新污染物治理技術(shù)第1章新污染物簡(jiǎn)介1.1新污染物定義新污染物（“Emergingpollutants”或“Emergingcontaminants”），指新發(fā)現(xiàn)或關(guān)注，具有生物毒性、環(huán)境持久性和生物積累性等特征的合成/天然化學(xué)物質(zhì)或微生物，進(jìn)入環(huán)境中可對(duì)生態(tài)安全和人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅，但尚未受到監(jiān)管或監(jiān)管機(jī)制不健全。五大核心特征：1）危害嚴(yán)重

2）隱蔽性強(qiáng)

3）持久擴(kuò)散

4）來(lái)源廣泛

5）治理困難1.2新污染物發(fā)展史1990年2001年P(guān)OPs作為優(yōu)先污染物受到關(guān)注2005年2022年2023年《關(guān)于持久性有機(jī)污染物的斯德哥爾摩公約》限制或消除持久性有機(jī)污染物（POPs）的生產(chǎn)、使用和排放歐盟NORMAN項(xiàng)目針對(duì)新興環(huán)境物質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并加強(qiáng)區(qū)域間相關(guān)信息交流中國(guó)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《新污染物治理行動(dòng)方案》到2025年，完成國(guó)內(nèi)外高關(guān)注、高產(chǎn)（用）量的化學(xué)物質(zhì)危害篩查，完成一批化學(xué)物質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中國(guó)《重點(diǎn)管控新污染物清單》、全國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)大會(huì)把應(yīng)對(duì)氣候變化、新污染物治理等作為國(guó)家基礎(chǔ)研究和科技創(chuàng)新重點(diǎn)領(lǐng)域新污染物受到關(guān)注1.3.1

新污染物種類新污染物種類新污染物種類：通常可分為持久性有機(jī)物（POPs）、內(nèi)分泌干擾物（EDCs）、抗生素及其抗性基因、微塑料、納米材料和高科技稀土元素等1.3.1

新污染物種類1、持久性有機(jī)污染物：是指具有半揮發(fā)性、長(zhǎng)半衰期、難降解性、毒性、生物蓄積性且能夠遠(yuǎn)距離遷移的有機(jī)污染物典型POPs：全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）：含有極強(qiáng)碳氟鍵的化學(xué)品，疏水疏油，在環(huán)境和生物體內(nèi)穩(wěn)定性較高，目前有記錄的PFAS已超過(guò)12000種有機(jī)氯代/溴代化合物：包括多氯聯(lián)苯（PCBs）、多氯二苯并對(duì)二噁英和呋喃（PCDD/Fs）、多溴聯(lián)苯醚（PBDEs）和多種有機(jī)氯殺蟲劑（如滴滴涕及其衍生物）等1.3.1

新污染物種類2、內(nèi)分泌干擾物（EDCs）：是影響人類或動(dòng)物體內(nèi)正常激素水平的外源性化學(xué)物質(zhì)或混合物，嚴(yán)重影響生物體器官發(fā)育和生殖等功能。來(lái)源廣泛：多為有機(jī)污染物和重金屬，最常見(jiàn)的包括除草劑、增塑劑、酚類化合物等低劑量效應(yīng)：極低的濃度就會(huì)導(dǎo)致生物體內(nèi)分泌功能出現(xiàn)異常，特別是在生命周期較敏感的階段1.3.1

新污染物種類3、抗生素：抗生素指生物體（以微生物為主）在生命活動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的具有抗病原體或其他活性的化學(xué)物質(zhì)，能抑制或影響其他細(xì)胞的發(fā)育功能。主要包括喹諾酮類、磺胺類、大環(huán)內(nèi)酯類和四環(huán)素類1.3.1

新污染物種類4、微塑料：通常指尺寸小于5mm的塑料碎片或顆粒。根據(jù)來(lái)源可將微塑料分為初生微塑料和次生微塑料。微塑料易吸附環(huán)境中重金屬、持久性有機(jī)物和抗生素等其他有毒物質(zhì)，引發(fā)的復(fù)合污染問(wèn)題更加嚴(yán)峻1.3.1

