水体中聚乙烯微塑料的混凝去除研究

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微塑料作为一种新兴持久性有机污染物,严重影响了水生态健康及供水安全。目前,混凝作为水处理工艺中的基础环节,对后续工艺如过滤、消毒、膜过滤等环节有着重要的影响,一定程度上决定了出水水质。微塑料易被水环境中的有机物、无机物和微生物附着,从而影响其表面性质以及在水体中的分布状态,且自然水环境中微塑料成分复杂、形态各异,不易被去除。聚乙烯微塑料随着水中停留时间的增加,在表面形成一层生物膜,影响其在水中的分布;第14天时聚乙烯微塑料表面出现较多的附着物,包括细菌、藻类、有机物质和无机物质等,该阶段生物膜较为粗糙,但到第28天时,表面生物膜已经完全形成,生物膜表面平滑、各类菌群已经开始大量增殖,表面有胞外聚合物产生。生物膜对聚乙烯微塑料也有一定影响。生物膜影响了聚乙烯微塑料颗粒的亲疏水性、表面官能团,受到了生物膜不同阶段表面生物分泌物质的影响,微塑料表面亲疏水性随着生物膜形成的不同阶段先减小后提高;聚乙烯微塑料表面官能团出现了C-O键和C=O键的振动峰,表明其表面产生了风化或者水解,C=O基团会对聚乙烯微塑料颗粒表面的疏水性有一定的影响。低剂量混凝剂投加下硫酸铝和氯化铁对聚乙烯微塑料去除率很低,不足10%;增大混凝剂投加量会提高聚乙烯微塑料的去除率,硫酸铝在80 mg/L时去除效率最大,为45.19%,且去除效果优于氯化铁,高浓度硫酸铝混凝剂的投加会产生胶体保护作用,导致去除率下降。阴离子聚丙烯酰胺的添加,使得微塑料去除从22.93%提高到了44.52%,絮体平均粒径也由68.56μm增加到了169.05μm,絮体由松散变得紧致。在硫酸铝在50 mg/L的投加量下,pH值的变化(4~9)对浊度的去除效果影响不大,但对聚乙烯微塑料的去除影响较大,聚乙烯微塑料颗粒的去除率随着水体pH值的增加,先升高后降低,在pH值为6时聚乙烯微塑料的去除率达到了40.25%,效果最好。利用响应面法分析硫酸铝及硫酸铝联合聚丙烯酰胺去除模拟水样中微塑料的影响因素及其效应。根据实验结果和模型拟合表明,在试验范围内,浊度去除率在34.23%至94.23%;微塑料去除率在4.12%至40.52%。对试验数据拟合,建立3D模型和等高线图,通过模型预测结果,当硫酸铝投加量为39.202 mg/L、聚丙烯酰胺14.357 mg/L、pH为6.78时混凝效果最优,此时浊度去除率达到92.007%、微塑料去除率达到33.959%;按照模型最优条件设计实验,选取硫酸铝投加量为39mg/L、聚丙烯酰胺投加为14.3 mg/L,水质pH设置为6.7,得到浊度和微塑料去除率分别是91.91%和33.02%。随着水样初始浊度的增加,水体中的胶体颗粒物数量增加,提高了胶体碰撞几率,改善聚乙烯微塑料和浊度的混凝去除效果,水体中絮体增多,对聚乙烯微塑料的网捕和吸附作用增加;腐殖质浓度对聚乙烯以及浊度去除率影响不大,腐殖质通过和硫酸铝混凝剂中Al3+络合沉降作用、OH-之间的范德华力以及离子键等相互作用达到去除。同一粒径下,细长型聚乙烯微塑料的去除效率高于球型微塑料;微塑料粒径越小,去除率越高;两种形态混合形态下,球型微塑料去除率高于细长型微塑料,这与混合形态下,球型微塑料含量占比大有关,不规则微塑料的速率常数高于对称微塑料,且絮凝的速率常数越高,去除率就越高,微塑料的大小、形状和表面形态在混凝机理中起着重要作用。生物膜的形成提高了聚乙烯微塑料的去除效果,去除率从5.25%提高到了56.81%,到28天时,微塑料生物膜基本形成,此时微塑料去除率显著提高,达到了32.26%。水体中大分子有机质一方面会影响微塑料表面官能团的去质子化进程从而影响其表面电荷,进而影响静电斥力;另一方面,微塑料表面官能团会与水中离子发生桥连作用,影响微塑料在水体中的稳定性。微塑料浓度会影响其在水中的集聚效应,当聚乙烯微塑料在水体中含量较高时,会存在表面粘滞效应,影响其被絮体吸附沉降的效果,且当聚乙烯微塑料含量超过600个/L时,电荷从正电荷变成了负电荷,在水样pH为7的情况下,能够更好地对微塑料进行静电吸附,且静电斥力较小,容易形成更大的微塑料条团聚体,此时聚乙烯微塑料去除效果较好,而浊度则以吸附和网捕作用为主,电荷变化对浊度去除效果影响不大。微塑料在水环境中受到范德华力、静电斥力以及非DLVO力会影响其稳定性,微塑料颗粒间的远程范德华力势能会导致颗粒相互吸引,而水中微塑料浓度提高会导致颗粒间间距减小,加大彼此间的吸附。
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