微塑料对污水处理工艺的影响及研究进展_刘宏.pdf

第49卷 第 2 期2023 年 2 月Vol.49 No.2Feb.,2023水处理技术水处理技术TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT微塑料对污水处理工艺的影响及研究进展微塑料对污水处理工艺的影响及研究进展刘宏，石林，陈猛，杨留留（苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏 苏州 215009）摘摘 要要:首先介绍了微塑料对污水处理过程的影响以及如何影响废水生物处理的机理，随后总结了现有的微塑料处理技术，并对各项处理技术的去除效果和优缺点进行了探讨，最后提出了微塑料处理技术目前面临的问题及未来发展方向，以期为微塑料处理技术的研究提供借鉴。关键词关键词:微塑料;污水处理;生物机理;处理技术开放科学开放科学（资源服务资源服务）标识码标识码（OSID）:中图分类号中图分类号:X703 文献标识码文献标识码:A 文章编号文章编号:10003770(2023)02-0011-007塑料是一种以单体为原料，通过加聚或者缩聚反应聚合而成的高分子化合物，由于其较好的力学性能、优异的耐腐蚀性、低成本以及较长的使用寿命饱受各个行业的关注，自诞生以来，塑料的全球产量已经从1950年的170万吨增长到2019年的3.61亿吨1。与普通污染物不同，塑料在生物降解过程中会形成越来越小的颗粒，粒径小于5 mm的塑料被定义为微塑料（MPs）2，微塑料按照其产生方式可以分为初生微塑料和次生微塑料。由于体积较小，MPs易被生物误食，对许多鸟类、爬行动物和鱼类造成损害，并最终通过食物链进入人类体内，危害人类的健康3-4。MPs现已广泛地存在于空气、土壤、海洋、淡水中，甚至在北极海冰、南极、偏远山脉和深海海沟等原始地方发现MPs的痕迹。本文从MPs对废水的处理影响以及MPs处理技术两个方向进行总结分析并对未来的研究方向提出展望，为后续MPs的去除研究提供参考。1 MPs MPs对污水处理的影响对污水处理的影响1.1MPs对一级处理的影响对一级处理的影响一级处理主要通过格栅筛分、曝气池、沉淀法等物理方法去除废水中的悬浮物。在气浮阶段，MPs的表面性质使其容易吸附污染物并结块，新形成的集料粒度和密度与原气浮池设计参数不同，就导致设计的气泡不会将污染物带到水面。由于微塑料密度小和疏水性，就会导致微塑料在水中呈垂直分布，不会因为重力沉淀到底部。此时，微塑料会随污水进行水平迁移，沉淀法受限严重5。此外，MPs还能吸附有毒物质，影响污染物的初步去除。1.2MPs对二级处理的影响对二级处理的影响污水的二级处理是在一级处理的基础上，再通过生化作用对污水进行进一步处理，如膜生物反应器（MBR）、活性污泥法（CAS）等。在该阶段MPs会影响无机氮的生物转化效率。在处理MPs特别是纳米塑料，NH4+-N的转化效率降低，说明MPs的存在可能会抑制反硝化过程，导致水体中铵态氮的积累6。MPs与磷去除呈弱负相关，与氮生物转化呈正相关，这可能是由于与脱氮相关的细菌比磷积累生物更敏感7。因此，MPs对脱氮的不利影响通常大于除磷。MPs的存在显著提高了总溶解磷（TDP）和可溶性有机磷（DOP）水平，但对长期试验的除磷效果没有显著影响8。现有研究表明，生化需氧量（BOD）、（溶解氧）DO、总氮（TN）、总磷（TP）与MPs浓度呈正相关9，与天然 MPs相比，风化微塑料的BOD值显著增加10。DOI:10.16796/ki.10003770.2023.02.003收稿日期：2022-01-15基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（51708381）；江苏省自然科学基金项目面上项目（BK20181466）；江苏省苏州市民生科技项目（SS2019028）作者简介：刘宏（1982），女，博士，副教授，研究方向为水与废水处理新技术；电子邮件：11第 49 卷 第 2 期水处理技术水处理技术1.3MPs对三级处理的影响对三级处理的影响在混凝处理过程中，表面带负电荷的MPs与铝盐、铁盐等絮凝剂的相互作用降低了絮凝剂的效果。