新污染物種類5、納米材料：指外部尺寸為納米級(jí)或具有納米尺度的內(nèi)部或表面結(jié)構(gòu)的材料，納米尺度通常小于100nm。根據(jù)化學(xué)組成，可將其分為碳基材料（如碳納米管、石墨烯）、無(wú)機(jī)材料（如金屬納米顆粒）、有機(jī)材料（如脂質(zhì)體）和復(fù)合材料1.3.1新污染物種類6、高科技稀土元素：稀土元素包括鑭系元素和鈧、釔共17種金屬元素，是高科技產(chǎn)業(yè)不可或缺的重要成分。一些稀土元素可對(duì)包括植物、微生物、水生和陸生生物等多種生物體產(chǎn)生急性和慢性生態(tài)毒性。1.3.2新污染物分布新污染物廣泛分布于各種環(huán)境基質(zhì)中，包括水體、土壤和沉積物以及大氣，并不斷遷徙傳播，在動(dòng)植物中均有發(fā)現(xiàn)，可能通過(guò)食物鏈進(jìn)入食品中威脅人類健康水體土壤和沉積物大氣1.4新污染物來(lái)源新污染物的產(chǎn)生途徑十分廣泛。新污染物源于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)以及人類生活。常用品如牙膏中的三氯生屬于新污染物，藥物如抗生素以及地毯等紡織品中添加的溴代阻燃劑也屬新污染物1.4新污染物來(lái)源1、工業(yè)源例如化學(xué)工業(yè)中表面活性劑，食品工業(yè)中食品防腐劑（檸檬酸三乙酯），醫(yī)藥工業(yè)中抗生素2、農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)源例如農(nóng)牧場(chǎng)激素類藥物（雌二醇預(yù)防疾?。?，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中殺蟲劑、殺菌劑、除草劑和殺菌劑等，農(nóng)藥硫丹、六氯環(huán)己烷和二氯二苯基三氯乙烷（DT）等表面活性劑食品防腐劑農(nóng)場(chǎng)激素類殺蟲劑1.4新污染物來(lái)源3、人類生活源例如化妝品中含有的三氯生，生病服用的抗生素藥物，新買的家具含有的烷烴化合物等，護(hù)膚產(chǎn)品中如佳樂(lè)麝香、托那利特、天青內(nèi)酯和芬托內(nèi)酯等。4、污水處理廠來(lái)源污水處理廠原水含有多種污水，如工業(yè)污水，畜牧污水，生活污水等。例如抗生素、雙氯芬酸、抗酸劑、氯纖維酸、類固醇、抗抑郁藥、環(huán)丙沙星等新污染物大量存在于水生環(huán)境中?？股毓I(yè)污水生活污水1.5新污染物危害新污染物危害：呈現(xiàn)出長(zhǎng)期、隱性、潛在性，會(huì)影響動(dòng)植物的正常生長(zhǎng)，導(dǎo)致發(fā)育遲緩、內(nèi)分泌系統(tǒng)紊亂、免疫能力降低等，具有生物毒性和生物積累性，易致癌、致畸、致突變等風(fēng)險(xiǎn)，最終會(huì)導(dǎo)致生物多樣性受損，危害生態(tài)系統(tǒng)和人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展1.5新污染物危害1.6新污染物管控我國(guó)新污染物防范工作：以《中華人民共和國(guó)履行〈關(guān)于持久性有機(jī)污染物的斯德哥爾摩公約〉國(guó)家實(shí)施計(jì)劃》為依據(jù)，并于2022年5月，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《新污染物治理行動(dòng)方案》，保障新污染物治理的有效進(jìn)行，也是是“十四五”時(shí)期新污染物治理的行動(dòng)指南1.6新污染物管控2023年3月1日起施行《重點(diǎn)管控新污染物清單》，清單由生態(tài)環(huán)境部會(huì)同工業(yè)和信息化部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、商務(wù)部、海關(guān)總署、國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局等部門聯(lián)合印發(fā)。根據(jù)有毒有害化學(xué)物質(zhì)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合監(jiān)管實(shí)際，經(jīng)技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)社會(huì)影響評(píng)估，清單明確了14種類重點(diǎn)管控新污染物及其禁止、限制、限排等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管控措施感謝觀看！第2章新污染物檢測(cè)方法固相萃?。⊿PE）、液液萃?。↙LE）、超臨界流體萃取（SFE）與索氏提取均用于復(fù)雜樣品的分離、純化和富集，為后續(xù)分析提供更純凈的目標(biāo)化合物；SPE、LLE和SFE的檢測(cè)都是利用了對(duì)目標(biāo)化合物的選擇性吸附或者溶解度差異實(shí)現(xiàn)分離；操作步驟都包括加樣、分離和收集目標(biāo)化合物。相同點(diǎn)不同點(diǎn)SPE技術(shù)操作簡(jiǎn)單、高效、環(huán)保，適用范圍廣，但對(duì)樣品潔凈度要求較高；LLE技術(shù)僅適合特定非極性化合物，而且需要多次萃取，操作繁瑣、溶劑消耗大；SFE技術(shù)條件溫和，適合熱敏性物質(zhì)和易發(fā)生氧化反應(yīng)的物質(zhì)，但設(shè)備復(fù)雜、成本高；索氏提取無(wú)需特殊儀器設(shè)備、操作簡(jiǎn)單，適合固體樣品的脂溶性成分提取，但效率低、溶劑消耗大。2.1前處理技術(shù)對(duì)比01.以上四種色譜技術(shù)都是基于樣品組分在固定相和流動(dòng)相之間的分配差異實(shí)現(xiàn)對(duì)混合物中組分的分析。LC技術(shù)廣泛使用性、高分辨率及可準(zhǔn)確定量分析的優(yōu)勢(shì)，但分離效率低、分析速度慢；HPLC技術(shù)分析速度快、檢測(cè)靈敏度高，適合復(fù)雜樣品，但設(shè)備和維護(hù)成本較高；GC技術(shù)靈敏度高、分析速度快、所需試樣量少、設(shè)備和操作簡(jiǎn)單、儀器便宜，但定性分析功能差，分析方法的建立較困難；UPC2技術(shù)具有分離效率高、系統(tǒng)分辨率高、成本低、能減少有機(jī)溶劑使用等優(yōu)勢(shì)，但隨著溫度升高，超臨界流體的黏度降低，溶劑化能力變小，目標(biāo)物檢測(cè)時(shí)間將會(huì)延長(zhǎng)。相同點(diǎn)不同點(diǎn)液相色譜（LC）、高效液相色譜（HPLC）、氣相色譜（GC）與超高效合相色譜（UPC2）圖1高效液相色譜儀圖2氣相色譜儀02.2.2色譜技術(shù)對(duì)比GC-MS技術(shù)靈敏度高，分離效果好，可分離尚未分離的色譜峰，但對(duì)分析對(duì)象、測(cè)試條件、質(zhì)譜應(yīng)用有限制；GC-MS/MS技術(shù)增強(qiáng)了抗干擾能力，能提高分析的靈敏度、選擇性及準(zhǔn)確性，適用于復(fù)雜樣品中的痕量化合物，但設(shè)備和維護(hù)成本較高；不同點(diǎn)均結(jié)合了色譜技術(shù)的分離能力和質(zhì)譜技術(shù)的鑒定能力。利用GC或LC分離樣品后，利用MS或MS/MS對(duì)組分進(jìn)行了定性和定量分析。相同點(diǎn)氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）、氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜（GC-MS/MS）、熱裂解氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用（Py-GC/MS）、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（LC-MS）與液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜（LC-MS/MS）2.3色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對(duì)比Py-GC/MS技術(shù)對(duì)樣品的物理狀態(tài)限制比較小，應(yīng)用范圍可擴(kuò)展到全部有機(jī)物，但樣品與裂解產(chǎn)物之間的關(guān)系較為復(fù)雜，可能導(dǎo)致解析困難；LC-MS技術(shù)可分析沸點(diǎn)較高和熱穩(wěn)定性差的多種物質(zhì)，但價(jià)格昂貴，導(dǎo)致分析成本較高，且易受樣品基質(zhì)干擾；LC-MS/MS技術(shù)穩(wěn)定性好、靈敏度和準(zhǔn)確性高、專一性和選擇性強(qiáng)，但也存在分辨能力有限、易產(chǎn)生假陽(yáng)性的不足。電化學(xué)傳感器主要利用電化學(xué)反應(yīng)，成本相對(duì)較低，選擇性依賴電極催化活性，可能受電極污染影響生物傳感器電化學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器、光電化學(xué)傳感器與生物傳感器光學(xué)傳感器電化學(xué)傳感器光電化學(xué)傳感器相同點(diǎn)均需將目標(biāo)物定性和定量分析結(jié)果轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電、光、化學(xué)等物理信號(hào)；無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的前處理等工作流程，具有靈敏度高、操作簡(jiǎn)單、設(shè)備廉價(jià)以及便于攜帶。不同點(diǎn)光學(xué)傳感器基于光學(xué)特性變化，適用于有色和熒光物質(zhì)檢測(cè)，但易受環(huán)境光干擾（可能受光散射和吸收干擾）光電化學(xué)傳感器通過(guò)光激發(fā)+電化學(xué)響應(yīng)，靈敏度較高，適用于光敏物質(zhì)和生物分子檢測(cè)，但操作復(fù)雜（光路與電化學(xué)結(jié)合）生物傳感器利用生物分子特異性識(shí)別，選擇性極高，可在復(fù)雜體系中進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，但元件制備復(fù)雜，生物穩(wěn)定性需考慮2.4傳感器檢測(cè)技術(shù)對(duì)比兩種技術(shù)都具有高選擇性，能有效分離復(fù)雜混合物中的各組分，從復(fù)雜基質(zhì)中富集目標(biāo)分子CE可與MIT技術(shù)聯(lián)用，提升分析靈敏度和準(zhǔn)確性相同點(diǎn)毛細(xì)管電泳技術(shù)（CE）毛細(xì)管電泳技術(shù)（CE）與分子印跡技術(shù)（MIT）不同點(diǎn)分子印跡技術(shù)（MIT）CE技術(shù)是基于電場(chǎng)作用下，帶電粒子在毛細(xì)管中的遷移速度不同而實(shí)現(xiàn)分離，主要適用于帶電分子的分離和檢測(cè)，對(duì)于中性分子的檢測(cè)需要特定的模式，依賴高壓電源和檢測(cè)器；MIT技術(shù)是基于特異性識(shí)別位點(diǎn)與目標(biāo)分子的結(jié)合，操作更復(fù)雜，適用于各種類型的分子，但需要預(yù)先設(shè)計(jì)模板，依賴聚合物合成設(shè)備及后續(xù)檢測(cè)技術(shù)。2.5其他技術(shù)對(duì)比01前處理技術(shù)能夠?qū)Φ蜐舛?、高?fù)雜性和多樣化的樣品進(jìn)行有效的提取、富集和凈化，從而提高檢測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確性，還可以通過(guò)衍生化等方法將某些難以檢測(cè)的污染物轉(zhuǎn)化為易于檢測(cè)的形式。02新污染物檢測(cè)技術(shù)應(yīng)具備高靈敏度和高特異性，不同的檢測(cè)技術(shù)對(duì)樣品類型和基質(zhì)的適應(yīng)性不同，根據(jù)實(shí)際樣品的性質(zhì)選擇合適的檢測(cè)技術(shù)，也要考慮檢測(cè)目的與成本效益。03未來(lái)新污染物檢測(cè)技術(shù)將朝著更自動(dòng)化、智能化、綜合化的方向發(fā)展，減少人為誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)新污染物的多維度分析，提供更全面的檢測(cè)信息。綠色檢測(cè)技術(shù)也將受到更多關(guān)注。2.6總結(jié)與展望感謝觀看！第3章新污染物微生物去除技術(shù)3.1微生物去除技術(shù)簡(jiǎn)介微生物簡(jiǎn)介：微生物是形體微小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的低等生物，包括細(xì)菌、病毒、真菌等，需借助顯微鏡觀察；它們代謝類型多樣，適應(yīng)能力強(qiáng)，能代謝有機(jī)物并轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)物，對(duì)水環(huán)境自凈有重要作用。微生物去除技術(shù)，指利用自然界中微生物的新陳代謝作用或其分泌的酶類物質(zhì)，對(duì)污水中的新污染物進(jìn)行遷移、轉(zhuǎn)化和降解，將新污染物轉(zhuǎn)化為無(wú)毒或低毒物質(zhì)的生物處理技術(shù)。3.1.1定義分類依據(jù)技術(shù)類型微生物的生長(zhǎng)方式懸浮生長(zhǎng)技術(shù)/附著生長(zhǎng)技術(shù)微生物對(duì)氧氣的需求好氧技術(shù)/厭氧技術(shù)微生物的種類豐富度混合微生物技術(shù)/單一微生物技術(shù)微生物的生長(zhǎng)方式附著生長(zhǎng)技術(shù)：指微生物附著在某種載體上生長(zhǎng)，并生成生物膜，污水流經(jīng)生物膜時(shí)，微生物與污水中的新污染物充分接觸，完成對(duì)污水的凈化，典型代表：生物膜法懸浮生長(zhǎng)技術(shù)：指通過(guò)適當(dāng)?shù)幕旌戏椒ㄊ刮⑸镌谏锾幚順?gòu)筑物中保持懸浮狀態(tài)，并與污水充分接觸，完成對(duì)新污染物的降解，典型代表：活性污泥法活性污泥生物濾池3.1微生物去除技術(shù)簡(jiǎn)介3.1.2分類好氧技術(shù)：在溶解氧條件下（即污水中存在分子氧），好氧菌和兼性厭氧菌降解新污染物。包括活性污泥、深井曝氣、生物接觸氧化法等厭氧技術(shù)：在無(wú)分子態(tài)氧和化合態(tài)氧（如硝酸鹽等）條件下進(jìn)行的新污染物去除，主要依賴厭氧菌和兼性厭氧菌。包括升流式厭氧污泥床（USAB）工藝和厭氧復(fù)合床法混合微生物技術(shù)：在一個(gè)微生物反應(yīng)系統(tǒng)中同時(shí)含有多種微生物（如細(xì)菌、真菌、藻類等）的體系，可以共同作用以去除污水中的新污染物單一微生物技術(shù)：在一個(gè)微生物反應(yīng)系統(tǒng)中只含有一種特定類型微生物的體系，專門負(fù)責(zé)去除污水中的某種特定的新污染物。典型代表是利用羅氏球菌、節(jié)桿菌、光桿菌、拉氏菌等專性菌去除新污染物微生物對(duì)氧氣的需求不同微生物的種類豐富度不同3.1微生物去除技術(shù)簡(jiǎn)介3.1.2分類123去除效果易受影響新污染物對(duì)微生物表現(xiàn)出兩面性微生物去除技術(shù)高效處理污水，雜質(zhì)和污染物通過(guò)生物絮凝和降解轉(zhuǎn)為無(wú)害物質(zhì)技術(shù)效果受重金屬等有毒物質(zhì)影響，需控制溫度和pH值；新污染物對(duì)微生物有毒害，也可作為有機(jī)碳源被微生物利用，進(jìn)而被去除①新污染物作為毒性物質(zhì)對(duì)微生物活性和生長(zhǎng)造成影響②新污染物作為有機(jī)碳源被微生物利用，進(jìn)而被去除3.1微生物去除技術(shù)簡(jiǎn)介3.1.3特點(diǎn)效率高、成本低、無(wú)二次污染微生物響應(yīng)：指微生物在環(huán)境變化條件下通過(guò)生理、生化及遺傳層面的適應(yīng)性調(diào)整，以維持其生存與代謝功能的能力新污染物毒性響應(yīng)：微生物對(duì)新污染物脅迫的毒性響應(yīng)和去除機(jī)制因種類（如抗生素、微塑料、五氯苯酚等）不同而異，且不同污染物對(duì)微生物的影響也不同3.1微生物去除技術(shù)簡(jiǎn)介3.1.4微生物對(duì)新污染物的響應(yīng)及去除機(jī)制微生物對(duì)抗生素類新污染物的響應(yīng)：主要為過(guò)量生成活性氧（ROS）并激活應(yīng)激反應(yīng)ROS的產(chǎn)生：抗生素可能干擾微生物三羧酸循環(huán)（TCA）生成還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）過(guò)程，誘導(dǎo)ROS的積累微生物對(duì)抗生素的響應(yīng)抗生素的去除機(jī)制生物降解：是微生物分解有機(jī)污染物的過(guò)程，也是大部分生物系統(tǒng)中去除抗生素的最主要機(jī)制生物吸附：帶正電荷的抗生素與微生物細(xì)胞壁或胞外聚合物（EPS）表面帶負(fù)電荷基團(tuán)相互作用，吸附在表面的過(guò)程抗生素促進(jìn)微生物群落演替抗性基因的富集轉(zhuǎn)移：長(zhǎng)期響應(yīng)具體表現(xiàn)在抗生素抗性基因的富集轉(zhuǎn)移和微生物群落的演替進(jìn)化等方面微生物去除抗生素：在抗生素去除過(guò)程中，微生物體內(nèi)抗性基因的豐度均有所增加，同時(shí)在轉(zhuǎn)座子上也發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)移的抗性基因3.1微生物去除技術(shù)簡(jiǎn)介3.1.4微生物對(duì)新污染物的響應(yīng)及去除機(jī)制——抗生素微塑料的毒性作用微塑料能誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生ROS和釋放乳酸脫氫酶（LDH），引發(fā)氧化應(yīng)激，破壞細(xì)胞膜完整性，對(duì)微生物活性造成不利影響EPS分泌與微塑料濃度低濃度微塑料促進(jìn)微生物EPS分泌以抵抗有害環(huán)境；高濃度則抑制EPS分泌并破壞顆粒結(jié)構(gòu)，影響代謝和生長(zhǎng)微塑料降解途徑微生物能夠在微塑料表面定殖并形成生物膜微生物通過(guò)疏水作用或靜電作用附著在微塑料表面并改變其表面性微生物胞外酶（如酯酶）攻擊微塑料聚合物鏈，破壞其機(jī)械穩(wěn)定性微生物穿透微塑料顆粒，將其徹底分解為CO?、H?O等小分子物質(zhì)，并利用其作為碳源與能源3.1.4微生物對(duì)新污染物的響應(yīng)及去除機(jī)制——微塑料3.1微生物去除技術(shù)簡(jiǎn)介五氯苯酚（Pentachlorophenol,PCP）是一種典型的氧化磷酸化解偶聯(lián)劑，可以通過(guò)改變生物膜的膜電位，抑制三磷酸腺苷（AdenosineTriphosphate,ATP）的合成效率，從而破壞微生物的能量代謝過(guò)程PCP對(duì)微生物的影響：干擾微生物氨基酸合成途徑，導(dǎo)致功能蛋白和關(guān)鍵酶的數(shù)量下降，進(jìn)一步削弱其物質(zhì)代謝能力PCP的去除：依賴于微生物的共代謝過(guò)程，微生物需要從易降解有機(jī)物獲取電子和能量，進(jìn)而啟動(dòng)PCP的降解途徑。在厭氧條件下，通過(guò)還原脫氯反應(yīng)將PCP轉(zhuǎn)化為低氯代酚類中間產(chǎn)物，最終實(shí)現(xiàn)其部分降解或完全礦化雙工作電極生物電化學(xué)系統(tǒng)中五氯苯酚的完全生物降解3.1微生物去除技術(shù)簡(jiǎn)介3.1.4微生物對(duì)新污染物的響應(yīng)及去除機(jī)制——五氯苯酚優(yōu)勢(shì)菌群變化優(yōu)勢(shì)菌群的組成與動(dòng)態(tài)變化與外界環(huán)境條件密切相關(guān)，能夠在不同的環(huán)境條件下表現(xiàn)出不同的優(yōu)勢(shì)優(yōu)勢(shì)菌群穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)菌群定義在微生態(tài)平衡的條件下，某一微生態(tài)系統(tǒng)中數(shù)量占優(yōu)且功能主導(dǎo)的微生物種群被稱為優(yōu)勢(shì)菌群優(yōu)勢(shì)菌群憑借其強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)性與代謝活性，在特定生態(tài)位中維持較高的生物量與功能穩(wěn)定性3.1微生物去除技術(shù)簡(jiǎn)介3.1.5不同新污染物的微生物優(yōu)勢(shì)菌群擬桿菌門和變形菌門是抗生素降解過(guò)程中的關(guān)鍵功能菌群，它們通過(guò)分泌胞外酶和啟動(dòng)共代謝途徑，有效分解復(fù)雜抗生素結(jié)構(gòu)，提升去除效率抗生素降解的關(guān)鍵菌群厚壁菌門、放線菌門和酸桿菌門也是抗生素降解的重要功能菌群，它們通過(guò)分泌特異性降解酶和啟動(dòng)共代謝途徑，共同促進(jìn)抗生素的去除其他重要功能菌群磺胺甲惡唑生物降解微生物群落結(jié)構(gòu)相對(duì)豐度(%)門水平變形菌門擬桿菌門3.1微生物去除技術(shù)簡(jiǎn)介3.1.5不同新污染物的微生物優(yōu)勢(shì)菌群——抗生素降解微塑料的功能菌群變形菌門、擬桿菌門、綠彎菌門、放線菌門和芽單胞菌門是微塑料降解的關(guān)鍵功能菌群胞外酶與生物膜的作用菌群通過(guò)分泌胞外酶和形成生物膜，顯著提升微塑料的降解效率，同時(shí)促進(jìn)低分子量化合物的形成耐微塑料微生物的作用土壤中的微塑料污染會(huì)選擇性富集耐微塑料的微生物，如分枝桿菌屬、氣微菌屬和擬無(wú)枝酸菌屬代謝途徑與酶分泌能力耐微塑料微生物通過(guò)氧化降解、共代謝等獨(dú)特代謝途徑及高效的酶分泌能力，最終實(shí)現(xiàn)微塑料的礦化海洋中的微塑料3.1微生物去除技術(shù)簡(jiǎn)介3.1.5不同新污染物的微生物優(yōu)勢(shì)菌群——微塑料在五氯苯酚（PCP）脅迫下，廣古菌門、擬桿菌門、厚壁菌門、變形菌門和綠彎菌門成為優(yōu)勢(shì)菌門五氯苯酚脅迫優(yōu)勢(shì)菌門優(yōu)勢(shì)菌門通過(guò)其多樣的代謝途徑及高效的酶分泌能力，在PCP降解過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用優(yōu)勢(shì)菌屬通過(guò)協(xié)同作用改善氯酚類污染物的降解效率，包括電子傳遞和酶促降解等機(jī)制優(yōu)勢(shì)菌門降解PCP經(jīng)PCP長(zhǎng)期馴化的污泥中，優(yōu)勢(shì)菌屬主要有軟骨霉?fàn)罹鷮?、陶厄氏菌屬等PCP長(zhǎng)期馴化污泥優(yōu)勢(shì)菌屬01020403優(yōu)勢(shì)菌屬協(xié)同降解氯酚3.1微生物去除技術(shù)簡(jiǎn)介3.1.5不同新污染物的微生物優(yōu)勢(shì)菌群——五氯苯酚20世紀(jì)初20世紀(jì)40年代抗生素的發(fā)現(xiàn)促使微生物去除技術(shù)應(yīng)用于新污染物處理,標(biāo)志著抗生素時(shí)代的開(kāi)始20世紀(jì)50年代20世紀(jì)70年代21世紀(jì)初抗生素廢水生物處理成為研究熱點(diǎn)美國(guó)普強(qiáng)藥廠首次采用生物膜法和活性污泥法處理鏈霉素廢水，標(biāo)志著微生物技術(shù)在新污染物治理中的初步應(yīng)用活性污泥法逐漸規(guī)模化應(yīng)用美國(guó)雅培藥廠采用活性污泥法處理含青霉素廢水，并通過(guò)氯化處理進(jìn)一步凈化出水，推動(dòng)了技術(shù)的改進(jìn)關(guān)注持久性有機(jī)污染物（如滴滴涕、多氯聯(lián)苯）的微生物降解機(jī)制證實(shí)其主要通過(guò)共代謝途徑被降解，并發(fā)現(xiàn)活性污泥系統(tǒng)中進(jìn)化出了很多具有特定污染物降解能力的功能微生物微生物去除技術(shù)迅速發(fā)展通過(guò)篩選高效降解菌/功能酶及開(kāi)發(fā)新型反應(yīng)器，顯著提升了新污染物的去除效率青霉素的發(fā)現(xiàn)3.2微生物去除技術(shù)發(fā)展史3.3微生物去除技術(shù)原理直接代謝微生物對(duì)污水中新污染物的去除以其新陳代謝（直接代謝和共代謝）為基礎(chǔ)共代謝指的是在生長(zhǎng)基質(zhì)或可生物降解有機(jī)物（易降解有機(jī)質(zhì)）的存在時(shí)，能夠?yàn)槲⑸锏纳L(zhǎng)提供碳源與能量，并且誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生關(guān)鍵降解酶及輔因，進(jìn)而促進(jìn)微生物對(duì)難降解有機(jī)物的降解轉(zhuǎn)化微生物共代謝降解新污染物的過(guò)程中，易降解有機(jī)質(zhì)可為微生物提供碳源和能量，維持微生物的生長(zhǎng)，有效驅(qū)動(dòng)新污染物的轉(zhuǎn)化與礦化微生物的新陳代謝分解代謝（異化）：酶催化污染物分解，釋放能量，生成ATP

