微塑料对膜生物反应器性能的关键干扰:从膜污染到污染物去除的多维研究

文摘   2025-01-22 18:02   新加坡  

📖 背景概述


微塑料(Microplastics, MPs),一种粒径在1 μm至5 mm之间的塑料碎片,因其耐化学稳定性和吸附污染物的能力,被认为是新型污染物。**膜生物反应器(Membrane Bioreactor, MBR)**因其优异的过滤性能被广泛应用于废水处理中,但微塑料对MBR系统运行效率的影响仍不明确。

关键问题:

  1. 微塑料浓度和粒径对MBR短期压力与长期积累的影响如何?
  2. 微塑料是否会加速膜污染并影响微生物群落结构?
  3. 如何有效控制微塑料对MBR运行效率的潜在负面影响?

🎯 研究目标

  1. 探讨不同粒径和浓度的聚丙烯微塑料(PP-MPs)对MBR系统污染物去除效率、生物活性和膜污染的影响;
  2. 分析微塑料对MBR系统中微生物群落结构和多样性的短期与长期作用;
  3. 为废水处理系统的优化设计提供科学依据,探索针对微塑料污染的工程解决方案。

🔍 核心科学问题

1️⃣ 微塑料对污染物去除效率的影响

研究发现:

  • 低浓度(0.02 g/L)PP-MPs
    在短期内促进了MBR系统的生物活性,提高COD和NH₄⁺-N去除率;
  • 随着浓度(0.2–2.0 g/L)和时间增加,微塑料表现出毒性抑制效应,降低了COD和NH₄⁺-N的去除率。

图示解读

  • 图1a与1b
    :低浓度阶段(Stage II)COD去除率有所提升,而高浓度阶段(Stage IV)NH₄⁺-N去除率显著下降。

2️⃣ 微塑料对MBR系统生物活性的影响

研究亮点:

  • 微塑料的粒径和浓度对生物活性(DHA与LDH)的影响显著:
    • 小粒径PP-MPs(10 μm)在高浓度阶段对生物膜和细胞完整性造成更大破坏;
    • 大粒径PP-MPs(200 μm)因其动态冲刷作用,对膜污染的抑制效应更明显。

图示解读

  • 图3a与3b
    :小粒径PP-MPs引发的LDH增加显著,表明对细胞膜的破坏更严重。

3️⃣ 微塑料对膜污染的加速作用

关键发现:

  • PP-MPs通过促进EPS(胞外聚合物)分泌,显著加速了膜污染;
  • 小粒径PP-MPs更容易沉积在膜表面,导致膜污染严重。

机制解析

  • EPS中蛋白质与多糖的比例(PN/PS比)显著增加,增强了污泥的疏水性和粘附性,加剧了膜污染。

图示解读

  • 图4c与图5
    :小粒径PP-MPs的膜污染表面更平滑致密,而大粒径PP-MPs则表现出膜表面较大的冲刷痕迹。

4️⃣ 微塑料对微生物群落的动态影响

多样性变化:

  • 低浓度阶段
    :促进了微生物群落的多样性和丰富度;
  • 高浓度阶段
    :小粒径PP-MPs导致Proteobacteria丰度显著降低,Bacteroidota丰度升高,与EPS蛋白质分泌增加密切相关。

图示解读

  • 图7a与7b
    :小粒径PP-MPs引起的微生物群落变化更显著,可能加速了膜污染物的累积。

🚀 应对微塑料挑战的未来方向

1️⃣ 技术优化

  • 增加曝气强度
    :通过加强膜表面冲刷作用缓解膜污染;
  • 膜材料改性
    :采用高亲水性膜材料减少微塑料吸附;
  • 预处理优化
    :在膜工艺前端使用盐饱和浮选法去除低密度微塑料。

2️⃣ 微塑料管理策略

  • 来源控制
    :减少食品包装、塑料容器等PP材料的使用;
  • 废水处理工艺集成
    :结合絮凝、过滤与生物处理技术,实现微塑料的高效去除。

3️⃣ 微生物与膜污染协同研究

  • 群体感应与EPS调控
    :深入研究微生物群落对微塑料的响应机制;
  • 抗污染膜开发
    :探索具有自清洁功能的抗污染膜材料。

🔖 结语

本研究系统解析了聚丙烯微塑料对MBR废水处理性能的影响,从污染物去除、生物活性、膜污染和微生物群落等多维度揭示了微塑料的环境影响机理。未来,通过技术优化与源头控制的结合,我们可以更有效地应对微塑料对废水处理系统的挑战,为可持续发展提供科学支持。

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水华、藻菌微生物ARGs;立足基础研究,服务国家重大科技需求、面向瞄准世界学科前沿、多学科交叉、融合创新、实际中来、实践中去;自主研发体系打破国外长期垄断、获得较好社会影响并受到领域内众多学者持续关注和广泛好评;人类命运共同体 全球化治理!
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