活性炭在廢水中去除微塑料

　　水生環(huán)境中的微塑料受到越來(lái)越多的關(guān)注，污水處理廠的排放是微塑料進(jìn)入環(huán)境的重要途徑。根據(jù)一些產(chǎn)品的工藝要求，可以將聚合物與不同的添加劑混合以增強(qiáng)其性能。這些包括增塑劑，抗氧化劑，阻燃劑，紫外線穩(wěn)定劑，潤(rùn)滑劑和著色劑，以定制塑料的特性(例如，柔韌性，強(qiáng)度，耐熱性，電絕緣性等)。在制造過(guò)程中以及在環(huán)境調(diào)查中收集的微塑料碎片中發(fā)現(xiàn)的最常見(jiàn)的添加劑是鄰苯二甲酸鹽，雙酚A，多溴聯(lián)苯醚和壬基酚。在這次研究中，我們使用可熱再生的顆粒活性炭在活性炭塔中研究了微塑料的處理和材料特定的特性。

　　雖然廢水處理技術(shù)已經(jīng)很成熟了，但是還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)來(lái)控制微塑料等微量污染物。與傳統(tǒng)的污水處理廠工藝相比，某些第三級(jí)技術(shù)(例如膜生物反應(yīng)器的微濾技術(shù)，微篩濾和沙濾)可以提高微塑料的去除率。為了增強(qiáng)微塑料的去除，從而防止微塑料在自然環(huán)境中的流通。在此，在初級(jí)和生物處理之后的第三級(jí)處理步驟中，提出了基于熱解的熱凝法進(jìn)行微塑料凝聚和活性炭吸附來(lái)進(jìn)行處理。在污水處理廠的不同處理階段，對(duì)污水中特定于物質(zhì)的微塑料顆粒進(jìn)行了定量，包括一級(jí)沉降池的進(jìn)水，二級(jí)沉降池的最終出水以及帶有熱再生的活性炭塔的廢水。

　　活性炭去除微塑料的中試實(shí)驗(yàn)

　　建造了一個(gè)用于微塑料去除實(shí)驗(yàn)的中試規(guī)模的設(shè)施，該設(shè)施由帶有熱再生系統(tǒng)的活性炭塔組成。該設(shè)備在接觸塔中運(yùn)行時(shí)的總質(zhì)量約為800千克活性炭。這個(gè)設(shè)施是由活性炭單元和過(guò)熱蒸汽單元組成的可熱再生裝置。該活性炭塔系統(tǒng)是在污水處理廠上建立的，收集污水樣本以進(jìn)行微塑料分析。如圖所示圖1A，蒸汽鍋爐中產(chǎn)生高于100℃的飽和蒸汽，并通過(guò)管線加熱器轉(zhuǎn)換為500-700°C的過(guò)熱蒸汽。蒸汽過(guò)熱進(jìn)行熱解過(guò)程，是由轉(zhuǎn)換后的過(guò)熱蒸汽通過(guò)塔內(nèi)的輻照管?chē)娮煸谟行О霃絻?nèi)噴灑到活性炭上，并提高了活性炭的溫度。通過(guò)噴灑500-700°C的過(guò)熱蒸汽來(lái)蒸發(fā)活性炭孔中的水分，并且通過(guò)無(wú)氧低溫將吸附的一氧化碳或二氧化碳和低分子量化合物與有機(jī)物和微塑料分解為水。此時(shí)，將未分解的未溶解的低分子量有機(jī)化合物與冷凝水混合，并返回到污水處理廠的進(jìn)水口。從活性炭再生裝置下部排出的蒸汽由熱交換器冷卻，然后引入冷凝水儲(chǔ)罐，并返回到污水處理廠進(jìn)水或進(jìn)行后處理。

　　圖1：實(shí)驗(yàn)裝置：(A)中試規(guī)模的活性炭裝置(B)用于電凝的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的裝置。

