν100mg/l＝6.5083＜ν50mg/l＝24.8462＜ν0mg/l＝26.215(kgcod·(m³·h)^-1)，zno-nps浓度越高，对功能微生物的抑制效应越显著。

4、纳米zno在反硝化同时产甲烷系统中的暴露场景资料(见表4)

表4纳米zno在反硝化同时产甲烷系统中的暴露场景资料

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。