疫情背景下污水中的表面活性劑對(duì)污水處理效果的影響與機(jī)理

　　本期向大家推薦團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《環(huán)境工程學(xué)報(bào)》2021年第6期上的研究綜述《疫情背景下污水中的表面活性劑對(duì)污水處理效果的影響與機(jī)理》。本文綜述了新冠疫情背景下，更多表面活性劑進(jìn)入污水處理廠后，對(duì)污水處理過程的負(fù)面影響與污水處理廠的應(yīng)對(duì)措施，及其對(duì)污泥處理過程產(chǎn)生的積極影響，以期對(duì)污水處理廠在疫情背景下的運(yùn)行措施調(diào)整提供參考。

　　01

　　Main points

　　文章亮點(diǎn)

　　1）新冠疫情使人們洗手消毒的頻次增加，導(dǎo)致更多的表面活性劑進(jìn)入污水處理廠。污水經(jīng)處理后，其中的表面活性劑僅1%隨出水外流，約10%～20%則進(jìn)入剩余污泥。

　　2）盡管污水中表面活性劑的宏觀含量并不高，但其特殊兩性分子結(jié)構(gòu)會(huì)降低氧傳質(zhì)效率、破壞污泥絮體結(jié)構(gòu)，并影響脫氮除磷微生物的活性與豐度。

　　3）在污泥處理方面，表面活性劑會(huì)對(duì)污泥絮體脫水、解體與增溶產(chǎn)生正面效果，甚至還能促進(jìn)污泥厭氧消化水解酸化。

　　4）有必要對(duì)表面活性劑來源、結(jié)構(gòu)及其遷移轉(zhuǎn)化進(jìn)行梳理，進(jìn)一步探明其對(duì)污水處理過程的負(fù)面影響與污水處理廠的應(yīng)對(duì)措施，以及表面活性劑對(duì)污泥處理過程產(chǎn)生的積極影響，以期為污水處理廠在疫情背景下的運(yùn)行措施調(diào)整提供參考。

　　02

　　Introduction

　　內(nèi)容簡(jiǎn)介

　　根據(jù)表面活性劑基團(tuán)類型，可將其分為陰離子型、陽離子型、非離子型以及兩性離子型，非離子型和陰離子型兩類市場(chǎng)使用量最大，分別占比56.1%和36.8%。

　　表面活性劑大多為有機(jī)成分，對(duì)難生物降解和不可生物降解表面活性劑來說，它們絕大部分會(huì)被污泥吸附，隨剩余污泥而排出系統(tǒng)，只有很少部分溶解態(tài)表面活性劑會(huì)隨出水以COD形式排放。因此，應(yīng)該關(guān)注的是可生物降解表面活性劑，然而即使是可生物降解表面活性劑，其在生物處理過程中能真正實(shí)現(xiàn)降解也并非易事，不但會(huì)造成能耗與成本增加，而且降解在很多情況也只是母體降解表象，代謝中間產(chǎn)物的毒性甚至可能會(huì)比母體還高。

　　1. 表面活性劑對(duì)污水處理過程的影響

　　表面活性劑進(jìn)入污水后，在污水生物處理過程中會(huì)對(duì)曝氣、生物反應(yīng)等產(chǎn)生負(fù)面影響，且濃度越高影響越大。表面活性劑對(duì)污水生物處理過程產(chǎn)生負(fù)面影響主要體現(xiàn)在三方面：氧傳質(zhì)、污泥絮體、微生物抑制。

　　1.1

　　降低氧傳質(zhì)效率

　　傳統(tǒng)觀點(diǎn)：表面活性劑是微溶有機(jī)大分子物質(zhì)，具有強(qiáng)親水端和強(qiáng)疏水脂肪族/芳香端。曝氣過程中，疏水端吸附在氣液界面，而親水端則延伸至本體溶液中，形成有序分子單層。分子單層結(jié)構(gòu)會(huì)施加阻塞效應(yīng)，增加界面粘度，會(huì)降低空氣與液相之間的氧傳質(zhì)效率。但也有相佐研究，稱表面活性劑分子晶格結(jié)構(gòu)會(huì)阻礙氫鍵作用力，導(dǎo)致氣泡體積變小，進(jìn)而降低表面張力，使氣泡均勻分布于氣-液界面，致使液相含氣率提高，即，可改善氧傳質(zhì)。綜合兩種相佐作用，前者對(duì)液體傳質(zhì)的負(fù)面效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后者，最終表現(xiàn)為降低氧傳質(zhì)效率。

　　新穎觀點(diǎn)：較低濃度表面活性劑存在時(shí)高濃度表面活性劑存在情況下，表觀粘度（μapp）與細(xì)胞碎片增加很可能是OTE降低的原因，OTE可能會(huì)因生物降解表面活性劑或生物降解其裂解的EPS，從而加快氧傳質(zhì)效率，污泥氧轉(zhuǎn)移性能主要取決于污泥形態(tài)參數(shù)，如，MLSS，SV30，絮體直徑和μapp等，而與進(jìn)水表面活性劑關(guān)系不大。

