外源微塑料輸入對SBR系統污水處理性能的影響

陳 佼,唐 藝,黃 琴,李舒昕,田秋荻,陸一新

(成都工業學院 材料與環境工程學院,成都 611730)

塑料制品與人們的日常生產和生活息息相關,然而其制造和使用過程也帶來了日益嚴重的微塑料污染問題[1]。微塑料是一類粒徑不足5 mm的持久性污染物,其種類繁多、遷移能力強、可降解性差[2]。外源微塑料輸入水體后會對水生態環境造成嚴重危害,進而威脅到水生生物和人體的健康。近年來,微塑料在海洋[3]、河流[4]、湖泊[5]、飲用水[6]以及水產品[7]中被頻繁檢出,其潛在危害成為全球關注熱點。

污水處理廠是城鎮污水的重要匯集地,是微塑料從市政管網向自然水環境轉移的中轉站[8]。外源微塑料輸入污水處理系統后,與污水共存于系統內,可能通過與污水中污染物的結合而改變污染物的存在形態及轉化路徑,也可能通過與微生物的附著接觸而對其產生毒害,進而對污水處理性能產生負面影響[9]。目前,已有較多關于污水廠微塑料來源解析[10]、賦存形態調查[11]、遷移及歸趨規律分析[12]、去除方法探究[13]的文獻報道,同時關于外源微塑料輸入對污水處理系統性能影響的研究也在近年來日益受到國內外學者的關注。如:胡璇等[14]研究了聚酯纖維微塑料對活性污泥體系運行性能和菌群結構的影響;Alvim等[15]研究了聚苯乙烯微塑料對活性污泥工藝硝化和有機物去除性能的影響。然而,污水中外源輸入的微塑料種類繁多,不同類型的微塑料對活性污泥體系可能產生不同的影響,因此,對比其影響差異和探究其影響機制對活性污泥法的實際運行具有重要意義。

鑒于此,本研究將選取典型的活性污泥法污水處理系統——序批式反應器(Sequencing Batch Reactor,SBR)處理生活污水,在成功啟動SBR系統并實現穩定運行后,考察污水中常見的2種外源微塑料——聚酰胺(Polyamide,PA)和聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride,PVC)在不同輸入量下對SBR系統污水處理性能的影響并分析其影響機制,以期為SBR系統的穩定運行提供科學參考,同時也可為微塑料對其他類型污水處理系統影響的研究提供有益借鑒。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

SBR系統的主體裝置以有機玻璃為原料加工制成,其有效容積為2.0 L,反應器底部安裝有微孔曝氣裝置,通過可調節曝氣機泵入空氣,空氣從微孔曝氣頭逸散出來,為泥水混合液供氧,并提供攪拌作用使泥水充分混合。采用微電腦定時器控制運行時間。

1.2 污水水質及接種污泥

采用實驗室閑置活性污泥進行接種,在有效容積為15 L的塑料桶內進行馴化(35 d),再均勻分裝到一系列的SBR系統內,每個系統內泥水混合液的體積為1.8 L,混合液懸浮固體濃度(Mixed Liquor Suspended Solids,MLSS)在3 100 mg/L左右。

1.3 微塑料

實驗所用微塑料PA、PVC均購自中聯塑化有限公司,為使其與污水中微塑料的實際情況更加相近,取適量PA、PVC放入模擬生活污水中,在室溫條件下置于振蕩器上以180 r/min的速率振蕩12 h。振蕩結束后,用自來水清洗數遍,濾出微塑料放入50 ℃烘箱內烘干,取烘干的微塑料顆粒過150 μm篩,儲存于干燥條件下備用。

1.4 實驗方案

設置7組平行啟動的SBR系統,編號依次為S1～S7。每天運行2個周期,每個周期在12 h內完成,共設置進水(階段Ⅰ,10 min)、曝氣(階段Ⅱ,10 h)、沉淀(階段Ⅲ,1 h)、排水(階段Ⅳ,10 min)、閑置(階段Ⅴ,40 min)這5個階段循環運行。階段I進水量和階段Ⅳ排水量均為1 L。階段Ⅱ系統內溶解氧質量濃度控制在4～5 mg/L,實驗期間環境溫度為(25±5)℃。

表1 外源微塑料輸入情況

1.5 分析方法

污水水質指標和污泥性能指標均參照《水和廢水監測分析方法(第四版)》進行檢測。在對出水水質指標進行檢測時,水樣需預先采用0.45 μm濾膜進行處理,以減少懸浮在水中的微塑料對水質檢測結果造成干擾。在進行MLSS檢測時,由于污泥中可能殘留有部分微塑料,在將污泥烘干稱質量(m1)后,需將干污泥用去離子水清洗數遍,分離出微塑料后單獨烘干稱質量(m2),再根據質量差(m1-m2)和取樣體積進一步計算出污泥的實際質量濃度。