，以結(jié)合能的形式貯存起來(lái)合成代謝（同化）：利用污染物或中間產(chǎn)物，合成微生物自身細(xì)胞成分3.3.1微生物去除技術(shù)基本原理微生物好氧或厭氧去除新污染物的電子傳遞過(guò)程電子從供體（新污染物或易降解有機(jī)質(zhì)）依次傳遞給NADP?、FAD、FMN等載體，再經(jīng)電子傳遞系統(tǒng)傳給外源電子受體，生成水或其他還原產(chǎn)物并釋放能量。根據(jù)最終電子受體不同，分為好氧（O?為受體）和厭氧（氧化型化合物為受體）去除技術(shù)微生物直接代謝/共代謝降解新污染物的電子傳遞過(guò)程3.3微生物去除技術(shù)原理3.3.1微生物去除技術(shù)基本原理降解路徑定義降解規(guī)律降解順序v好氧微生物去除技術(shù)通過(guò)多種酶促氧化反應(yīng)，如氧化、羥基化、脫鹵、環(huán)裂解等，將新污染物分解為簡(jiǎn)單有機(jī)物或無(wú)機(jī)物，同時(shí)釋放能量微生物降解新污染物路徑包括氧化、羥基化、脫鹵、環(huán)裂解等，多環(huán)芳烴等在新污染物在酶作用下先環(huán)氧化后裂解為簡(jiǎn)單有機(jī)酸和二氧化碳新污染物降解初始于單加氧酶催化，后雙加氧酶完成礦化。含鹵素新污染物經(jīng)還原脫鹵后，親水性增強(qiáng)，進(jìn)入TCA循環(huán)氧化為水、二氧化碳v對(duì)于多苯環(huán)新污染物，間位取代鹵代聯(lián)苯更易降解，無(wú)/少取代基的苯環(huán)先開(kāi)環(huán)裂解；含兩個(gè)苯環(huán)者，鹵素集中苯環(huán)易降解3.3微生物去除技術(shù)原理3.3.2微生物好氧去除技術(shù)原理02脫鹵反應(yīng)與鹵代化合物脫鹵過(guò)程在厭氧條件下更易發(fā)生，新污染物作為電子受體，通過(guò)還原脫鹵反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電子傳遞，同時(shí)鹵素原子被氫原子取代厭氧生物處理技術(shù)通過(guò)兼性厭氧和厭氧微生物將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳，無(wú)需額外能耗，因此在新污染物降解中廣泛應(yīng)用厭氧生物處理技術(shù)新污染物影響微生物電子傳遞鏈，直接與NADH脫氫酶結(jié)合，抑制FMN、FAD合成，同時(shí)阻礙細(xì)胞色素復(fù)合體功能，進(jìn)而抑制電子傳遞至最終受體碳?xì)浠衔镌趨捬跎锝到馇靶杌罨?jīng)富馬酸鹽加成、未取代芳烴甲基化、烷基取代基羥基化、直接羧化等酶反應(yīng)后，進(jìn)入中心代謝碳?xì)浠衔锘罨c降解新污染物對(duì)好氧、厭氧電子傳遞的影響新污染物對(duì)微生物電子傳遞的抑制作用3.3微生物去除技術(shù)原理3.3.3微生物厭氧去除技術(shù)原理圖1：微生物燃料電池去除新污染物的機(jī)理（以丁卡因?yàn)槔﹫D2：微生物電解池去除新污染物的機(jī)理（以丁卡因?yàn)槔┰恚豪藐?yáng)極微生物氧化分解新污染物，產(chǎn)生質(zhì)子（H?）和電子（e?）。H?通過(guò)陽(yáng)離子交換膜或直接到達(dá)陰極，電子由電活性菌傳遞至陽(yáng)極，形成電勢(shì)差驅(qū)動(dòng)電子通過(guò)外電路到達(dá)陰極，與電子受體（如氧氣）結(jié)合發(fā)生還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)能量輸出。陽(yáng)極區(qū)為厭氧環(huán)境，陰極區(qū)以氧氣為電子受體，兼具厭氧和好氧特征MFCMEC3.3微生物去除技術(shù)原理3.3.4新型微生物去除技術(shù)及其原理——微生物電化學(xué)技術(shù)微藻是一種光合微生物，可高效去除氮、磷并固定二氧化碳，同時(shí)回收生物質(zhì)資源由于純?cè)逑到y(tǒng)難以維持，菌藻共生系統(tǒng)更為常見(jiàn)，兼具高效去除營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和新污染物（如抗生素、農(nóng)藥等）的能力，且抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定菌藻相互作用復(fù)雜，既有互利共生，也有營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)新污染物的去除途徑：生物吸附、累積、降解、光降解和揮發(fā)，其中生物降解是主要機(jī)制菌藻共生系統(tǒng)去除新污染物的機(jī)制3.3微生物去除技術(shù)原理3.3.4新型微生物去除技術(shù)及其原理——藻共生去除技術(shù)光催化耦合微生物技術(shù)去除新污染物的可能機(jī)制新污染物降解途徑：通過(guò)光催化氧化轉(zhuǎn)化為可生物降解的中間產(chǎn)物，再由微生物代謝為CO?和H?O。新型混合載體將光催化劑涂覆于多孔載體表面，微生物分布于內(nèi)部，避免紫外光、自由基和新污染物的直接傷害常用光催化劑包括TiO?、ZnO、CdS、CuO和g-C?N?，通過(guò)光生電子和空穴生成自由基降解污染物，微生物則利用中間產(chǎn)物進(jìn)行代謝3.3微生物去除技術(shù)原理3.3.4新型微生物去除技術(shù)及其原理——光催化耦合微生物去除技術(shù)3.4微生物去除技術(shù)影響因素新污染物的特性

