微塑料污染已成为一种普遍的环境污染物,渗入水生生态系统、土壤,甚至大气。废水处理厂既是进入环境的微塑料的主要途径,也是潜在的干预点。在各种处理技术中,滤波器——一种典型的生物过滤系统——大量依赖强力和多样化的微生物社区来降解有机污染物。微塑料进入这些系统构成了一种新的威胁,有可能破坏微妙的微生物生态,损害处理性。了解微塑料影响过滤生物过滤器的渗透机制对于优化植物操作和保护下游水质至关重要。

废水中微塑料的来源和特点

微塑料被定义为最长尺寸小于5毫米的塑料颗粒,它们从多种来源进入废水,包括洗衣品合成纺织纤维、个人护理产品(许多管辖区目前禁止但遗留系统仍然存在)的微珠、塑料包装退化的碎片以及路径径穿的轮胎颗粒,典型的WWTP喷发物每立方体可含有数千颗微塑料颗粒,颗粒形状各异(纤维、碎片、薄膜、球体)、聚合物类型(聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酯)以及密度——影响其运输和与生物处理过程相互作用的专利,许多微塑料还携带苯甲酸盐、二苯甲酯、阻燃剂或来自废水的固醇有机污染物和重金属,作为有毒化合物的媒介。

微波滤镜微波社区

浸泡滤波器由固定的介质(岩石、塑料或渣)组成,其上分布着废水;在介质表面发展出复杂的生物滤波器,由细菌、古细菌、真菌、原生动物组成,偶尔是小元动物;生物滤波器分层,表面附近有氧层,内部有抗氧或厌氧区;主要功能组别包括氧化有机碳的异体、硝化细菌(氨氧化细菌和硝酸盐氧化细菌)和更深层的脱硝剂;生物滤波器的结构——它的厚度、孔隙度和细胞外聚合物基质——对质量转移和抗剪切作用至关重要;社区内的微生物多样性和冗余性提供了抵御环境压力和加载波动的能力。

微塑性对生物膜社区影响的机制

物理干扰和生物膜建筑

微塑性粒子可以物理上嵌入生物膜基质,改变其孔隙,减少氧气和营养物向更深层的传播. 特别是纤维可能缠绕EPS,导致粘结和疏浚. 硬的,不可降解的粒子的存在也能够增加剪切压力,导致生物膜过早分解——特别是在液压暴动期间. 研究表明微塑性积累可以降低生物膜厚度和总生物量,降低滤波器的总体代谢能力.

化学毒性和浸漏液效应

许多微塑料颗粒浸出对微生物有毒的添加剂化学品,例如,磷酸盐和双酚A已被证明抑制了硝化细菌的生长和活性,这些细菌对环境污染物特别敏感,此外,吸附和浓缩废水中的其他污染物,有可能将高剂量的重金属或农药输送到生物膜细胞,这种化学压力会导致酶活性减少和社区成分的改变,有利于抗压但效率较低的物种。

微生物群落结构和功能的改变

接触微塑性物质往往导致微生物多样性的下降,并转向生物膜形成或塑料降解分类,例如,一些研究观察到, Pseudomonas[和Bacillus[物种的相对丰度增加,这些物种已知能产生EPS,并且能够降解某些塑料,而牺牲敏感的硝化物和专门的降解物,这种功能重组会损害硝化和去除顽抗有机化合物等关键处理过程。此外,微塑性物质造成的选择性压力可能减少生物膜的功能冗余,使系统更容易受到进一步干扰。

治疗效率的后果

减少的有机物质清除

生物膜破坏导致的异营养活动损失直接影响到生物化学氧气需求和化学氧气需求(COD)的消除。 试点规模研究显示,与控制相比,在接收微塑料污染的过滤器中,BOD清除效率下降了10-30%。 这可能导致排出量增加,增加后续处理阶段或接收水体的负担。

