摘 要：污水處理廠可以減少環(huán)境中的微垃圾和微塑料的點(diǎn)源輸入。為了評(píng)價(jià)污水處理廠的微垃圾去除情況，本文對(duì)機(jī)械處理、化學(xué)處理、生物處理和生物活性過(guò)濾器處理技術(shù)的垃圾去除情況進(jìn)行分析。結(jié)果表明：大部分微垃圾在預(yù)處理過(guò)程中已被去除，活性污泥處理進(jìn)一步降低了微垃圾濃度。污水經(jīng)二次處理后，總截留率達(dá)到99%以上。

關(guān)鍵詞：污水處理廠；微垃圾；微塑料；廢水；污泥

中圖分類(lèi)號(hào)：X 52" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

垃圾處理已成為全球水生環(huán)境中的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。微垃圾，尤其是其子類(lèi)型-微塑料，受到了很大關(guān)注[1]。垃圾包括初級(jí)顆粒和次級(jí)顆粒。初級(jí)顆粒是有意制造的微觀顆粒，例如去角質(zhì)乳液和紡織纖維中的微珠，而次級(jí)顆粒是由較大顆粒破碎而成的[2-3]。海洋環(huán)境中的垃圾有水生來(lái)源和和陸基來(lái)源。陸地污染源包括公眾亂扔垃圾、管理不善的垃圾填埋場(chǎng)、河流運(yùn)輸、雨水和未經(jīng)處理的城市污水等[4]。

由于全球范圍內(nèi)不斷有大量廢水排放到水生環(huán)境中，因此污水處理廠作為微垃圾進(jìn)入水生環(huán)境的途徑，有重要作用。污水處理廠可以提供微垃圾輸入環(huán)境的解決方案，但廢水處理過(guò)程中，很少有人關(guān)注微垃圾的實(shí)際去除情況。

本文通過(guò)調(diào)查一個(gè)大型高級(jí)污水處理廠在不同處理步驟中去除微垃圾的詳細(xì)數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)處理過(guò)程中微垃圾的去除和分布情況，研究了不同處理步驟中微垃圾粒徑和形狀對(duì)其去除率的影響。提出易于使用的污水處理廠監(jiān)測(cè)方案。

1 材料與方法

1.1 所選污水處理廠概述

某污水處理廠，處理規(guī)模為55萬(wàn)m3/d，總用地面積為38.92hm2，總服務(wù)面積為273km2，服務(wù)人口300萬(wàn)人。污水處理廠的處理過(guò)程以活性污泥法為基礎(chǔ)，包括預(yù)處理、化學(xué)處理和生物處理等多個(gè)處理步驟。該污水處理廠在處理過(guò)程中有機(jī)物（BOD7）去除率為95%，懸浮物（SS）去除率為98%，總磷的去除率為95%，總氮的去除率為90%。

預(yù)處理包括粗篩（10mm）、除砂、化學(xué)處理和初級(jí)沉淀。為了去除磷，在除砂過(guò)程中添加硫酸亞鐵。在生物處理中，利用活性污泥法去除廢水中的可生物降解物質(zhì)和氮?；钚晕勰喙に嚢ㄆ貧獬睾投?jí)澄清池。該工藝的水力停留時(shí)間約為25h，污泥停留時(shí)間為6天～12天。大部分活性污泥從二級(jí)澄清池作為回流活性污泥進(jìn)入曝氣池，但也有部分活性污泥通過(guò)工藝去除。多余的污泥返回到初級(jí)沉淀，并與原污泥一起進(jìn)行污泥處理。在生物活性過(guò)濾器（BAF）三級(jí)處理工藝中，氮的去除率進(jìn)一步提高。在BAF過(guò)程中，廢水流經(jīng)緊密堆積的聚苯乙烯珠，消耗了有機(jī)物質(zhì)和磷，并將硝酸鹽轉(zhuǎn)換為氮?dú)狻?/p>

