三級污水處理廠逐步去除微垃圾的研究

摘 要：污水處理廠可以減少環境中的微垃圾和微塑料的點源輸入。為了評價污水處理廠的微垃圾去除情況，本文對機械處理、化學處理、生物處理和生物活性過濾器處理技術的垃圾去除情況進行分析。結果表明：大部分微垃圾在預處理過程中已被去除，活性污泥處理進一步降低了微垃圾濃度。污水經二次處理后，總截留率達到99%以上。

關鍵詞：污水處理廠；微垃圾；微塑料；廢水；污泥

中圖分類號：X 52" 文獻標志碼：A

垃圾處理已成為全球水生環境中的一個嚴重問題。微垃圾，尤其是其子類型-微塑料，受到了很大關注[1]。垃圾包括初級顆粒和次級顆粒。初級顆粒是有意制造的微觀顆粒，例如去角質乳液和紡織纖維中的微珠，而次級顆粒是由較大顆粒破碎而成的[2-3]。海洋環境中的垃圾有水生來源和和陸基來源。陸地污染源包括公眾亂扔垃圾、管理不善的垃圾填埋場、河流運輸、雨水和未經處理的城市污水等[4]。

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

本文通過調查一個大型高級污水處理廠在不同處理步驟中去除微垃圾的詳細數據，評價處理過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其去除率的影響。提出易于使用的污水處理廠監測方案。

1 材料與方法

1.1 所選污水處理廠概述

某污水處理廠，處理規模為55萬m3/d，總用地面積為38.92hm2，總服務面積為273km2，服務人口300萬人。污水處理廠的處理過程以活性污泥法為基礎，包括預處理、化學處理和生物處理等多個處理步驟。該污水處理廠在處理過程中有機物（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%。

預處理包括粗篩（10mm）、除砂、化學處理和初級沉淀。為了去除磷，在除砂過程中添加硫酸亞鐵。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和氮。活性污泥工藝包括曝氣池和二級澄清池。該工藝的水力停留時間約為25h，污泥停留時間為6天～12天。大部分活性污泥從二級澄清池作為回流活性污泥進入曝氣池，但也有部分活性污泥通過工藝去除。多余的污泥返回到初級沉淀，并與原污泥一起進行污泥處理。在生物活性過濾器（BAF）三級處理工藝中，氮的去除率進一步提高。在BAF過程中，廢水流經緊密堆積的聚苯乙烯珠，消耗了有機物質和磷，并將硝酸鹽轉換為氮氣。

污水處理廠也有固體處理。污泥中的有機物經厭氧消化產生沼氣，并連續用于工廠自身的能源消耗。消化后，污泥用離心機脫水。當對污泥進行脫水處理時，用化學絮凝劑聚丙烯酰胺（PAM）進行調節。PAM通過增加污泥顆粒聚集成更大的顆粒群，在脫水過程中釋放水。脫水產生廢水，通過沉淀池開始進行廢水處理。在堆肥場進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，分別為隨機取樣（某一時間的一次取樣）、24h綜合取樣和24h連續取樣。3種取樣對應時間見表1。

1.2.1 采集廢水和污泥的樣本

在水處理過程中，從每個采樣點采集廢水的抓取樣。每種樣品類型連續取3次。取樣的方法是用電泵將廢水（深度為1m）抽到指定的過濾器上。使用微塑料采樣設計的過濾裝置，濾網尺寸分別為300μm、100μm和20μm。用連接在泵上的流量計測量每個樣品的體積。過濾水的體積取決于水質和過濾器的大小。由于水質不同，因此重復樣品的體積也不同。不同樣本的詳細情況見表2。為了防止采樣過程中受到污染，在采樣前都用自來水沖洗設備。

1.2.2 綜合取樣

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

1.2.3 連續取樣

用自動取樣器同時對進水和出水進行取樣。取樣器每隔1h采樣24次。采樣后，將3個樣本集中在一起，每次采樣8個樣本。為避免污染，取樣前要仔細清洗瓶子和取樣器。以自來水樣本作為對照組。

1.3 微垃圾分析

1.3.1 體視顯微鏡分析

將所有過濾后的樣品儲存在干凈的培養皿中。使用體視顯微鏡對樣品進行目測。對顆粒進行計數，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特性，以排除柔軟、容易分解的有機物質。