結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、可生物降解性、功能基團(tuán)種類和數(shù)量微生物特性

微生物種類、生長(zhǎng)代謝活性、微生物濃度環(huán)境特征或運(yùn)行條件

pH、氧化還原電位、污泥齡、水力停留時(shí)間、共基質(zhì)類型和濃度在新污染物的微生物去除過(guò)程中，新污染物的生物降解程度各不相同。有的新污染物很快完全礦化（轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳），有的則降解不完全，形成中間代謝產(chǎn)物，還有的在生物處理過(guò)程結(jié)束后仍會(huì)持續(xù)存在3.4微生物去除技術(shù)影響因素3.4.1新污染物的特性親水性低分子量碳?xì)浠衔锔兹苡谒?。酚類污染物具有較高的水溶性，易被生物所降解，但當(dāng)苯酚分子氯化程度增高，水中的溶解度下降，脂溶性增強(qiáng)，也難以被生物降解結(jié)構(gòu)形式、官能團(tuán)及其穩(wěn)定性醚、羥基、羰基、氨基等官能團(tuán)的存在會(huì)提高新污染物的生物降解性，而鹵素、環(huán)結(jié)構(gòu)、脂肪族醚和硫的存在會(huì)降低其生物降解性濃度濃度較高時(shí)，往往會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生抑制作用，限制了新污染物的降解速率，濃度較低時(shí)，其對(duì)微生物的毒性也較低，此時(shí)降解效果會(huì)得到改善3.4微生物去除技術(shù)影響因素3.4.2微生物特性種類