污水處理廠也有固體處理。污泥中的有機(jī)物經(jīng)厭氧消化產(chǎn)生沼氣，并連續(xù)用于工廠自身的能源消耗。消化后，污泥用離心機(jī)脫水。當(dāng)對(duì)污泥進(jìn)行脫水處理時(shí)，用化學(xué)絮凝劑聚丙烯酰胺（PAM）進(jìn)行調(diào)節(jié)。PAM通過(guò)增加污泥顆粒聚集成更大的顆粒群，在脫水過(guò)程中釋放水。脫水產(chǎn)生廢水，通過(guò)沉淀池開(kāi)始進(jìn)行廢水處理。在堆肥場(chǎng)進(jìn)一步處理干燥后的污泥，并用于綠色建筑。

1.2 取樣方法

取樣時(shí)間為2022年9月15日—9月21日，共7天，采用3種不同的取樣方法，分別為隨機(jī)取樣（某一時(shí)間的一次取樣）、24h綜合取樣和24h連續(xù)取樣。3種取樣對(duì)應(yīng)時(shí)間見(jiàn)表1。

1.2.1 采集廢水和污泥的樣本

在水處理過(guò)程中，從每個(gè)采樣點(diǎn)采集廢水的抓取樣。每種樣品類(lèi)型連續(xù)取3次。取樣的方法是用電泵將廢水（深度為1m）抽到指定的過(guò)濾器上。使用微塑料采樣設(shè)計(jì)的過(guò)濾裝置，濾網(wǎng)尺寸分別為300μm、100μm和20μm。用連接在泵上的流量計(jì)測(cè)量每個(gè)樣品的體積。過(guò)濾水的體積取決于水質(zhì)和過(guò)濾器的大小。由于水質(zhì)不同，因此重復(fù)樣品的體積也不同。不同樣本的詳細(xì)情況見(jiàn)表2。為了防止采樣過(guò)程中受到污染，在采樣前都用自來(lái)水沖洗設(shè)備。

1.2.2 綜合取樣

在水處理各點(diǎn)采集24h綜合樣品（表3）。每個(gè)采樣位置的綜合采樣器在24h內(nèi)每隔15min定期取樣，按流量比例進(jìn)行離散采樣。樣本放置在冰箱中的塑料容器內(nèi)。采樣前要仔細(xì)清潔容器和冰箱，以避免灰塵污染。用量杯將樣品倒入過(guò)濾裝置中。一周內(nèi)進(jìn)行3次抽樣。為了評(píng)估可能存在的污染，將自來(lái)水樣本作為對(duì)照組。

1.2.3 連續(xù)取樣

用自動(dòng)取樣器同時(shí)對(duì)進(jìn)水和出水進(jìn)行取樣。取樣器每隔1h采樣24次。采樣后，將3個(gè)樣本集中在一起，每次采樣8個(gè)樣本。為避免污染，取樣前要仔細(xì)清洗瓶子和取樣器。以自來(lái)水樣本作為對(duì)照組。

1.3 微垃圾分析

1.3.1 體視顯微鏡分析

將所有過(guò)濾后的樣品儲(chǔ)存在干凈的培養(yǎng)皿中。使用體視顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行目測(cè)。對(duì)顆粒進(jìn)行計(jì)數(shù)，將其分為纖維、碎片、薄片、薄膜和球體，并記錄顏色。用微鑷子檢查顆粒的形態(tài)特性，以排除柔軟、容易分解的有機(jī)物質(zhì)。

1.3.2 微垃圾的物質(zhì)鑒定

利用成像傅里葉變換紅外光譜儀（FTIRi）分析污水樣品中微垃圾顆粒的化學(xué)成分。抽取3份污水樣本進(jìn)行分析，共746個(gè)顆粒被納入分析。在立體顯微鏡下，用細(xì)尖鑷子將顆粒從過(guò)濾器中手工分類(lèi)，并用蒸餾水仔細(xì)沖洗，以去除附著在上面的有機(jī)物。用FTIRi對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行拍照，并從照片中識(shí)別顆粒。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析

對(duì)微垃圾的去除率進(jìn)行比較，采用方差分析（ANOVA）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

對(duì)微垃圾進(jìn)行平衡分析，將廢水處理過(guò)程的微垃圾平均濃度與相應(yīng)的平均流量相乘，即可計(jì)算平均微垃圾流量。計(jì)算過(guò)程如公式（1）所示。