为了达到与非MPs系统相同的效果，需要额外的化学药品，这增加了处理成本。另外，MPs由于其巨大的表面积和疏水性，可以吸附药剂。为了达到与非MPs系统相同的处理效果，需要增加试剂的用量。由于 MPs的形状不规则，在超滤、反渗透和微滤过程中，膜易被不规则MPs磨损，反渗透膜由于高压的原因，现象可能更加明显。目前，大多数污水处理厂使用聚合物膜，MPs很可能磨损这种膜，降低过滤性能。此外，由于MPs的表面特性，膜污染也可能由堵塞或形成滤饼引起污染，导致跨膜压力增加，需要更长的过滤时间，导致更大的能耗11。1.4MPs影响废水生物处理的机理影响废水生物处理的机理作为膜结合酶，硝化和反硝化的关键酶嵌入细胞膜或位于细胞质中。虽然胞外多糖（EPS）具有保护作用，但MPs吸附在细胞表面生物分子上，增加了MPs与关键酶的接触机会，可能导致酶活性降低和失活，从而影响废水的反硝化性能12。事实上，细胞相关毒性通常是由蛋白质和磷脂的损伤引起的。当MPs达到纳米级时，由于其体积小，容易进入生物聚合物链之间的缝隙，因此添加了MPs与蛋白质和磷脂的接触机会。纳米塑料以内源呼吸的形式对活性污泥进行急性抑制，浓度越高，急性抑制作用越强。活性污泥是衡量活性污泥活性的重要指标，与污水处理效率密切相关13。MPs对活性污泥的急性抑制作用可能受其表面电荷的影响，也许是由于聚乙烯颗粒表面带有正电荷，聚乙烯微塑料对16个带负电荷的活性污泥具有较高的亲和力14。MPs的浸出液也会影响硝化作用，如聚氯乙烯微塑料可释放双酚A，抑制异养菌和硝化菌的活性15。2 MPs MPs处理工艺处理工艺近年来，随着对 MPs研究的深入，许多处理技术已被应用于降解或去除水中的MPs，下面将从物理处理技术、生物处理技术和化学处理技术方面介绍MPs处理方法。2.1物理处理技术物理处理技术2.1.1吸附吸附生物炭（BC）和活性炭（AC）常作为吸附剂用来去除雨水中的MPs16，而影响其去除MPs效率的因素主要为表面积和孔隙率17。SIIPOLA等17发现，在800 下被蒸气活化后的BC对MPs的去除效率最高，同时发现虽然相较于松树树皮BC（556603 m2/g），云杉树皮BC表面积（187 m2/g）相对较小，但是得益于其更广的孔径分布，因此对10 m以下的球形MPs的去除率更高；WANG18等人对BC和AC去除MPs的原理进行研究后发现，当MPs颗粒大于多孔介质的孔隙时，会被直接截留在孔隙外，而当MPs颗粒体积略大于孔隙时会进入孔隙，且当其流速较低时会被截留在孔隙中，同时BC中存在具有胶体性质的片状颗粒，它与MPs颗粒之间会产生范德华力，会将MPs颗粒包裹并附着在过滤床上。由于BC和AC作为低成本、高效率的吸附剂，同时也是一种可再生资源，因此使用装填有BC和AC的过滤柱对MPs进行去除是一种经济有效的方法。2.1.2膜处理膜处理膜处理技术可以提高 MPs和纳米塑料的去除率，而将膜技术与生物工艺（即MBR）结合，可以将污水处理厂的一级出水中 MPs 去除率提高至99.9%19。膜处理技术一般分为超滤膜（UF）、反渗透膜（RO）和动态膜（DM）。UF是一种在低工作压力下启动的膜工艺，可以从进水中分离出分子量在几千道尔顿以上的溶解大分子和微小悬浮颗粒。SUN等20研究指出，聚乙烯（PE）是MPs中最常见的聚合物类型，由于其粒径较大，因此 PE颗粒可以通过 UF完全去除，但是由于MPs 的形状不规则，会导致 UF 的磨损，降低过滤性能。RO是较为常见的废水处理工艺，一般在高压下对污水进行处理，虽然处理效率因此得到提升，但是MPs可能会在高压下被分解成更小的纳米塑料颗粒21。ZIAJAHROMI等22对澳大利亚悉尼污水处理厂利用RO工艺去除MPs的性能进行研究，发现废水在经过 UF 后，MPs 浓度从 2.2 个/L 减少到了0.28个/L，最终经RO处理后达到了0.21个/L。