妨碍硝化和氨气清除

硝化细菌生长缓慢,对有毒物质敏感,使它们成为微塑性相关压力的首要目标。 在实验室规模的生物膜反应堆和全程的滤泡器中都观察到硝化率下降,有时排出物中的氨浓度高达40%。 这损害了工厂满足氮排放许可的能力,迫使操作者增加转录或添加化学物质以补偿。

滑动生产和业务费用增加

微塑料在过滤床的物理积累会助长堵塞,增加回冲频率和能量消耗。 生物膜不稳定还会导致更频繁的疏浚事件,导致固体向二级发酵器加载。 综合效应是维护、能源和污泥处理的操作成本增加。 此外,生物固体中微塑料的存在限制了它们在农业中的有益再利用,从而带来了处置挑战。

病原体和抗生素抗药性病媒

微塑胶可以充当致病菌形成生物膜的底物,并成为横向基因转移的平台,包括抗生素抗药性基因。 这可能会提升废水携带抗生素生物的风险,而这种对废水处理预期会减轻的公众健康担忧日益严重。

缓解和管理战略

源控和预处理

最有效的策略是减少源头的微塑胶投入。 禁止冲洗产品中的微珠、促进天然纤维衣、改善轮胎磨损颗粒的暴风水管理等法规至关重要。 在WWTP中,在头部安装细屏(QQ1mm)或动态过滤系统可以在达到生物处理之前移除相当一部分较大的微塑胶。 一种新兴技术是使用凝固和浮浮化,然后溶解空气浮化(DAF)从物理上去除微塑胶,尽管这些工艺增加了化学和能源成本。

优化粘贴过滤器操作

操作者可以修改微缩滤波器参数以缓解微塑性影响。 提高液压装载率可能有助于冲出积聚的颗粒,但必须与生物滤波器保留量相平衡。 改进预处理以减少固体装载可以将颗粒诱导最小化。 此外,确保足够的溶解氧水平和营养平衡可以支持更健康的生物滤波能力。

生物放大和微生物管理

研究探索利用塑料降解微生物菌株进行生物放大滤波,将微塑性切除成危害较小的副产品。 但是,这一方法仍处于早期阶段,并引发了副产品的毒性和生态影响问题。 另一种途径是通过控制性切除选择微塑性耐微生物群,尽管这可能无法恢复功能上的全部多样性。

监测和预警系统

定期监测渗入物和排出物中的微塑性浓度,结合生物膜健康指标(如ATP含量、呼吸测量或元组学剖析),可以帮助植物操作者及早发现问题。 实时的微塑性传感器或粒子计数传感器可以间接地显示微塑性积累。 开发将微塑性负载与性能下降联系起来的预测模型可以进行主动管理。

未来方向和研究需要

尽管人们的认识不断提高,但知识差距仍然很大,大多数研究是在实验室规模进行的,其微塑料浓度高,可能无法反映现实世界的情况。需要在不同气候和废水成分方面进行长期实地研究。纳米塑料(小于1微米的粒子)在过滤性能中的作用几乎完全没有加以探讨。此外,微塑料、生物膜和原生动物的加拉泽器之间的相互作用,在过滤器-仓储物调查中控制细菌种群。最后,应当对实施微塑料清除技术的经济分析,以及下游环境损害的成本,进行指导投资决定。

结论

微塑料污染对在过滤器中支持废水处理的生物过程构成重大和认识不足的威胁。 通过物理破坏生物膜、运送有毒化学品和改变微生物群落结构,微塑料会损害BOD和氨的清除、增加操作成本,并可能促进抗生素抗药性的传播。 将减少源、改进预处理、操作调整和持续研究结合起来的多方面方法对于保护这些重要处理系统的效率和可持续性至关重要。 随着塑料生产继续上升,废水部门必须适应以保障水质和公共卫生。

进一步阅读,见EPA的微塑性研究[,关于废水处理中微塑性的研究,以及关于微塑性生物膜反应的研究。