活性炭在废水中去除微塑料

快盈VIII　　水生环境中的微塑料受到越来越多的关注，污水处理厂的排放是微塑料进入环境的重要途径。根据一些产品的工艺要求，可以将聚合物与不同的添加剂混合以增强其性能。这些包括增塑剂，抗氧化剂，阻燃剂，紫外线稳定剂，润滑剂和着色剂，以定制塑料的特性(例如，柔韧性，强度，耐热性，电绝缘性等)。在制造过程中以及在环境调查中收集的微塑料碎片中发现的最常见的添加剂是邻苯二甲酸盐，双酚A，多溴联苯醚和壬基酚。在这次研究中，我们使用可热再生的颗粒活性炭在活性炭塔中研究了微塑料的处理和材料特定的特性。

快盈VIII　　虽然废水处理技术已经很成熟了，但是还没有专门设计来控制微塑料等微量污染物。与传统的污水处理厂工艺相比，某些第三级技术(例如膜生物反应器的微滤技术，微筛滤和沙滤)可以提高微塑料的去除率。为了增强微塑料的去除，从而防止微塑料在自然环境中的流通。在此，在初级和生物处理之后的第三级处理步骤中，提出了基于热解的热凝法进行微塑料凝聚和活性炭吸附来进行处理。在污水处理厂的不同处理阶段，对污水中特定于物质的微塑料颗粒进行了定量，包括一级沉降池的进水，二级沉降池的最终出水以及带有热再生的活性炭塔的废水。

　　活性炭去除微塑料的中试实验

快盈VIII　　建造了一个用于微塑料去除实验的中试规模的设施，该设施由带有热再生系统的活性炭塔组成。该设备在接触塔中运行时的总质量约为800千克活性炭。这个设施是由活性炭单元和过热蒸汽单元组成的可热再生装置。该活性炭塔系统是在污水处理厂上建立的，收集污水样本以进行微塑料分析。如图所示图1A，蒸汽锅炉中产生高于100℃的饱和蒸汽，并通过管线加热器转换为500-700°C的过热蒸汽。蒸汽过热进行热解过程，是由转换后的过热蒸汽通过塔内的辐照管喷嘴在有效半径内喷洒到活性炭上，并提高了活性炭的温度。通过喷洒500-700°C的过热蒸汽来蒸发活性炭孔中的水分，并且通过无氧低温将吸附的一氧化碳或二氧化碳和低分子量化合物与有机物和微塑料分解为水。此时，将未分解的未溶解的低分子量有机化合物与冷凝水混合，并返回到污水处理厂的进水口。从活性炭再生装置下部排出的蒸汽由热交换器冷却，然后引入冷凝水储罐，并返回到污水处理厂进水或进行后处理。

快盈VIII　　图1：实验装置：(A)中试规模的活性炭装置(B)用于电凝的实验室规模的装置。

　　污水处理厂的微塑料特征和活性炭去除效率

　　在污水处理厂的进水和出水中观察到未处理的污水样品中观察到七个不同的微塑料颗粒，包括聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)，丙烯酸酯(AC)，聚苯乙烯(PS)，聚酯(PES)，醇酸树脂(AKD)和聚四氟乙烯(PTFE)。PE是最丰富的MP材料类别，占MP颗粒总数的72%，其次是PP(13%)，AC(6%)和其他分数相对较小的聚合物(1-4%)。假定样品中微塑料材料类别的数量顺序与原料的比重有关。具有较低比重的微塑料颗粒可以通过从污水源沉降到污水处理厂的过程中，以较低的重力进行更有效的输送。在中试规模活性炭装置的进水和出水中观察到的MP颗粒的数量浓度和尺寸分布分别显示在图2AB中。通过活性炭处理，可以显着提高微塑料的去除率(92.9%)。特别是，发现活性炭处理在去除比水轻的微塑料(例如PE和PP)以及所有尺寸范围的微塑料(包括20–50µm尺寸)方面都是有利的，而初级和生物处理很少去除这些微塑料。关于微塑料去除效率，配备活性炭过滤系统的饮用水处理厂获得了类似的结果(大约89%的去除率)。

快盈VIII　　图2：活性炭装置对(A)不同材料和(B)不同尺寸范围的微塑料颗粒的去除效率。PE：聚乙烯，PP：聚丙烯，AC：丙烯酸酯，PS：聚苯乙烯，PES：聚酯，AKD：醇酸树脂，PTFE：聚四氟乙烯。

　　电凝微珠

快盈VIII　　经活性炭处理的微塑料尺寸显着减小，表明需要增强对在水中更稳定的较小微塑料的去除的需要。另外，比水轻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，进行了初步的电凝实验，以检查其作为有效的预处理方法的潜在用途，以增强后续活性炭装置中较小和较轻的微塑料的去除。从电凝实验中，逐渐形成微珠的凝结，并随着时间的流逝目视观察图3。微塑料粒径越小，去除效率，离子强度和天然有机物浓度越高，而浊度水平对去除效率的影响很小。使用轻度离心5分钟测试凝结的微塑料的水分离性，结果如图3所示。电凝30分钟后，不可分离的微塑料下降了90%，此后变化不大，表明絮凝机理在0到30分钟之间占主导地位。这些结果表明电凝可以有效地增加微塑料的大小和密度，可以在随后的活性炭吸附过程中轻松去除。

　　图3：电凝实验的结果：(A)微珠聚集的过程，(B)随着时间的流逝通过离心浓缩不可分离的微珠。每个数据点都是重复实验的平均值。

　　活性炭在废水中去除微塑料，本研究提供了对使用活性炭进行三次处理的污水处理厂中的微塑性控制有效性的一个见解，该技术可去除进入系统的总微塑料颗粒的92%以上。而且，结果表明，采用活性炭热再生处理可去除尺寸为20至50µm的微塑料，然而一般污水处理厂无法去除小于200µm的微塑料。另一方面，电凝可在凝结30分钟内提高去除效率。发现电凝是通过增加微塑料的尺寸和密度来提高微塑料颗粒的去除效率的良好选择。因此，建议将常规生物处理，电凝和活性炭与热再生相结合，作为应对与微危害性材料(如微塑料)有关的新兴环境问题的处理方案。

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