　　污水處理廠的微塑料特征和活性炭去除效率

　　在污水處理廠的進(jìn)水和出水中觀察到未處理的污水樣品中觀察到七個(gè)不同的微塑料顆粒，包括聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)，丙烯酸酯(AC)，聚苯乙烯(PS)，聚酯(PES)，醇酸樹(shù)脂(AKD)和聚四氟乙烯(PTFE)。PE是最豐富的MP材料類(lèi)別，占MP顆粒總數(shù)的72%，其次是PP(13%)，AC(6%)和其他分?jǐn)?shù)相對(duì)較小的聚合物(1-4%)。假定樣品中微塑料材料類(lèi)別的數(shù)量順序與原料的比重有關(guān)。具有較低比重的微塑料顆粒可以通過(guò)從污水源沉降到污水處理廠的過(guò)程中，以較低的重力進(jìn)行更有效的輸送。在中試規(guī)模活性炭裝置的進(jìn)水和出水中觀察到的MP顆粒的數(shù)量濃度和尺寸分布分別顯示在圖2AB中。通過(guò)活性炭處理，可以顯著提高微塑料的去除率(92.9%)。特別是，發(fā)現(xiàn)活性炭處理在去除比水輕的微塑料(例如PE和PP)以及所有尺寸范圍的微塑料(包括20–50µm尺寸)方面都是有利的，而初級(jí)和生物處理很少去除這些微塑料。關(guān)于微塑料去除效率，配備活性炭過(guò)濾系統(tǒng)的飲用水處理廠獲得了類(lèi)似的結(jié)果(大約89%的去除率)。

　　圖2：活性炭裝置對(duì)(A)不同材料和(B)不同尺寸范圍的微塑料顆粒的去除效率。PE：聚乙烯，PP：聚丙烯，AC：丙烯酸酯，PS：聚苯乙烯，PES：聚酯，AKD：醇酸樹(shù)脂，PTFE：聚四氟乙烯。

　　電凝微珠

　　經(jīng)活性炭處理的微塑料尺寸顯著減小，表明需要增強(qiáng)對(duì)在水中更穩(wěn)定的較小微塑料的去除的需要。另外，比水輕的微塑料的活性炭吸附效率比比水重的微塑料的活性炭吸附效率低。因此，進(jìn)行了初步的電凝實(shí)驗(yàn)，以檢查其作為有效的預(yù)處理方法的潛在用途，以增強(qiáng)后續(xù)活性炭裝置中較小和較輕的微塑料的去除。從電凝實(shí)驗(yàn)中，逐漸形成微珠的凝結(jié)，并隨著時(shí)間的流逝目視觀察圖3。微塑料粒徑越小，去除效率，離子強(qiáng)度和天然有機(jī)物濃度越高，而濁度水平對(duì)去除效率的影響很小。使用輕度離心5分鐘測(cè)試凝結(jié)的微塑料的水分離性，結(jié)果如圖3所示。電凝30分鐘后，不可分離的微塑料下降了90%，此后變化不大，表明絮凝機(jī)理在0到30分鐘之間占主導(dǎo)地位。這些結(jié)果表明電凝可以有效地增加微塑料的大小和密度，可以在隨后的活性炭吸附過(guò)程中輕松去除。

　　圖3：電凝實(shí)驗(yàn)的結(jié)果：(A)微珠聚集的過(guò)程，(B)隨著時(shí)間的流逝通過(guò)離心濃縮不可分離的微珠。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都是重復(fù)實(shí)驗(yàn)的平均值。

　　活性炭在廢水中去除微塑料，本研究提供了對(duì)使用活性炭進(jìn)行三次處理的污水處理廠中的微塑性控制有效性的一個(gè)見(jiàn)解，該技術(shù)可去除進(jìn)入系統(tǒng)的總微塑料顆粒的92%以上。而且，結(jié)果表明，采用活性炭熱再生處理可去除尺寸為20至50µm的微塑料，然而一般污水處理廠無(wú)法去除小于200µm的微塑料。另一方面，電凝可在凝結(jié)30分鐘內(nèi)提高去除效率。發(fā)現(xiàn)電凝是通過(guò)增加微塑料的尺寸和密度來(lái)提高微塑料顆粒的去除效率的良好選擇。因此，建議將常規(guī)生物處理，電凝和活性炭與熱再生相結(jié)合，作為應(yīng)對(duì)與微危害性材料(如微塑料)有關(guān)的新興環(huán)境問(wèn)題的處理方案。

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