不同的功能微生物具有不同的代謝能力和降解新污染物的途徑代謝活性

微生物的代謝速率也決定了新污染物降解的速度適應(yīng)性

微生物對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性和對(duì)新污染物的耐受性影響著它們?cè)谖鬯幚硐到y(tǒng)中的存活能力和代謝能力不同種類微生物3.4微生物去除技術(shù)影響因素3.4.3環(huán)境特征及運(yùn)行條件污泥齡（SRT）延長(zhǎng)污泥齡加強(qiáng)對(duì)濃度極低的新污染物的生物降解。一方面較長(zhǎng)的污泥齡可以保證生長(zhǎng)緩慢的微生物的正常繁殖、代謝，另一方面延長(zhǎng)污泥齡還可使微生物在寡營(yíng)養(yǎng)條件下實(shí)現(xiàn)混合底物生長(zhǎng)，利用多種低濃度難降解底物如抗生素等，促進(jìn)通過(guò)共代謝作用的新污染物降解經(jīng)驗(yàn)公式：新污染物去除率=650%×{HRT}h-0.91×{SRT}d-0.70（R2=0.45）3.4微生物去除技術(shù)影響因素3.4.3環(huán)境特征及運(yùn)行條件污泥齡（SRT）污泥齡延長(zhǎng)在生物相組成和生物量方面對(duì)新污染物的生物轉(zhuǎn)化有促進(jìn)作用污泥產(chǎn)量增加，帶來(lái)反應(yīng)器擴(kuò)容、占地面積增加的問(wèn)題案例：當(dāng)SRT從3d增至10d時(shí),MBR對(duì)四環(huán)素去除率從78.4%提高至85.1%,大于30d時(shí)去除率達(dá)89.0%以上當(dāng)SRT為20d時(shí),傳統(tǒng)活性污泥法工藝對(duì)克拉霉素和甲氧芐氨嘧啶的去除率<10.0%；當(dāng)SRT>50d時(shí),對(duì)2種抗生素的去除率大于90.0%3.4微生物去除技術(shù)影響因素3.4.3環(huán)境特征及運(yùn)行條件氧化還原狀況（好氧/缺氧/厭氧）有氧條件有利于通過(guò)溶解氧誘導(dǎo)氧化作用對(duì)多種新污染物進(jìn)行直接氧化，更高的氧化還原電位使得微生物細(xì)胞獲得的能量更多，還能提供電子供體微生物好氧技術(shù)去除新污染物的轉(zhuǎn)化過(guò)程好氧條件有利于大部分新污染物去除改進(jìn)型連續(xù)流好氧顆粒污泥工藝磺胺甲惡唑3.4微生物去除技術(shù)影響因素3.4.3環(huán)境特征及運(yùn)行條件氧化還原狀況（好氧/缺氧/厭氧）某些新污染物的降解則在厭氧條件下更有效。帶有酰胺官能團(tuán)的磺胺甲惡唑在有氧條件下難以被微生物降解，但在厭氧條件下缺電子的磺?；鶊F(tuán)很容易被微生物還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化磺胺甲惡唑生物降解主要代謝路徑好氧與缺氧/厭氧相結(jié)合可有效改善新污染物降解效果，且可以有效地降低新污染物的生物毒性極少數(shù)新污染物的降解不受氧化還原條件的影響。如無(wú)論氧氣水平如何，微生物對(duì)卡馬西平和苯并三唑的去除效果都有限。3.4微生物去除技術(shù)影響因素3.4.3環(huán)境特征及運(yùn)行條件水力停留時(shí)間（HRT）不同的污水生物處理系統(tǒng)具有各自最適宜的降解新污染物的HRTHRT對(duì)新污染物降解效能的影響也因新污染物的種類及其去除機(jī)理的不同而異依靠生物降解去除的新污染物隨HRT的延長(zhǎng)而升高：如磺胺甲惡唑。依靠吸附作用去除，難生物降解的新污染物受HRT的影響較?。亨Z酮類、四環(huán)素類和部分大環(huán)內(nèi)酯類抗生素污水生物處理系統(tǒng)水力停留時(shí)間普通活性污泥幾小時(shí)至幾天厭氧消化系統(tǒng)幾周至幾個(gè)月生物濾池幾分鐘至幾小時(shí)（取決于濾料類型和污染物特性）磺胺甲惡唑：依靠生物降解去除四環(huán)素：依靠吸附作用去除，難生物降解3.4微生物去除技術(shù)影響因素3.4.3環(huán)境特征及運(yùn)行條件溫度溫度影響微生物的生長(zhǎng)活動(dòng)及其產(chǎn)生的酶的功能與活性，而酶催化反應(yīng)的速率對(duì)生物降解新污染物速率有直接影響溫度還會(huì)對(duì)微生物吸附新污染物的過(guò)程產(chǎn)生影響對(duì)于大部分微生物的生化過(guò)程而言，溫度在20-30oC時(shí)效果最好，30oC以上和10oC以下微生物及酶活性會(huì)受到抑制或破壞新污染物在微生物細(xì)胞表面的吸附速率隨著溫度的升高而降低，符合Freundlich等溫吸附模型。例如，當(dāng)溫度從15oC升至25oC時(shí)，四環(huán)素的吸附平衡常數(shù)（Kd值）從1.19L/g降至0.841L/g，磺胺甲惡唑的Kd值從0.633L/g降至0.367L/g3.4微生物去除技術(shù)影響因素3.4.3環(huán)境特征及運(yùn)行條件pH不同微生物的環(huán)境適應(yīng)能力不同，對(duì)pH的要求各不相同作為微生物降解污染物的關(guān)鍵催化劑，酶具有最適pH值范圍大多數(shù)細(xì)菌、藻類和原生動(dòng)物的最適pH為6.5~7.5，少數(shù)微生物在4~10的pH范圍也可以生長(zhǎng)pH變化引起新污染物和微生物細(xì)胞的表面電荷變化，影響微生物對(duì)新污染物的吸附和利用過(guò)程當(dāng)環(huán)境pH值偏離最適范圍時(shí)，酶的活性會(huì)下降、甚至失活，從而降低污染物的降解效率例如，在低pH下，酚類新污染物主要以分子形式存在，更易于微生物降解；而在高pH下，酚類新污染物主要以陰離子形式存在，降解速率較慢3.5微生物去除技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)3.5.1優(yōu)點(diǎn)1）效率高微生物能夠有效地吸附、降解污水中的常規(guī)有機(jī)物，還能夠去除臭味和部分新污染物2）運(yùn)行費(fèi)用低運(yùn)行成本較低，僅為理化技術(shù)的30-50%，不需要大量的化學(xué)試劑，易于維護(hù)和管理3）環(huán)境友好幾乎不產(chǎn)生二次污染，且微生物可以直接利用污水中的新污染物等有機(jī)物作為微生物的能源和碳源4）適應(yīng)性強(qiáng)微生物物種豐富、具有多種代謝類型，通過(guò)篩選和馴化，可適應(yīng)不同含新污染物的有毒廢水3.5微生物去除技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)3.5.2缺點(diǎn)1）啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)從接種、馴化到穩(wěn)定運(yùn)行往往需要較長(zhǎng)時(shí)間，尤其是在新污染物污水中進(jìn)行微生物的馴化更為困難2）反應(yīng)速度慢新污染物大多生物可利用性差，因此生物降解往往需要幾天甚至幾個(gè)月才能達(dá)到理想的處理水平3）對(duì)環(huán)境條件敏感微生物代謝效率受外界因素影響較大，不利環(huán)境條件下微生物活性會(huì)大幅降低，新污染物去除效率會(huì)受到影響4）新陳代謝不完全大多數(shù)微生物不能完全降解、礦化新污染物，在新污染物轉(zhuǎn)化過(guò)程中，容易產(chǎn)生毒性更高、危害更大的未知中間體3.6微生物去除技術(shù)適用范圍微生物對(duì)低濃度新污染物具有較強(qiáng)的抗性，甚至有些新污染物在低濃度時(shí)會(huì)促進(jìn)微生物的代謝，但隨新污染物濃度的增加，其對(duì)微生物的毒性逐漸顯現(xiàn)，微生物的活性降低親水性強(qiáng)、分子量低、生物利用度高的新污染物更適合使用微生物技術(shù)去除；為難生物利用污染物，更適合使用高級(jí)氧化技術(shù)處理從新污染物濃度角度分析從新污染物種類角度分析部分持久性有機(jī)物、內(nèi)分泌干擾物、抗生素和部分微塑料等全氟化合物、納米材料和高科技稀土元素等適合處理低濃度新污染物污水，同時(shí)可利用物濾池、生物膜反應(yīng)系統(tǒng)等，增加微生物與新污染物的接觸面積，提高去除效率對(duì)于高濃度新污染物污水，可通過(guò)生物強(qiáng)化、與理化技術(shù)結(jié)合等方式3.7微生物去除技術(shù)案例分析與低碳發(fā)展策略研究案例1：協(xié)同厭氧還原、好氧氧化完全降解四溴雙酚A四溴雙酚A厭氧還原、好氧氧化的完全生物降解機(jī)制四溴雙酚A（TBBPA）是一種溴化阻燃劑，具有持久性和潛在致癌性。本研究開(kāi)發(fā)了厭氧-好氧復(fù)合處理系統(tǒng)，利用厭氧微生物將TBBPA還原脫鹵為雙酚A，再由好氧微生物降解雙酚A。實(shí)驗(yàn)表明，42天內(nèi)95.11%的TBBPA脫溴，85.57%的雙酚A被降解，證明了該技術(shù)對(duì)TBBPA完全降解的可行性，為類似污染物的處理提供了參考。研究案例2：微生物電化學(xué)系統(tǒng)降解四環(huán)素微生物電化學(xué)系統(tǒng)中的四環(huán)素生物降解機(jī)制四環(huán)素是一種廣泛存在于廢水中的抗生素，傳統(tǒng)去除技術(shù)效率低且易產(chǎn)生抗性基因。本研究構(gòu)建了單室微生物電化學(xué)反應(yīng)器，探究共代謝基質(zhì)對(duì)四環(huán)素降解的影響。結(jié)果表明，48小時(shí)內(nèi)90%以上的四環(huán)素可被降解，有限醋酸鹽（100mg·L-1）作為共底物可將去除效率提高44%，因其促進(jìn)了電活性細(xì)菌和四環(huán)素降解菌的富集，并上調(diào)了關(guān)鍵代謝途徑。3.7微生物去除技術(shù)案例分析與低碳發(fā)展策略研究案例3：畜禽養(yǎng)殖（奶牛場(chǎng)）廢水中抗生素生物處理技術(shù)中試研究中試裝置示意圖及現(xiàn)場(chǎng)圖本研究利用厭氧/好氧生化處理中試裝置處理含抗生素奶牛場(chǎng)廢水，探究硝化抑制劑的影響。結(jié)果顯示，未投加抑制劑時(shí)，有機(jī)物、氨氮、總氮和10種磺胺類抗生素去除率分別達(dá)92%、99%、83%和92%；投加抑制劑后，氨氮去除受抑制（硝化抑制率93%），其他9種抗生素降解效果未受影響。3.7微生物去除技術(shù)案例分析與低碳發(fā)展策略研究案例4：河道水旁路處理中試工藝中PPCPs的去除效果及機(jī)制河道水旁路處理PPCPs的中試工藝流程（A工藝：混凝沉淀-膜生物反應(yīng)器-臭氧B工藝：混凝沉淀-曝氣生物濾池-超濾-臭氧）隨著PPCPs廣泛使用，地表水中抗生素檢出率高達(dá)37%-80%，威脅生態(tài)安全。本研究對(duì)比兩種河道水旁路處理工藝（A、B）對(duì)30種PPCPs的去除效果。結(jié)果顯示，兩種工藝對(duì)PPCPs去除率均達(dá)92.5%以上，四環(huán)素類及咖啡因在生物段去除率超90%，臭氧段對(duì)難降解物質(zhì)（如卡馬西平）效果顯著。PPCPs去除機(jī)制包括吸附、共代謝等。3.7微生物去除技術(shù)案例分析與低碳發(fā)展策略研究案例4：河道水旁路處理中試工藝中PPCPs的去除效果及機(jī)制河道水旁路處理PPCPs的中試工藝流程（A工藝：混凝沉淀-膜生物反應(yīng)器-臭氧B工藝：混凝沉淀-曝氣生物濾池-超濾-臭氧）隨著PPCPs廣泛使用，地表水中抗生素檢出率高達(dá)37%-80%，威脅生態(tài)安全。本研究對(duì)比兩種河道水旁路處理工藝（A、B）對(duì)30種PPCPs的去除效果。結(jié)果顯示，兩種工藝對(duì)PPCPs去除率均達(dá)92.5%以上，四環(huán)素類及咖啡因在生物段去除率超90%，臭氧段對(duì)難降解物質(zhì)（如卡馬西平）效果顯著。PPCPs去除機(jī)制包括吸附、共代謝等。3.7微生物去除技術(shù)案例分析與低碳發(fā)展策略發(fā)展智慧水務(wù)，精細(xì)化管理污水生物處理過(guò)程能量供給和原料投加基因編輯技術(shù)篩選功能微生物菌藻共生技術(shù)智慧水務(wù)篩選或構(gòu)建高效功能微生物，提高新污染物降解效能利用耦合微生物去除技術(shù)，實(shí)現(xiàn)新污染物去除與資源回收的雙重效益