ML=Q×C " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中：ML為平均微垃圾流量，mg/d；Q為污水、廢水或污泥的平均流量，L/d；C是在污水、廢水或污泥中測(cè)得的平均微垃圾濃度，mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 隨機(jī)取樣結(jié)果

在隨機(jī)取樣過(guò)程中，不同位置取樣的樣本平均微垃圾濃度見(jiàn)表4。可以看出，在機(jī)械和化學(xué)預(yù)處理階段，大部分微垃圾顆粒（97.3%～98.6%）已經(jīng)被去除。

預(yù)處理期間，3次采樣中微垃圾濃度均顯著下降。污水處理廠的預(yù)處理包括篩分、除砂和化學(xué)強(qiáng)化初級(jí)沉淀。處理的目的是去除廢水中的砂礫、顆粒物質(zhì)以及磷酸鹽和膠體物質(zhì)。在進(jìn)水中，大部分微垃圾顆?？赡芨街谏暗[和較大顆粒上，并隨其一起從廢水中去除。

在活性污泥處理過(guò)程中，微垃圾濃度繼續(xù)顯著下降（80.0%～92.6%）。在處理過(guò)程中，微垃圾顆粒與絮凝體混合，在二次沉淀過(guò)程中沉淀到污泥中。然而，微垃圾中的一小部分仍會(huì)進(jìn)入出水口。

利用生物活性過(guò)濾器（BAF）進(jìn)行三級(jí)處理，并沒(méi)有降低微垃圾濃度。經(jīng)BAF處理后，排出的污水中濃度為0.8mg/L～

3.9mg/L。因此，BAF在去除微垃圾方面效果不好。

為了評(píng)價(jià)污水處理廠的微垃圾平衡，對(duì)一個(gè)采樣日（2022.9.17）的剩余污泥、干污泥和污水進(jìn)行了分析。微垃圾參數(shù)見(jiàn)表5。

從表4和表5可以看出，總平衡和預(yù)處理平衡的誤差總和約為進(jìn)水負(fù)荷的20%。這表明在水和固體的不同部分對(duì)微垃圾取樣和分析是正確的。平衡分析表明，廢水是微垃圾顆粒返回過(guò)程的重要內(nèi)部來(lái)源。從工藝中去除的微垃圾中約有20%回流到廢水中，剩余80%的微垃圾處理至干燥污泥中。

2.2 綜合取樣結(jié)果

采用24h綜合采樣法，研究一天內(nèi)廢水處理過(guò)程中微垃圾的平均濃度和去除情況。采樣周內(nèi)進(jìn)行3次采樣，24h綜合樣本的微垃圾濃度見(jiàn)表6。可以看出，不同取樣點(diǎn)中微垃圾去除趨勢(shì)與抓取取樣結(jié)果吻合較好。每升廢水中微垃圾含量也在同一范圍內(nèi)。

2.3 連續(xù)取樣結(jié)果

采用24h連續(xù)采樣法，進(jìn)水口和出水口中微垃圾濃度在24h的變化如圖1和圖2所示。可以看出，夜間（22：00—7：00）微垃圾濃度通常較低，進(jìn)水口和出水口的平均濃度分別為476.7mg/L和0.8mg/L。白天微垃圾濃度最低的時(shí)段是13：00—16：00，傍晚微垃圾濃度逐漸升高。

微垃圾濃度的變化趨勢(shì)與家庭日間活動(dòng)一致，家庭活動(dòng)對(duì)進(jìn)入污水處理廠的微垃圾數(shù)量有影響。當(dāng)評(píng)估隨排放污水進(jìn)入和離開(kāi)污水處理廠的微垃圾總量時(shí)，必須考慮微垃圾濃度的日間變化。

2.4 微垃圾分析結(jié)果

2.4.1 體視顯微鏡分析結(jié)果

時(shí)間與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線，時(shí)間與效率關(guān)系曲線如圖3所示，可以看出，不同粒徑微垃圾所占比例在不同的取樣點(diǎn)中存在差異。預(yù)處理對(duì)微垃圾粒徑分布的影響最大，能有效去除較大粒徑的組分（≥300μm和100μm～300μm），因此，最小粒徑（20μm～100μm）的顆粒保留最多。

