疫情背景下污水中的表面活性剂对污水处理效果的影响与机理

　　本期向大家推荐团队发表在《环境工程学报》2021年第6期上的研究综述《疫情背景下污水中的表面活性剂对污水处理效果的影响与机理》。本文综述了新冠疫情背景下，更多表面活性剂进入污水处理厂后，对污水处理过程的负面影响与污水处理厂的应对措施，及其对污泥处理过程产生的积极影响，以期对污水处理厂在疫情背景下的运行措施调整提供参考。

　　01

　　Main points

　　文章亮点

　　1）新冠疫情使人们洗手消毒的频次增加，导致更多的表面活性剂进入污水处理厂。污水经处理后，其中的表面活性剂仅1%随出水外流，约10%～20%则进入剩余污泥。

　　2）尽管污水中表面活性剂的宏观含量并不高，但其特殊两性分子结构会降低氧传质效率、破坏污泥絮体结构，并影响脱氮除磷微生物的活性与丰度。

　　3）在污泥处理方面，表面活性剂会对污泥絮体脱水、解体与增溶产生正面效果，甚至还能促进污泥厌氧消化水解酸化。

　　4）有必要对表面活性剂来源、结构及其迁移转化进行梳理，进一步探明其对污水处理过程的负面影响与污水处理厂的应对措施，以及表面活性剂对污泥处理过程产生的积极影响，以期为污水处理厂在疫情背景下的运行措施调整提供参考。

　　02

　　Introduction

　　内容简介

　　根据表面活性剂基团类型，可将其分为阴离子型、阳离子型、非离子型以及两性离子型，非离子型和阴离子型两类市场使用量最大，分别占比56.1%和36.8%。

　　表面活性剂大多为有机成分，对难生物降解和不可生物降解表面活性剂来说，它们绝大部分会被污泥吸附，随剩余污泥而排出系统，只有很少部分溶解态表面活性剂会随出水以COD形式排放。因此，应该关注的是可生物降解表面活性剂，然而即使是可生物降解表面活性剂，其在生物处理过程中能真正实现降解也并非易事，不但会造成能耗与成本增加，而且降解在很多情况也只是母体降解表象，代谢中间产物的毒性甚至可能会比母体还高。

　　1. 表面活性剂对污水处理过程的影响

　　表面活性剂进入污水后，在污水生物处理过程中会对曝气、生物反应等产生负面影响，且浓度越高影响越大。表面活性剂对污水生物处理过程产生负面影响主要体现在三方面：氧传质、污泥絮体、微生物抑制。

　　1.1

　　降低氧传质效率

　　传统观点：表面活性剂是微溶有机大分子物质，具有强亲水端和强疏水脂肪族/芳香端。曝气过程中，疏水端吸附在气液界面，而亲水端则延伸至本体溶液中，形成有序分子单层。分子单层结构会施加阻塞效应，增加界面粘度，会降低空气与液相之间的氧传质效率。但也有相佐研究，称表面活性剂分子晶格结构会阻碍氢键作用力，导致气泡体积变小，进而降低表面张力，使气泡均匀分布于气-液界面，致使液相含气率提高，即，可改善氧传质。综合两种相佐作用，前者对液体传质的负面效应远远高于后者，最终表现为降低氧传质效率。

　　新颖观点：较低浓度表面活性剂存在时高浓度表面活性剂存在情况下，表观粘度（μapp）与细胞碎片增加很可能是OTE降低的原因，OTE可能会因生物降解表面活性剂或生物降解其裂解的EPS，从而加快氧传质效率，污泥氧转移性能主要取决于污泥形态参数，如，MLSS，SV30，絮体直径和μapp等，而与进水表面活性剂关系不大。

　　1.2

　　破坏污泥絮体

　　污泥絮体与表面活性剂结合会影响絮体形态，导致絮体中结合松散的EPS（LB-EPS）破裂，进而影响紧密的EPS（TB-EPS）、甚至细胞结构。

　　1.3

　　抑制微生物活性

　　表面活性剂对污水处理涉及微生物影响包括几个方面：1）低浓度时可用作碳源，一定程度可助厌氧释磷或反硝化，而高浓度表面活性剂则会对微生物产生毒性作用；2）对微生物细胞膜等结构产生破坏作用，而对膜电位影响可能改变代谢控制，甚至可能与细胞膜物质直接作用，导致细胞膜溶解，进而影响优势菌属类别以及菌属相对丰度；3）通过静电或疏水相互作用与酶蛋白催化残基结合，导致酶活性降低；4）表面活性剂作为一种活性基团，可与基质大分子（淀粉、蛋白质、肽和DNA等）结合，严重时它们会直接插入各种细胞结构片段（如，细胞膜磷脂双分子层），进而导致功能失调。

　　2. 对污泥处理的影响与潜在利用

　　2.1

　　污泥脱水预处理

　　表面活性剂具有和聚丙烯酰胺类似功能，可以用作脱水助剂，能大幅度降低滤饼水分含量。具体来说，表面活性剂亲水基团会与蛋白质结合，从而损害生物膜功能性和完整性；而疏水基团与脂质结合，可导致膜液化、损害其屏障特性。与此同时，表面活性剂携带的电荷效应会在一定程度上中和污泥表面电荷，降低污泥之间静电斥力，使污泥絮体变得松散；表面活性剂也会增加细胞疏水性，促进细胞与细胞之间的相互作用，进一步诱导污泥絮体从亲水性液相中脱出，从而提高沉降速率和脱水性能。

　　2.2

　　厌氧消化

　　2.2.1 促进水解酸化

　　表面活性剂可以促进污泥水解，其作用机理包括：1）增溶；2）酶释放。表面活性剂通过降低表面张力或形成胶束来增强颗粒的溶解度，引起污泥物质分解，特别是EPS，会释放更多蛋白质和碳水化合物，表现为聚集态大分子有机物转化为小分子或溶解态物质，增加厌氧消化产甲烷阶段可利用的底物浓度。另一方面，酶和EPS之间由于存在静电相互作用，形成稳定的EPS-酶复合物，EPS释放也意味着水解酶可以从污泥中释放出来，从而提高了水解效率。

　　表面活性剂对污泥水解影响机理（来自原文）

　　2.2.2 抑制产甲烷

　　厌氧消化系统中表面活性剂抑制产甲烷可能与两个原因密切相关：1）直接抑制产甲烷，阻断转化途径；2）抑制产甲烷菌群，破坏不同厌氧种群之间存在的共营养关系，导致系统失衡。

　　2.3

　　污泥资源化

　　剩余污泥EPS具有高值回收潜力，而表面活性剂有助于EPS与细胞分离，在EPS提取与回收中发挥“事半功倍”的效果，其机理主要是表面活性剂参与能部分剥离蛋白质四级和三级结构，从而实现EPS分离提取。表面活性剂不仅可实现物质分离，也可以实现提取物质增产。添加表面活性剂后EPS粒径明显减小，意味着表面活性剂可能仅仅是整体提高了EPS溶出或溶解过程而提高了EPS产量。不同表面活性剂种类提高效果不同，这表明表面活性剂因自身结构不同亦会产生独特的增产机理。

　　原文发表于《环境工程学报》：郝晓地, 杨振理, 李季. 疫情背景下污水中的表面活性剂对污水处理效果的影响与机理[J]. 环境工程学报, 2021, 15 (06): 1831-1839.

编辑：王媛媛