序批式微生物電化學(xué)反應(yīng)器MFC-MBR耦合裝置3.7微生物去除技術(shù)案例分析與低碳發(fā)展策略感謝觀看！第4章新污染物膜分離去除技術(shù)4.1膜分離技術(shù)簡(jiǎn)介在工程領(lǐng)域，“膜”（membrane）指的是具有選擇性分離功能的材料，因此也被稱為“分離膜”（separationmembrane）。在驅(qū)動(dòng)力的作用（如滲透壓差、液位差、電勢(shì)差等）下，物料從膜的一側(cè)進(jìn)入（進(jìn)料側(cè)），并與膜接觸，進(jìn)料側(cè)中的某些成分穿過(guò)膜進(jìn)入到膜的另一側(cè)（滲透?jìng)?cè)），而其他成分則被膜截留，富集在進(jìn)料側(cè)或者隨著進(jìn)料側(cè)物料流出反應(yīng)區(qū)域。膜分離技術(shù)具有操作簡(jiǎn)便、分離效率高、分離過(guò)程無(wú)相變、占地面積小、高度自動(dòng)化、無(wú)需額外添加化學(xué)藥劑、便于模塊化和規(guī)?；O(shè)計(jì)等優(yōu)勢(shì)，為解決新污染物帶來(lái)的水污染問(wèn)題提供了可靠的解決方案。進(jìn)料側(cè)滲透?jìng)?cè)驅(qū)動(dòng)力膜4.2膜分離技術(shù)去除技術(shù)發(fā)展史MF膜MF膜由于其孔徑較大，單獨(dú)過(guò)濾難以截留水中分子量較小的新污染物，一般通過(guò)耦合不同前處理工藝將廢水中的新污染物聚集成顆粒的形式，再通過(guò)MF膜的孔徑篩分作用，截留去除。2019年，LiZheng-Hao采用預(yù)混凝和MF組合工藝去除水中抗生素抗性基因（ARGs），水中ARGs總?cè)コ蔬_(dá)到2.9log。對(duì)于微塑料，由于其粒徑相對(duì)較大，可通過(guò)MF過(guò)濾去除，例如使用陶瓷MF膜過(guò)濾二級(jí)出水，對(duì)水中微塑料的去除率高達(dá)72%。UF膜2007年，Gomez.M首次研究了UF對(duì)三種高濃度內(nèi)分泌干擾物（雙酚A、雙酚F和三乙二醇二甲基丙烯酸酯）的去除效果，UF工藝對(duì)小分子內(nèi)分泌干擾物的去除效果相對(duì)較差，但當(dāng)超濾膜將水中的顆粒物質(zhì)截留在膜表面后，形成動(dòng)態(tài)膜，具有一定的預(yù)過(guò)濾效應(yīng)，但是在出水中仍然檢測(cè)出了較高濃度的內(nèi)分泌干擾物。2011年，Weemaes.M將UF與生物活性炭相結(jié)合，研究了組合工藝對(duì)抗生素的去除效果，發(fā)現(xiàn)其對(duì)抗生素幾乎可以完全去除。2019年，馬百文將混凝和UF結(jié)合，考察其對(duì)水中微塑料（MPs）的去除效能，發(fā)現(xiàn)混凝劑的種類和投量、微塑料的尺寸等對(duì)微塑料的去除效果和膜污染影響顯著，此后關(guān)于UF組合工藝在去除MPs的研究主要集中在膜污染方面。最新研究表明，重力驅(qū)動(dòng)超濾工藝（GDM）——在超濾膜表面構(gòu)建活性生物濾餅層，可有效地強(qiáng)化超濾工藝對(duì)水中新污染物（如抗生素、微塑料、嗅味等）的去除效能。4.2膜分離技術(shù)去除技術(shù)發(fā)展史

NF膜

2003年，Gallenkemper.M就研究了11種不同類型NF膜對(duì)典型內(nèi)分泌干擾物雙酚A和壬基酚的去除作用，發(fā)現(xiàn)去除率高達(dá)70%~100%。2006年，Kim.S研究了四種適用于不同鹽度的納濾膜對(duì)二級(jí)出水中內(nèi)分泌干擾物的去除作用，發(fā)現(xiàn)NF對(duì)內(nèi)分泌干擾物的去除率為45%~94%，且去除率與膜通量呈反比。2017年，Pramanik.B研究了單獨(dú)NF對(duì)兩種典型POPs——PFOA和PFOS的去除效果，在POPs的進(jìn)水濃度為數(shù)百ng/L的條件下，NF對(duì)兩種POPs的去除率均達(dá)到了約90%。同年，Soriano.Ao發(fā)現(xiàn)NF對(duì)另一種典型POPs——全氟己酸（PFHA）的去除率高達(dá)96.6~99.4%。在抗生素去除方面，2005年，Oatley.DL研究了NF對(duì)頭孢菌素類抗生素的截留，在最佳的NF工況下，對(duì)此類抗生素幾乎達(dá)到完全截留。此后，研究方向主要集中在共存物質(zhì)對(duì)截留效果的影響、截留模型開(kāi)發(fā)、與其他工藝耦合、新型膜研發(fā)、擴(kuò)大規(guī)模驗(yàn)證等方面。由于NF過(guò)程對(duì)抗生素僅僅是起到截留而非降解作用，而將光催化、臭氧間接氧化等高級(jí)氧化技術(shù)與納濾組合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)抗生素的徹底去除，例如將NF與光催化氧化技術(shù)結(jié)合，在提升抗生素去除效率的同時(shí)，還可緩解膜污染，提高NF工藝長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。NF對(duì)稀土元素具有顯著的截留和富集能力，Murthy.Z.V.P使用NF從水溶液中回收鐠（Pr），在進(jìn)水濃度10mg/L和100mg/L的條件下，NF對(duì)Pr的截留率可達(dá)到89.07%和84.20%。2019年，Lopez.J利用NF技術(shù)從酸性礦井廢水中回收硫酸和稀土元素，在合適的pH值下，NF對(duì)三價(jià)稀土元素的截留率達(dá)到95%以上。4.2膜分離技術(shù)去除技術(shù)發(fā)展史RO膜1977年，Datta.R首次將RO用于抗生素溶液的濃縮過(guò)程，發(fā)現(xiàn)了RO膜對(duì)抗生素具有高效的截留作用，但并未研究廢水中抗生素的截留效果。2002年，Adams.C首次在實(shí)際水廠中將RO技術(shù)用于廢水中抗生素去除，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)抗生素的有效去除。此后，關(guān)于RO去除抗生素的研究越來(lái)越多，尤其是其他膜技術(shù)（如UF和NF）與RO的組合技術(shù)，即雙膜法技術(shù)，可在保障對(duì)新污染物高效去除效果的同時(shí)緩解RO膜污染；同時(shí)，不同種類的抗生素（如磺胺甲惡唑、氨芐青霉素和阿莫西林、氟喹諾酮類抗生素、環(huán)丙沙星、抗生素抗性基因）相繼被發(fā)現(xiàn)均可通過(guò)RO工藝去除。對(duì)于內(nèi)分泌干擾物，2001年報(bào)道了RO對(duì)內(nèi)分泌干擾物中類固醇類激素的去除效果，去除率高達(dá)90%以上。2002年，Nghiem.LD發(fā)現(xiàn)RO對(duì)雌酮也具有較好的去除效果。然而，此時(shí)的研究觀點(diǎn)主要認(rèn)為RO對(duì)有機(jī)物的去除與其所帶電荷有關(guān)。2004年Kimura.K研究發(fā)現(xiàn)RO膜對(duì)內(nèi)分泌干擾物的去除效果與內(nèi)分泌干擾物的極性有關(guān)。2009年，Gomez.J.L研究了RO對(duì)持久性有機(jī)污染物—苯胺的去除效能，分析了不同操作變量（壓力、進(jìn)料體積流量、進(jìn)料濃度和pH值）對(duì)苯胺去除性能的影響。2018年，Shokri.Aref研究了RO對(duì)鄰甲苯胺的去除效能并分析了不同操作變量對(duì)RO去除性能的影響。RO去除新污染物主要依靠膜本身的截留作用，并沒(méi)有對(duì)污染物本身進(jìn)行降解。與氧化技術(shù)耦合是利用RO技術(shù)去除新污染物的重要方向，例如在2020年，Gu.Y.R利用RO膜截留富集原水中的全氟辛烷磺酸（PFOS），并開(kāi)發(fā)了高強(qiáng)度UV/SO32?光催化系統(tǒng)用于降解含有PFOS的RO濃縮液，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PFOS的分解去除。4.2膜分離技術(shù)去除技術(shù)發(fā)展史FO膜正滲透（FO）工藝是利用滲透膜兩側(cè)的滲透壓差作為過(guò)濾的驅(qū)動(dòng)力，其對(duì)新污染物的去除效能主要取決于溶液的摩爾濃度。2006年，Cartinella首次使用平板FO膜去除兩種激素（雌酮和雌二醇），兩種激素的去除率在96%~97%之間。2013年，JiyongHeo研究了FO膜對(duì)新污染物的去除效能，去除效果為：磺胺甲惡唑（SMX，67%~90%）≈卡馬西平（CBZ，68%~83%）>>阿特拉津（ATZ，34%~49%）>4-氯苯酚（4CP，28%~39%）>苯酚（PHN，21%~22%）。在2021年，Salamanca使用內(nèi)部含有水通道蛋白的TFC中空纖維FO膜，測(cè)試了對(duì)24種新污染物的截留率，發(fā)現(xiàn)FO膜對(duì)所測(cè)試的新污染物的截留率均超過(guò)了93%。