不同取樣點(diǎn)不同形態(tài)微垃圾所占比例如圖4所示，可以看出，在凈化過(guò)程中，顆粒形態(tài)的比例也發(fā)生了變化。在進(jìn)水口中，纖維約占總微垃圾顆粒的70%，而在出水口中僅占30%。在預(yù)處理過(guò)程中，大部分纖維已經(jīng)被去除。在進(jìn)水口中，紡織纖維很容易附著在砂礫和其他較大的有機(jī)廢物上，并在初級(jí)沉淀過(guò)程中沉淀到污泥中。碎片的比例在處理過(guò)程中逐漸增加，各處理相中薄片的相對(duì)比例基本相同。

2.4.2 材料鑒定結(jié)果

分析廢水中的微塑料時(shí)，已經(jīng)測(cè)試了一些化學(xué)處理方法，以去除樣品中的生物物質(zhì)。但是，如果檢測(cè)中含有天然材料，例如棉紡織纖維，那么化學(xué)處理會(huì)損害材料并使分析復(fù)雜化。

利用FTIRi對(duì)廢水樣本進(jìn)行了分析，共發(fā)現(xiàn)96種纖維。不同纖維在廢水樣本中所占比例如圖5所示?？梢钥闯?，占比最高的纖維是棉（44%）和滌綸（33%）。66%的纖維是棉、麻或羊毛等天然纖維。通常，天然纖維降解速度更快，而且本質(zhì)上是有機(jī)的，因此不會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。但是天然纖維能吸收周?chē)械奈廴疚铮蔀橛泻ξ镔|(zhì)的載體，與合成纖維相比，降解快會(huì)導(dǎo)致化學(xué)物質(zhì)更快地釋放到周?chē)h(huán)境中。因此，當(dāng)評(píng)價(jià)污水處理廠作為微垃圾點(diǎn)源的作用時(shí)，將天然纖維納入考慮范圍。

除了纖維之外，廢水中含有大量無(wú)法識(shí)別的微垃圾和微塑料顆粒，在材料分析前很難估計(jì)其可能的成分。這些顆?？赡苁怯奢^大的垃圾破碎產(chǎn)生的次級(jí)微粒，也可能是來(lái)源不明的原生微粒。

2.4.3 水生環(huán)境中的微垃圾來(lái)源

污水處理廠的微垃圾和微塑料流出參數(shù)見(jiàn)表7?？梢钥闯?，隨污水進(jìn)入海洋環(huán)境的微垃圾流量在每天2.41×108mg/d～8.11×108mg/d，微塑料流量在每天4.75×106mg/d～1.50×108mg/d。

這些結(jié)果表明，大量廢水不斷向水生環(huán)境排放，因此二級(jí)甚至三級(jí)污水處理廠可能成為微垃圾和微塑料的重要來(lái)源。

3 結(jié)論

本文研究了三級(jí)污水處理廠逐步去除微垃圾的詳細(xì)信息，得到以下結(jié)論。1）在預(yù)處理階段，97.3%～98.6%的微垃圾被去除。在活性污泥處理過(guò)程中，微垃圾濃度繼續(xù)下降（80.0%～92.6%）。三級(jí)處理后排出的污水中有0.8mg/L～

3.9mg/L的微垃圾顆粒，微垃圾濃度并沒(méi)有降低。BAF在去除微垃圾方面效果不好。2）微垃圾平衡證實(shí)了本文的采樣和分析方法的適用性，進(jìn)入工廠的微垃圾中有0.1%最終進(jìn)入污水中，其余的隨污泥一起被去除。去除污泥中20%的微垃圾隨污水返回工藝。3）在進(jìn)水口中，纖維約占總微垃圾顆粒的70%，而在出水口中僅占30%。在預(yù)處理過(guò)程中，大部分纖維已經(jīng)被去除。對(duì)廢水樣本進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，占比最高的纖維是棉（44%）和滌綸（33%）。4）隨污水進(jìn)入海洋環(huán)境的微垃圾流量每天為2.41×108mg/d～8.11×108mg/d，微塑料流量每天為4.75×106mg/d～1.50×108mg/d。即三級(jí)污水處理廠也可能成為微垃圾和微塑料的重要來(lái)源。

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