疫情背景下污水中的表面活性劑對污水處理效果的影響與機理

　　本期向大家推薦團隊發(fā)表在《環(huán)境工程學(xué)報》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污水處理效果的影響與機理》。本文綜述了新冠疫情背景下，更多表面活性劑進入污水處理廠后，對污水處理過程的負面影響與污水處理廠的應(yīng)對措施，及其對污泥處理過程產(chǎn)生的積極影響，以期對污水處理廠在疫情背景下的運行措施調(diào)整提供參考。

　　01

　　Main points

　　文章亮點

　　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，表面活性劑會對污泥絮體脫水、解體與增溶產(chǎn)生正面效果，甚至還能促進污泥厭氧消化水解酸化。

　　4）有必要對表面活性劑來源、結(jié)構(gòu)及其遷移轉(zhuǎn)化進行梳理，進一步探明其對污水處理過程的負面影響與污水處理廠的應(yīng)對措施，以及表面活性劑對污泥處理過程產(chǎn)生的積極影響，以期為污水處理廠在疫情背景下的運行措施調(diào)整提供參考。

　　02

　　Introduction

　　內(nèi)容簡介

　　根據(jù)表面活性劑基團類型，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使用量最大，分別占比56.1%和36.8%。

　　表面活性劑大多為有機成分，對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現(xiàn)降解也并非易事，不但會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比母體還高。

　　1. 表面活性劑對污水處理過程的影響

　　表面活性劑進入污水后，在污水生物處理過程中會對曝氣、生物反應(yīng)等產(chǎn)生負面影響，且濃度越高影響越大。表面活性劑對污水生物處理過程產(chǎn)生負面影響主要體現(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：表面活性劑是微溶有機大分子物質(zhì)，具有強親水端和強疏水脂肪族/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)會施加阻塞效應(yīng)，增加界面粘度，會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)會阻礙氫鍵作用力，導(dǎo)致氣泡體積變小，進而降低表面張力，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，前者對液體傳質(zhì)的負面效應(yīng)遠遠高于后者，最終表現(xiàn)為降低氧傳質(zhì)效率。

　　新穎觀點：較低濃度表面活性劑存在時高濃度表面活性劑存在情況下，表觀粘度（μapp）與細胞碎片增加很可能是OTE降低的原因，OTE可能會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，進而影響緊密的EPS（TB-EPS）、甚至細胞結(jié)構(gòu)。

　　1.3

　　抑制微生物活性

　　表面活性劑對污水處理涉及微生物影響包括幾個方面：1）低濃度時可用作碳源，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對微生物產(chǎn)生毒性作用；2）對微生物細胞膜等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用，而對膜電位影響可能改變代謝控制，甚至可能與細胞膜物質(zhì)直接作用，導(dǎo)致細胞膜溶解，進而影響優(yōu)勢菌屬類別以及菌屬相對豐度；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，可與基質(zhì)大分子（淀粉、蛋白質(zhì)、肽和DNA等）結(jié)合，嚴重時它們會直接插入各種細胞結(jié)構(gòu)片段（如，細胞膜磷脂雙分子層），進而導(dǎo)致功能失調(diào)。

　　2. 對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會與蛋白質(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，表面活性劑攜帶的電荷效應(yīng)會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；表面活性劑也會增加細胞疏水性，促進細胞與細胞之間的相互作用，進一步誘導(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 促進水解酸化

　　表面活性劑可以促進污泥水解，其作用機理包括：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顆粒的溶解度，引起污泥物質(zhì)分解，特別是EPS，會釋放更多蛋白質(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。

　　表面活性劑對污泥水解影響機理（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與細胞分離，在EPS提取與回收中發(fā)揮“事半功倍”的效果，其機理主要是表面活性劑參與能部分剝離蛋白質(zhì)四級和三級結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)EPS分離提取。表面活性劑不僅可實現(xiàn)物質(zhì)分離，也可以實現(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)不同亦會產(chǎn)生獨特的增產(chǎn)機理。

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

編輯：王媛媛