4.3膜分離技術(shù)過(guò)程原理4.3.1低壓膜濾（超濾和微濾）MF和UF均屬于壓力驅(qū)動(dòng)型膜分離技術(shù)，通常認(rèn)為，MF和UF的分離機(jī)理為孔徑篩分，膜孔大小對(duì)分離效果起決定作用。微濾膜孔徑大于0.1μm，超濾膜的分離孔徑在1nm~100nm之間，環(huán)境水體中存在的新污染物的分子量普遍偏低，因而MF和UF膜直接過(guò)濾難以實(shí)現(xiàn)對(duì)新污染物的有效截留。因此，實(shí)際應(yīng)用中，通常將低壓膜濾技術(shù)與活性炭吸附、生物降解等手段進(jìn)行組合，構(gòu)建以膜濾技術(shù)為核心的組合工藝，強(qiáng)化對(duì)廢水中新污染物的去除效能。1.活性炭-低壓膜濾耦合工藝粉末活性炭因其具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、高比表面積的特點(diǎn)，對(duì)水中的內(nèi)分泌干擾物、持久性有機(jī)物等新污染物具有良好的吸附能力，但存在粉末炭泄漏風(fēng)險(xiǎn)?；钚蕴颗c低壓膜濾技術(shù)的組合具有較為顯著的協(xié)同作用，一方面，低壓膜通過(guò)尺寸排阻作用去除水中的膠體、顆粒物以及吸附了難降解新污染物的粉末活性炭，保障出水的水質(zhì)安全性；另一方面，粉末活性炭在吸附水中新污染物的同時(shí)，還可去除部分水中的其他有機(jī)污染物，可有效緩解低壓膜濾單元的膜污染問(wèn)題，保障其長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。4.3膜分離技術(shù)過(guò)程原理2.膜生物反應(yīng)器（MBR）工藝膜生物反應(yīng)器（MBR）將傳統(tǒng)的活性污泥法與膜分離工藝（通常使用MF）相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)水體中多種污染物的同步高效去除。針對(duì)新污染物去除而言，MBR的主要工作機(jī)制包括污泥吸附、生物水解、生物分解等。由于不同新污染物的可生化性和污泥吸附率存在顯著差異，MBR對(duì)不同新污染物的去除能力也有所不同。MBR工藝對(duì)雌酮、雌二醇等內(nèi)分泌干擾物具有較強(qiáng)的去除作用，平均去除率高達(dá)90%以上；針對(duì)污泥吸附率較高且尺寸較大的微塑料類新污染物，MBR工藝對(duì)其的去除率高達(dá)99%。然而，由于卡馬西平、三氯生、新諾明等抗生素類新污染物較難降解，MBR工藝對(duì)其的去除率為20%~80%。盡管MBR工藝對(duì)廢水中的大部分新污染物具有較好的去除作用，但是出水中仍具有一定量的新污染物，即難以通過(guò)生物作用將其完全去除，通?？稍贛BR工藝后設(shè)置臭氧氧化、電化學(xué)氧化、UV/H2O2等設(shè)施，強(qiáng)化對(duì)新污染物的深度脫除。4.3膜分離技術(shù)過(guò)程原理4.3.2高壓膜濾（納濾、反滲透和正滲透）1.納濾（NF）膜分離NF對(duì)新污染物的截留去除機(jī)制主要包括通過(guò)篩分作用、靜電排斥以及吸附作用等。篩分作用是指分子尺寸大于膜孔徑的污染物，在物理作用下被NF膜截留在膜前的過(guò)程，而部分分子尺寸較小的親水性新污染物也可通過(guò)與水分子形成氫鍵增大其有效直徑，進(jìn)而被NF膜截留去除。通常情況下，中性藥物分子（例如酰胺咪嗪、安替比林、環(huán)磷酰胺等），僅通過(guò)篩分作用即可被NF膜截留去除。此外，水中的微塑料類新污染物的尺寸范圍主要集中在微米尺度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于NF膜孔徑，因此利用NF技術(shù)去除水中微塑料時(shí)，也主要是基于篩分作用。4.3膜分離技術(shù)過(guò)程原理2.反滲透（RO）膜分離反滲透（RO）通過(guò)在溶液側(cè)施加高于滲透壓的壓力，致使水分子反向滲透（從溶液側(cè)向溶劑側(cè)滲透）從而實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化的過(guò)程。一般而言，RO膜對(duì)新污染物能力的截留機(jī)制主要包括尺寸排阻、電荷排斥、疏水相互作用、特異性吸附（官能團(tuán)、氫鍵等）等作用。反滲透原理圖4.3膜分離技術(shù)過(guò)程原理2.正滲透（FO）膜技術(shù)正滲透（FO）是一種利用滲透壓驅(qū)動(dòng)的膜分離過(guò)程，F(xiàn)O裝置通常包含三部分：待處理進(jìn)料液，F(xiàn)O膜與汲取液（含回收系統(tǒng)）。汲取液通常具備較大的滲透壓（高于進(jìn)料液），根據(jù)熱力學(xué)第二定律，在正滲透過(guò)程中，水分子在膜兩側(cè)滲透壓差的驅(qū)動(dòng)下，自發(fā)地從FO膜進(jìn)料液側(cè)向汲取液側(cè)遷移，同時(shí)通過(guò)汲取液回收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)汲取液的再生和純水的生產(chǎn)。FO技術(shù)對(duì)新污染物的分離機(jī)制是以孔徑篩分和電荷排斥作用為主要截留機(jī)制，同時(shí)還需要考慮膜與溶質(zhì)間的相互作用。正滲透原理圖4.3膜分離技術(shù)過(guò)程原理3.膜蒸餾（MD）膜蒸餾原理圖膜蒸餾（MD）技術(shù)是利用疏水性微孔膜對(duì)水中的污染物進(jìn)行截留分離的過(guò)程，該過(guò)程依靠膜兩側(cè)存在的蒸汽壓差，即在一定的溫度驅(qū)動(dòng)下使水以氣態(tài)形式穿過(guò)疏水性微孔膜，在膜的另一側(cè)重新冷凝成水，從而實(shí)現(xiàn)水的凈化。疏水性微孔膜只允許氣態(tài)分子通過(guò)，理論上MD能實(shí)現(xiàn)對(duì)非揮發(fā)性污染物的完全截留。MD對(duì)新污染物的截留機(jī)制主要包括靜電作用力以及基于化合物揮發(fā)性和疏水性的排斥作用。受新污染物自身?yè)]發(fā)性和親疏水性的影響，揮發(fā)性新污染物（如多環(huán)芳烴、有機(jī)氯農(nóng)藥等）和疏水性新污染物通常難以被MD膜分離去除。4.4膜分離技術(shù)影響因素4.4.1膜特性不同的膜材料對(duì)新污染物分離性能具有顯著的差異性。目前大多數(shù)的商品納濾膜和反滲透膜都是有機(jī)膜，主要是采用芳香聚酰胺系列和醋酸纖維素系列的有機(jī)聚合物制成，聚酰胺納濾膜通常由活性聚酰胺層、聚砜支撐層和無(wú)紡布層3層緊密組成，膜孔徑較小，且對(duì)污染物吸附迅速，而醋酸纖維納濾膜孔徑較大，且組成更為松散，更容易解吸，因此醋酸纖維納濾膜對(duì)新污染物的去除效果不如聚酰胺納濾膜。膜材料膜孔徑是衡量膜對(duì)新污染物去除效能的一個(gè)重要參數(shù)，通常以截留分子量（MWCO）來(lái)量化，其主要是通過(guò)影響孔徑篩分作用來(lái)影響新污染物的分離效率。膜對(duì)新污染物的去除率由于空間位阻引起的尺寸篩分效應(yīng)隨著MWCO的減小而增強(qiáng)。由于孔隙大小影響膜的排斥能力，使用某些添加劑來(lái)改變膜的孔隙結(jié)構(gòu)已成為提高膜分離性能的重要手段之一。膜孔徑膜表面親疏水性通過(guò)膜表面存在的含氧官能團(tuán)（如羧基、羥基等）影響膜和新污染物的相互作用來(lái)影響新污染物的分離過(guò)程。通常通過(guò)測(cè)定膜對(duì)水的接觸角來(lái)表征膜表面的親疏水性，接觸角越低，水-膜界面張力越小，膜表面親水性越強(qiáng)。根據(jù)疏水相互作用原理，對(duì)于大部分疏水性新污染物，通常難以吸附在親水性膜表面，而容易吸附在疏水性膜表面。膜表面親疏水性膜表面電荷會(huì)通過(guò)引起膜與污染物之間的相互靜電作用來(lái)影響對(duì)污染物的去除效果和膜污染過(guò)程，當(dāng)膜表面電荷與新污染物所帶電荷相同時(shí)，通常可以通過(guò)靜電排斥作用，減少新污染物在膜表面的粘附和沉積，從而增強(qiáng)新污染物分離以及減緩膜污染。評(píng)估膜表面電荷的一個(gè)主要參數(shù)是膜表面的zeta電位。通過(guò)膜表面改性、接枝、采用富電荷單體等方式增強(qiáng)膜表面的電荷特性是強(qiáng)化膜對(duì)新污染物去除的有效手段之一。膜表面電荷膜表面粗糙度會(huì)影響新污染物與膜的接觸面積或接觸位點(diǎn)以及錯(cuò)流過(guò)濾時(shí)膜表面的水力條件。隨著粗糙度增大，新污染物與膜表面的接觸面積增大，吸附效應(yīng)增強(qiáng)；然而，粗糙表面易導(dǎo)致存在水流剪應(yīng)力較小的“死區(qū)”，致使黏附或沉積在膜表面的污染物難以被沖刷掉，從而加重膜污染。近年來(lái)研究者們研制了多種具有表面微觀形貌的新型納濾膜和反滲透膜，這些規(guī)整的亞微米尺度以上的表面形貌對(duì)膜的透水性和截留能力影響不大，但能夠有效強(qiáng)化膜前的水力條件，從而有助于改善濃差極化現(xiàn)象并減少新污染物在膜表面的沉積和黏附。膜表面粗糙度4.4膜分離技術(shù)影響因素4.4.1膜特性部分商業(yè)納濾膜和自制納濾膜對(duì)新污染物的截留效果通過(guò)表面改性、接枝、摻雜等手段改變膜表面的親疏水性、活性官能團(tuán)種類及數(shù)量等，可強(qiáng)化膜（如NF、RO等）對(duì)新污染物的截留性能和抗污染能力，有助于提高膜的運(yùn)行穩(wěn)定性和成本效益，并延長(zhǎng)膜的使用壽命。4.4膜分離技術(shù)影響因素4.4.2進(jìn)水水質(zhì)

不同新污染物的分子量大小、分子結(jié)構(gòu)、親疏水性、電離狀態(tài)等方面的性質(zhì)具有較大差異，膜分離的主導(dǎo)截留機(jī)制也會(huì)隨之有所差異，從而影響膜分離效能。例如，UF膜主要通過(guò)吸附、疏水相互作用以及通過(guò)靜電排斥去除疏水性新污染物，低溶解度、高logKow值、低偶極矩、負(fù)電性更強(qiáng)的新污染物，更容易被NF截留去除。新污染物特性溶液pH

改變水的離子強(qiáng)度可能會(huì)影響靜電相互作用，導(dǎo)致膜孔的收縮或膨脹，影響篩分效應(yīng)和靜電斥力，進(jìn)而影響膜對(duì)新污染物的分離效果。增加溶液的離子強(qiáng)度，可能導(dǎo)致膜孔收縮以及膜表面負(fù)電荷減少，對(duì)于以篩分效應(yīng)為主要截留機(jī)制的污染物而言，NF膜對(duì)其的截留率增加，而對(duì)于以靜電斥力作用為主要分離機(jī)制的新污染物而言，NF膜對(duì)其的截留率會(huì)有所下降。離子強(qiáng)度

pH的變化會(huì)引起NF膜表面電荷發(fā)生變化，并影響新污染物的解離度，從而改變膜與目標(biāo)物之間的靜電斥力作用，導(dǎo)致NF對(duì)目標(biāo)新污染物的截留效果發(fā)生變化。例如，使用NF膜過(guò)濾PFBS，在膜的等電點(diǎn)（pH=3）附近，NF膜對(duì)PFBS的截留率僅為83%，而當(dāng)pH增加到7和9時(shí)，NF膜對(duì)PFBS的截留率分別提高到96%和97%。在等電點(diǎn)附近，PFASs會(huì)發(fā)生解離，導(dǎo)致其與NF膜表面之間的靜電斥力降低，使PFASs更容易通過(guò)膜孔，造成PFASs的截留率降低。溶液pH