1.3.2 微垃圾的物質鑒定

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成分。抽取3份污水樣本進行分析，共746個顆粒被納入分析。在立體顯微鏡下，用細尖鑷子將顆粒從過濾器中手工分類，并用蒸餾水仔細沖洗，以去除附著在上面的有機物。用FTIRi對每個樣品進行拍照，并從照片中識別顆粒。

1.3.3 數據分析

對微垃圾的去除率進行比較，采用方差分析（ANOVA）進行統計分析。

對微垃圾進行平衡分析，將廢水處理過程的微垃圾平均濃度與相應的平均流量相乘，即可計算平均微垃圾流量。計算過程如公式（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、廢水或污泥中測得的平均微垃圾濃度，mg/L。

2 結果與討論

2.1 隨機取樣結果

在隨機取樣過程中，不同位置取樣的樣本平均微垃圾濃度見表4?？梢钥闯?，在機械和化學預處理階段，大部分微垃圾顆粒（97.3%～98.6%）已經被去除。

預處理期間，3次采樣中微垃圾濃度均顯著下降。污水處理廠的預處理包括篩分、除砂和化學強化初級沉淀。處理的目的是去除廢水中的砂礫、顆粒物質以及磷酸鹽和膠體物質。在進水中，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。

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

利用生物活性過濾器（BAF）進行三級處理，并沒有降低微垃圾濃度。經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。

為了評價污水處理廠的微垃圾平衡，對一個采樣日（2022.9.17）的剩余污泥、干污泥和污水進行了分析。微垃圾參數見表5。

從表4和表5可以看出，總平衡和預處理平衡的誤差總和約為進水負荷的20%。這表明在水和固體的不同部分對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程的重要內部來源。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 綜合取樣結果

采用24h綜合采樣法，研究一天內廢水處理過程中微垃圾的平均濃度和去除情況。采樣周內進行3次采樣，24h綜合樣本的微垃圾濃度見表6。可以看出，不同取樣點中微垃圾去除趨勢與抓取取樣結果吻合較好。每升廢水中微垃圾含量也在同一范圍內。

2.3 連續取樣結果

采用24h連續采樣法，進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?？梢钥闯?，夜間（22：00—7：00）微垃圾濃度通常較低，進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與家庭日間活動一致，家庭活動對進入污水處理廠的微垃圾數量有影響。當評估隨排放污水進入和離開污水處理廠的微垃圾總量時，必須考慮微垃圾濃度的日間變化。

2.4 微垃圾分析結果

2.4.1 體視顯微鏡分析結果

時間與轉速關系曲線，時間與效率關系曲線如圖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中存在差異。預處理對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。

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

2.4.2 材料鑒定結果

分析廢水中的微塑料時，已經測試了一些化學處理方法，以去除樣品中的生物物質。但是，如果檢測中含有天然材料，例如棉紡織纖維，那么化學處理會損害材料并使分析復雜化。

利用FTIRi對廢水樣本進行了分析，共發現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，而且本質上是有機的，因此不會對環境造成危害。但是天然纖維能吸收周圍水中的污染物，成為有害物質的載體，與合成纖維相比，降解快會導致化學物質更快地釋放到周圍環境中。因此，當評價污水處理廠作為微垃圾點源的作用時，將天然纖維納入考慮范圍。

除了纖維之外，廢水中含有大量無法識別的微垃圾和微塑料顆粒，在材料分析前很難估計其可能的成分。這些顆粒可能是由較大的垃圾破碎產生的次級微粒，也可能是來源不明的原生微粒。

2.4.3 水生環境中的微垃圾來源

污水處理廠的微垃圾和微塑料流出參數見表7?？梢钥闯?，隨污水進入海洋環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。

這些結果表明，大量廢水不斷向水生環境排放，因此二級甚至三級污水處理廠可能成為微垃圾和微塑料的重要來源。

3 結論

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

3.9mg/L的微垃圾顆粒，微垃圾濃度并沒有降低。BAF在去除微垃圾方面效果不好。2）微垃圾平衡證實了本文的采樣和分析方法的適用性，進入工廠的微垃圾中有0.1%最終進入污水中，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%。在預處理過程中，大部分纖維已經被去除。對廢水樣本進行分析發現，占比最高的纖維是棉（44%）和滌綸（33%）。4）隨污水進入海洋環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。即三級污水處理廠也可能成為微垃圾和微塑料的重要來源。

參考文獻

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