　　1.2

　　破壞污泥絮體

　　污泥絮體與表面活性劑結(jié)合會(huì)影響絮體形態(tài)，導(dǎo)致絮體中結(jié)合松散的EPS（LB-EPS）破裂，進(jìn)而影響緊密的EPS（TB-EPS）、甚至細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

　　1.3

　　抑制微生物活性

　　表面活性劑對(duì)污水處理涉及微生物影響包括幾個(gè)方面：1）低濃度時(shí)可用作碳源，一定程度可助厭氧釋磷或反硝化，而高濃度表面活性劑則會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生毒性作用；2）對(duì)微生物細(xì)胞膜等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用，而對(duì)膜電位影響可能改變代謝控制，甚至可能與細(xì)胞膜物質(zhì)直接作用，導(dǎo)致細(xì)胞膜溶解，進(jìn)而影響優(yōu)勢(shì)菌屬類別以及菌屬相對(duì)豐度；3）通過靜電或疏水相互作用與酶蛋白催化殘基結(jié)合，導(dǎo)致酶活性降低；4）表面活性劑作為一種活性基團(tuán)，可與基質(zhì)大分子（淀粉、蛋白質(zhì)、肽和DNA等）結(jié)合，嚴(yán)重時(shí)它們會(huì)直接插入各種細(xì)胞結(jié)構(gòu)片段（如，細(xì)胞膜磷脂雙分子層），進(jìn)而導(dǎo)致功能失調(diào)。

　　2. 對(duì)污泥處理的影響與潛在利用

　　2.1

　　污泥脫水預(yù)處理

　　表面活性劑具有和聚丙烯酰胺類似功能，可以用作脫水助劑，能大幅度降低濾餅水分含量。具體來說，表面活性劑親水基團(tuán)會(huì)與蛋白質(zhì)結(jié)合，從而損害生物膜功能性和完整性；而疏水基團(tuán)與脂質(zhì)結(jié)合，可導(dǎo)致膜液化、損害其屏障特性。與此同時(shí)，表面活性劑攜帶的電荷效應(yīng)會(huì)在一定程度上中和污泥表面電荷，降低污泥之間靜電斥力，使污泥絮體變得松散；表面活性劑也會(huì)增加細(xì)胞疏水性，促進(jìn)細(xì)胞與細(xì)胞之間的相互作用，進(jìn)一步誘導(dǎo)污泥絮體從親水性液相中脫出，從而提高沉降速率和脫水性能。

　　2.2

　　厭氧消化

　　2.2.1 促進(jìn)水解酸化

　　表面活性劑可以促進(jìn)污泥水解，其作用機(jī)理包括：1）增溶；2）酶釋放。表面活性劑通過降低表面張力或形成膠束來增強(qiáng)顆粒的溶解度，引起污泥物質(zhì)分解，特別是EPS，會(huì)釋放更多蛋白質(zhì)和碳水化合物，表現(xiàn)為聚集態(tài)大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為小分子或溶解態(tài)物質(zhì)，增加厭氧消化產(chǎn)甲烷階段可利用的底物濃度。另一方面，酶和EPS之間由于存在靜電相互作用，形成穩(wěn)定的EPS-酶復(fù)合物，EPS釋放也意味著水解酶可以從污泥中釋放出來，從而提高了水解效率。

　　表面活性劑對(duì)污泥水解影響機(jī)理（來自原文）

　　2.2.2 抑制產(chǎn)甲烷

　　厭氧消化系統(tǒng)中表面活性劑抑制產(chǎn)甲烷可能與兩個(gè)原因密切相關(guān)：1）直接抑制產(chǎn)甲烷，阻斷轉(zhuǎn)化途徑；2）抑制產(chǎn)甲烷菌群，破壞不同厭氧種群之間存在的共營(yíng)養(yǎng)關(guān)系，導(dǎo)致系統(tǒng)失衡。

　　2.3

　　污泥資源化

　　剩余污泥EPS具有高值回收潛力，而表面活性劑有助于EPS與細(xì)胞分離，在EPS提取與回收中發(fā)揮“事半功倍”的效果，其機(jī)理主要是表面活性劑參與能部分剝離蛋白質(zhì)四級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)EPS分離提取。表面活性劑不僅可實(shí)現(xiàn)物質(zhì)分離，也可以實(shí)現(xiàn)提取物質(zhì)增產(chǎn)。添加表面活性劑后EPS粒徑明顯減小，意味著表面活性劑可能僅僅是整體提高了EPS溶出或溶解過程而提高了EPS產(chǎn)量。不同表面活性劑種類提高效果不同，這表明表面活性劑因自身結(jié)構(gòu)不同亦會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的增產(chǎn)機(jī)理。

　　原文發(fā)表于《環(huán)境工程學(xué)報(bào)》：郝曉地, 楊振理, 李季. 疫情背景下污水中的表面活性劑對(duì)污水處理效果的影響與機(jī)理[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2021, 15 (06): 1831-1839.

編輯：王媛媛