(1)

式中:ρ0、ρ分別為進水、出水中污染物的質量濃度,mg/L;t為曝氣反應時長,h;k為污染物去除過程的反應速率常數,h-1;a為相關常數。

2 結果與討論

2.1 對COD去除效果的影響

外源微塑料PA、PVC輸入對SBR系統COD去除效果的影響如圖1所示。

圖1 S1～S7系統對COD的去除效果

對比各SBR系統的出水COD質量濃度變化規律可知,S1出水水質最為穩定,COD質量濃度穩定在31.6 mg/L左右,去除率均值可達到90.8%,而有外源PA、PVC輸入的S2～S7系統出水COD質量濃度出現了不同程度的升高。其中,S2系統出水COD質量濃度增幅相對較小,穩定運行期間COD去除率均值依然可達到90.2%,僅比對照組降低了0.6%,可見PA在10 mg/L輸入條件下對SBR系統COD去除效果的影響較小。隨著PA輸入量的增加,對COD去除的抑制效果逐漸顯現,S3、S4出水COD質量濃度分別升高到38.9,47.2 mg/L左右,COD去除率均值分別比S1下降了2.1%、4.5%,可見PA輸入量越大,對COD去除效果的抑制作用越強。與PA相比,PVC輸入對COD去除效果的負面影響更大,穩定運行期S5、S6、S7系統的出水COD質量濃度分別增至46.3,56.5,80.8 mg/L左右,相應的COD去除率均值分別降至86.6%、83.6%、76.5%,相比S1分別低了4.2%、7.2%、14.3%。由此可見,較高質量濃度PA、PVC輸入對COD去除會產生更強的抑制效應,而同等質量濃度輸入量下PVC的抑制效應比PA更強。

圖2反映了S1～S7系統在不同反應時間下的COD去除動力學擬合結果,其擬合參數見表2。

圖2 不同反應時間下的COD去除動力學擬合

表2 COD去除動力學擬合參數

根據動力學模型的特點,反應速率常數k值越大,說明污染物被SBR系統去除的速率越高[20]。從圖2和表2可以看出,微塑料PA、PVC輸入后,S2～S7的k值相比S1均有所下降,但S2～S5的k值依然維持在0.2 h-1以上,而S6、S7的k值下降較為明顯,分別僅為S1的k值的73.8%、60.1%。分析認為,SBR系統對污水中COD的去除主要依靠有機物降解菌的作用,微塑料持續輸入系統后分散于體系內,將阻礙有機物從污水向污泥菌膠團的傳質過程,同時還會阻礙溶解氧在體系內的擴散效率,導致有機物降解菌不能獲得充分的碳源和氧源,代謝有機物的活性下降[21]。微塑料輸入量越高,這種阻礙作用越強,有機物降解菌受到的抑制作用也越大,因而COD去除效果也越差。此外,微塑料與有機物降解菌共存于SBR系統內,還可能通過緩慢釋放有毒物質抑制微生物酶活性,進而對有機物降解菌產生脅迫效應[22-23]。在本研究中,PVC對SBR系統COD去除效果的沖擊更大,說明有機物降解菌抵抗PVC脅迫效應的能力較PA更弱。

2.2 對去除效果的影響

圖3 S1～S7系統對的去除效果

表去除動力學擬合參數

圖4 不同反應時間下的去除動力學擬合

2.3 對TP去除效果的影響

外源微塑料輸入前后各SBR系統的出水TP質量濃度和去除率變化情況如圖5所示。

圖5 S1～S7系統對TP的去除效果

圖6和表4反映了不同反應時間下SBR系統的TP去除動力學擬合結果。

圖6 不同反應時間下的TP去除動力學擬合

表4 TP去除動力學擬合參數

2.4 對污泥性能的影響

穩定運行期S1～S7系統的污泥性能指標分析結果如圖7所示。

圖7 外源PA、PVC輸入對污泥性能指標的影響

由圖7可知,對照組S1的SV30、MLSS、SVI分別為33%、3 153 mg/L、105 mL/g,說明無外源微塑料輸入時SBR系統的污泥性能較為正常[31]。外源微塑料輸入后,SBR系統的污泥性能指標發生了較為明顯的變化。對比可知,S2～S7的SV30、MLSS、SVI值均低于S1,單位時間內的污泥沉降體積數、污泥量及污泥體積指數均呈現出減少趨勢[32]。由此可見,外源微塑料PA、PVC的持續輸入會使污泥密實度增加,這與部分微塑料顆粒被污泥裹挾而共同沉降有關。然而,這并沒有帶來污泥質量濃度的同步增長,相反,污泥質量濃度有所減少,這是由于微塑料對活性污泥中的功能菌群產生了不同程度的脅迫效應,微生物的生長繁殖效率降低,進而使得污泥總量無法持續增長所致[33]。

3 結論