疫情背景下污水中的表面活性剂对污水处理效果的影响与机理
* 来源 : E方知库期刊群 * 作者 : 郝晓地等 * 发表时间 : 2021-08-16 * 浏览 : 6

本期向大家推荐团队发表在《环境工程学报》2021年第6期上的研究综述《疫情背景下污水中的表面活性剂对污水处理效果的影响与机理》。本文综述了新冠疫情背景下,更多表面活性剂进入污水处理厂后,对污水处理过程的负面影响与污水处理厂的应对措施,及其对污泥处理过程产生的积极影响,以期对污水处理厂在疫情背景下的运行措施调整提供参考。

  01

  Main points

  文章亮点

  1)新冠疫情使人们洗手消毒的频次增加,导致更多的表面活性剂进入污水处理厂。污水经处理后,其中的表面活性剂仅1%随出水外流,约10%~20%则进入剩余污泥。

  2)尽管污水中表面活性剂的宏观含量并不高,但其特殊两性分子结构会降低氧传质效率、破坏污泥絮体结构,并影响脱氮除磷微生物的活性与丰度。

  3)在污泥处理方面,表面活性剂会对污泥絮体脱水、解体与增溶产生正面效果,甚至还能促进污泥厌氧消化水解酸化。

  4)有必要对表面活性剂来源、结构及其迁移转化进行梳理,进一步探明其对污水处理过程的负面影响与污水处理厂的应对措施,以及表面活性剂对污泥处理过程产生的积极影响,以期为污水处理厂在疫情背景下的运行措施调整提供参考。

  02

  Introduction

  内容简介

  根据表面活性剂基团类型,可将其分为阴离子型、阳离子型、非离子型以及两性离子型,非离子型和阴离子型两类市场使用量最大,分别占比56.1%和36.8%。

  表面活性剂大多为有机成分,对难生物降解和不可生物降解表面活性剂来说,它们绝大部分会被污泥吸附,随剩余污泥而排出系统,只有很少部分溶解态表面活性剂会随出水以COD形式排放。因此,应该关注的是可生物降解表面活性剂,然而即使是可生物降解表面活性剂,其在生物处理过程中能真正实现降解也并非易事,不但会造成能耗与成本增加,而且降解在很多情况也只是母体降解表象,代谢中间产物的毒性甚至可能会比母体还高。

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  1. 表面活性剂对污水处理过程的影响

  表面活性剂进入污水后,在污水生物处理过程中会对曝气、生物反应等产生负面影响,且浓度越高影响越大。表面活性剂对污水生物处理过程产生负面影响主要体现在三方面:氧传质、污泥絮体、微生物抑制。

  1.1

  降低氧传质效率

  传统观点:表面活性剂是微溶有机大分子物质,具有强亲水端和强疏水脂肪族/芳香端。曝气过程中,疏水端吸附在气液界面,而亲水端则延伸至本体溶液中,形成有序分子单层。分子单层结构会施加阻塞效应,增加界面粘度,会降低空气与液相之间的氧传质效率。但也有相佐研究,称表面活性剂分子晶格结构会阻碍氢键作用力,导致气泡体积变小,进而降低表面张力,使气泡均匀分布于气-液界面,致使液相含气率提高,即,可改善氧传质。综合两种相佐作用,前者对液体传质的负面效应远远高于后者,最终表现为降低氧传质效率。

  新颖观点:较低浓度表面活性剂存在时高浓度表面活性剂存在情况下,表观粘度(μapp)与细胞碎片增加很可能是OTE降低的原因,OTE可能会因生物降解表面活性剂或生物降解其裂解的EPS,从而加快氧传质效率,污泥氧转移性能主要取决于污泥形态参数,如,MLSS,SV30,絮体直径和μapp等,而与进水表面活性剂关系不大。

  1.2

  破坏污泥絮体

  污泥絮体与表面活性剂结合会影响絮体形态,导致絮体中结合松散的EPS(LB-EPS)破裂,进而影响紧密的EPS(TB-EPS)、甚至细胞结构。

  1.3

  抑制微生物活性

  表面活性剂对污水处理涉及微生物影响包括几个方面:1)低浓度时可用作碳源,一定程度可助厌氧释磷或反硝化,而高浓度表面活性剂则会对微生物产生毒性作用;2)对微生物细胞膜等结构产生破坏作用,而对膜电位影响可能改变代谢控制,甚至可能与细胞膜物质直接作用,导致细胞膜溶解,进而影响优势菌属类别以及菌属相对丰度;3)通过静电或疏水相互作用与酶蛋白催化残基结合,导致酶活性降低;4)表面活性剂作为一种活性基团,可与基质大分子(淀粉、蛋白质、肽和DNA等)结合,严重时它们会直接插入各种细胞结构片段(如,细胞膜磷脂双分子层),进而导致功能失调。

  2. 对污泥处理的影响与潜在利用

  2.1

  污泥脱水预处理

  表面活性剂具有和聚丙烯酰胺类似功能,可以用作脱水助剂,能大幅度降低滤饼水分含量。具体来说,表面活性剂亲水基团会与蛋白质结合,从而损害生物膜功能性和完整性;而疏水基团与脂质结合,可导致膜液化、损害其屏障特性。与此同时,表面活性剂携带的电荷效应会在一定程度上中和污泥表面电荷,降低污泥之间静电斥力,使污泥絮体变得松散;表面活性剂也会增加细胞疏水性,促进细胞与细胞之间的相互作用,进一步诱导污泥絮体从亲水性液相中脱出,从而提高沉降速率和脱水性能。

  2.2

  厌氧消化

  2.2.1 促进水解酸化

  表面活性剂可以促进污泥水解,其作用机理包括:1)增溶;2)酶释放。表面活性剂通过降低表面张力或形成胶束来增强颗粒的溶解度,引起污泥物质分解,特别是EPS,会释放更多蛋白质和碳水化合物,表现为聚集态大分子有机物转化为小分子或溶解态物质,增加厌氧消化产甲烷阶段可利用的底物浓度。另一方面,酶和EPS之间由于存在静电相互作用,形成稳定的EPS-酶复合物,EPS释放也意味着水解酶可以从污泥中释放出来,从而提高了水解效率。

  表面活性剂对污泥水解影响机理(来自原文)

  2.2.2 抑制产甲烷

  厌氧消化系统中表面活性剂抑制产甲烷可能与两个原因密切相关:1)直接抑制产甲烷,阻断转化途径;2)抑制产甲烷菌群,破坏不同厌氧种群之间存在的共营养关系,导致系统失衡。

  2.3

  污泥资源化

  剩余污泥EPS具有高值回收潜力,而表面活性剂有助于EPS与细胞分离,在EPS提取与回收中发挥“事半功倍”的效果,其机理主要是表面活性剂参与能部分剥离蛋白质四级和三级结构,从而实现EPS分离提取。表面活性剂不仅可实现物质分离,也可以实现提取物质增产。添加表面活性剂后EPS粒径明显减小,意味着表面活性剂可能仅仅是整体提高了EPS溶出或溶解过程而提高了EPS产量。不同表面活性剂种类提高效果不同,这表明表面活性剂因自身结构不同亦会产生独特的增产机理。

  原文发表于《环境工程学报》:郝晓地, 杨振理, 李季. 疫情背景下污水中的表面活性剂对污水处理效果的影响与机理[J]. 环境工程学报, 2021, 15 (06): 1831-1839.

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