因此RO工艺对MPs的去除效率并不是特别高，但是与UF联用可以提高MPs的去除率。DM也被称为次生膜，是废水中的颗粒和其他污染物在支撑膜表面形成的，可以提高对废水中小分子污染物的截留能力。LI等人23在90 m的支撑膜上形成了DM，发现过滤后废水中的MPs含量减少了90%，在过滤废水20 min后，出水浊度降至1 NTU以下。12刘宏等，微塑料对污水处理工艺的影响及研究进展总体来说，膜处理技术并非专门设计用于MPs的去除，但该工艺在去除Mps方面却有良好的表现，但是膜污染和水通量的降低是亟待解决的问题，如果将其与生物工艺和化学工艺相结合应该会有较大的研究价值。2.1.3颗粒介质过滤颗粒介质过滤过滤是污水处理厂中去除污染物的常见工艺，其常见的形式有颗粒活性炭（GAC）过滤、快速砂率（RSF）和盘式过滤（DF）。其中，GAC在污水处理厂中常与混凝工艺结合去除MPs24，某饮用水处理厂在经过砂滤、沉淀、臭氧氧化和GAC过滤后，废水中MPs 的含量减少了 82.1%88.6%，但是 GAC 过滤去除的 MPs 占 56.8%60.9%，且多数 MPs 粒径较小24；ZHANG25认为GAC对1020 m MPs的去除率在82.0%91.8%之间，对106125 m的MPs去除率在 99.8%100%；WANG 等人24研究表明GAC对粒径在15 m的MPs的去除率为73.7%98.5%，同时发现 GAC 对纤维微塑料的去除率在38%52.1%，对球状微塑料的去除率在 76.8%86.3%，对片状微塑料的去除率为60.3%69.1%。RSF主要是通过无烟煤颗粒、硅砂和砾石三层物理过滤层去除悬浮固体颗粒，在芬兰图库尔市污水处理厂的一次包含RSF的三级处理中试中发现，RSF工艺可以去除 97%的包含不同形状和大小的MPs19；LEE 等26研究发现，RSF 对水中的 MPs去除率为 73.8%，而在与混凝工艺相结合后，RSF 对MPs的去除率可达 98.9%，因此将 RSF工艺与混凝工艺相结合可以提高水中 MPs 的去除率。但是ENFRIN等人21发现MPs会与RSF中的硅砂层产生亲水相互作用，从而粘附在硅砂的表面，造成堵塞，且MPs在风化后会产生羟基，常规的反冲洗难以进行清洁，降低了RSF工艺的性能。DF在许多国家的污水处理厂中常设置于污水处理的最后阶段，用以对废水进行微筛过滤。LEE等26对具备 DF 工艺的污水处理厂进行研究后发现，在水厂最终的出水中，MPs 的去除率达到了99.1%，而 在 DF 阶 段，MPs 的 去 除 率 为 79.4%；TALVITIE等人27在研究后发现 DF对各类 MPs的去除率为40%98.5%，当DF孔径为10 m时，MPs浓度从 0.5 个/L 降至 0.3 个/L，当 DF 孔径为 20 m时，MPs 浓度从 2.0 m/L 降至 0.03 m/L。综上来看，DF对MPs的去除效率较低，且频繁的高压反冲洗会对DF造成破坏，难以对MPs产生截留效果。2.1.4物理处理技术对比物理处理技术对比物理处理技术可以用于去除水中大量的MPs，不同物理方法对MPs的去除效果对比见表1。UF、RO 和 DM 工艺与 MBR 工艺结合后，可以提高对MPs的去除率，但是UF工艺仅对PE材质的MPs有去除效果，而DM工艺是一种经济高效的MPs处理技术，但仍不足以去除废水中的大量MPs。另一方面，基于过滤器去除MPs工艺的效率明显优于其他方法，其中RSF工艺可以对MPs进行快速有效的去除。考虑到各物理处理技术对MPs的去除率和优缺点，排序为：颗粒介质过滤吸附膜处理。2.2生物处理技术生物处理技术2.2.1活性污泥法活性污泥法在活性污泥法中，微生物在分泌胞外聚合物吸收污染物时，也会将MPs摄入体内，随后将不能降解的MPs与降解为无害物质的MPs凝聚成絮团排出体外。研究表明，活性污泥法及其改良工艺如A2O工艺、序批式反应器工艺和氧化沟工艺等，对水中MPs的去除率为36%42.9%28-29。有研究也指出活性污泥法对不同形状和大小的MPs去除率并不相同，例如 LIU