NOM與新污染物之間可能存在相互作用，進(jìn)而影響新污染物在膜分離過(guò)程中的遷移。在不同體系中，NOM對(duì)分離過(guò)程的影響有所差異，這取決于新污染物的物化特性、膜特性、操作條件等多重因素。在實(shí)際應(yīng)用中，NF膜容易受水體中有機(jī)物的污染，導(dǎo)致膜通量衰減，并影響濾膜的截留率。水中無(wú)機(jī)離子也會(huì)影響納濾膜對(duì)新污染物的截留性能。溶液中單價(jià)鹽（如NaCl）濃度的增加可能會(huì)導(dǎo)致中性分子截留率的降低和水通量的降低，這是由于鹽的存在導(dǎo)致膜的靜電作用減弱，膜孔孔壁的水化層變薄，進(jìn)而導(dǎo)致水和溶質(zhì)不容易透過(guò)膜。水中共存物質(zhì)4.4膜分離技術(shù)影響因素4.4.3操作條件

操作壓力對(duì)新污染物去除率的影響主要包括以下幾個(gè)方面：通常膜通量會(huì)隨著驅(qū)動(dòng)壓力的增加而提升，因此隨著操作壓力的增大，膜產(chǎn)水量增加，出水中新污染物被稀釋，導(dǎo)致新污染物的表觀截留率增加；但當(dāng)壓力增大到一定值時(shí)，根據(jù)溶解擴(kuò)散模型，膜表面會(huì)產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象，導(dǎo)致膜對(duì)新污染物的截留率降低。在過(guò)濾過(guò)程中，由于高壓驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致膜表面形成的密實(shí)的污垢層，有助于增強(qiáng)膜對(duì)新污染物的篩分作用。此外，針對(duì)不同的濾膜和目標(biāo)污染物，膜對(duì)新污染物的截留效果隨壓力的變化規(guī)律具有較大差別，主要是由于水力條件差異、膜-污染物疏水相互作用大小不同等原因引起的。壓力溶液pH

進(jìn)水溫度會(huì)影響納濾膜的孔徑與水通量。通常而言，納濾膜對(duì)新污染物的截留率隨溫度的升高而降低。一方面，隨著溫度的升高，會(huì)促進(jìn)膜孔內(nèi)的分子熱運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)膜孔張開(kāi)，提高膜的孔隙率和負(fù)電荷密度，使得納濾膜對(duì)中性和帶正電荷的新污染物的靜電排斥力和篩分作用減弱，導(dǎo)致對(duì)其的截留效果變差。另一方面，隨著水溫的上升，進(jìn)水的黏度下降，擴(kuò)散系數(shù)增加，有助于降低濃差極化污染，但溫度上升會(huì)使進(jìn)水中某些組分的溶解度上升，導(dǎo)致吸附污染增加。溫度

錯(cuò)流過(guò)程中，一定的水力剪切作用會(huì)使膜截留的大顆粒從膜表面遷移出去，從而減輕膜污染，并對(duì)新污染物的去除效率產(chǎn)生一定的影響。此外，通常認(rèn)為錯(cuò)流速率的增加會(huì)減少膜表面的濃差極化現(xiàn)象，濃差極化主要是膜表面局部溶質(zhì)濃度增加而引起的邊界層流體阻力增加（或局部滲透壓增加），導(dǎo)致傳質(zhì)推動(dòng)力下降而引起通量降低，通過(guò)降低進(jìn)料液濃度或改善膜面附近進(jìn)料液側(cè)的流體力學(xué)條件（如提高流速、采用湍流促進(jìn)器、設(shè)計(jì)合理的流通結(jié)構(gòu)等方法），可以減輕濃差極化現(xiàn)象，使膜的分離特性得以部分恢復(fù)。此外，通過(guò)降低膜表面新污染物的濃度和化學(xué)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)新污染物表觀截留率的提升。錯(cuò)流速率4.5膜分離技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)4.5.1優(yōu)勢(shì)1）藥耗低：膜分離技術(shù)主要是通過(guò)物理截留作用去除水中的新污染物，通常不依賴投加大量化學(xué)藥劑來(lái)去除新污染物，從根本上解決了常規(guī)水處理方法在凈水過(guò)程中的藥劑殘留及產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)副產(chǎn)物等問(wèn)題，且可最大程度地保留水中對(duì)人體有益的營(yíng)養(yǎng)元素，具有無(wú)藥、綠色的特點(diǎn)。2）操作條件溫和：膜分離通過(guò)通常是在常溫條件下進(jìn)行，操作條件溫和，不需要使用高溫或強(qiáng)酸堿等嚴(yán)苛條件，在去除溫敏性新污染物或易受外界環(huán)境變化影響的新污染物時(shí)具有突出的工藝優(yōu)勢(shì)。3）分離性能高、分離效果穩(wěn)定：膜分離機(jī)制主要是基于膜孔徑大小和膜材料特性對(duì)不同尺寸的新污染物進(jìn)行截留去除，且可通過(guò)不同膜工藝的組合與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類新污染物的高效穩(wěn)定去除。4）選擇性好，適應(yīng)范圍廣：根據(jù)污染物的性質(zhì)（分子量、親疏水性等）和膜的特性（如膜材質(zhì)、孔徑、表面性質(zhì)等），可以選擇合適的膜對(duì)特定的目標(biāo)新污染物進(jìn)行截留去除，使得其在處理復(fù)雜水體時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)不同新污染物的分級(jí)分序梯度去除，提升了水處理效果，甚至可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同有機(jī)物的分類回收和資源化利用。5）操作簡(jiǎn)便，便于模塊化設(shè)計(jì)和自動(dòng)化運(yùn)行：膜分離系統(tǒng)的操作相對(duì)簡(jiǎn)單，現(xiàn)代化的膜分離系統(tǒng)通常配備自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)出水水質(zhì)情況，自動(dòng)調(diào)整操作參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行。膜分離設(shè)備通常設(shè)計(jì)成模塊化結(jié)構(gòu)，便于安裝和維護(hù)。6）便于水廠的升級(jí)和改造：針對(duì)新污染種類和性質(zhì)的差異以及不同的凈水需求，可以通過(guò)更換不同類型的膜（如超濾、納濾等）或不同性質(zhì)的膜（PVDF、PVC膜等）來(lái)完成水廠的水質(zhì)提標(biāo)改造，這種改造方法具有土建施工少、土地利用率高、操作簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)。4.5膜分離技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)4.5.2不足1）膜污染嚴(yán)重：膜在實(shí)際使用中容易受到污染，這是膜分離技術(shù)面臨的一個(gè)巨大難題。污染物會(huì)在膜面或膜孔內(nèi)吸附或者沉積，引起膜污染，且隨著過(guò)濾時(shí)間的增加會(huì)顯著影響膜的產(chǎn)水通量以及對(duì)新污染物的去除效果，增加膜濾系統(tǒng)的操作壓力和能耗。為了保持膜系統(tǒng)的產(chǎn)水能力，需要對(duì)其定期進(jìn)行清洗和維護(hù)，當(dāng)膜污染特別嚴(yán)重且無(wú)法通過(guò)清洗有效恢復(fù)膜通量時(shí)，甚至需要更換膜，這不僅增加了膜系統(tǒng)的運(yùn)行成本，同時(shí)也影響了膜系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。2）運(yùn)行能耗高：反滲透和納濾系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中是需要施加較高的操作壓力，這會(huì)導(dǎo)致較高的能耗，特別是在處理高濃度的新污染物或大流量污水時(shí)，能耗問(wèn)題更加突出。因此，膜分離系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中需要考慮合適的節(jié)能措施，如反滲透系統(tǒng)中的能量回收裝置，如與熱泵技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水中能源回收與利用等。3）初始投資高：膜分離技術(shù)的初始投資主要包括膜材料、膜模塊、泵和管道等設(shè)備的費(fèi)用，與常規(guī)水處理技術(shù)相比相對(duì)較高。此外，膜材料的選擇和系統(tǒng)配置也會(huì)影響整體投資成本，需綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)需求。4）膜壽命有限：膜材料在使用過(guò)程中會(huì)逐漸老化，導(dǎo)致膜的性能下降，最終需要更換。這意味著膜分離系統(tǒng)需要定期維護(hù)和更換膜組件。膜的維護(hù)和更換不僅增加了運(yùn)營(yíng)成本，還會(huì)影響膜系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。5）處理能力有限：對(duì)于復(fù)雜水體環(huán)境（如含有多種不同類型的新污染物），單一的膜分離工藝的處理能力可能有限，需要與其他常規(guī)的水處理技術(shù)或者其他膜技術(shù)組合。4.6膜分離技術(shù)適用范圍低壓膜（MF和UF膜）低壓膜（MF和UF膜）由于孔徑較大，通常無(wú)法直接截留水體中新污染物。在實(shí)際應(yīng)用中，通常是以低壓膜為核心，與其他的預(yù)處理工藝（如混凝、氧化、吸附、生物預(yù)處理等）相結(jié)合，形成低壓膜濾組合工藝，以強(qiáng)化對(duì)水中新污染物的去除效能，在組合工藝中低壓膜主要起到絮體或吸附劑分離、微生物生長(zhǎng)載體等輔助作用。因此，低壓膜組合工藝通常用于特定性質(zhì)新污染物的去除。高壓膜（NF、RO和FO膜）高壓膜（NF、RO和FO膜）主要是通過(guò)膜自身的截留作用實(shí)現(xiàn)對(duì)新污染物的去除。因此，在判斷高壓膜對(duì)某種新污染物的適用性時(shí)，通常主要關(guān)注目標(biāo)新污染物的性質(zhì)（如尺寸、電荷、親疏水性等）和膜的性質(zhì)（如截留分子量、荷電性、親疏水性等）。針對(duì)尺寸顯著大于膜孔徑的新污染物，高壓膜濾均具有良好的截留能力；而面向尺寸與膜孔徑相近（處于同一數(shù)量級(jí)）的新污染物，則需多關(guān)注目標(biāo)污染物所帶電荷。膜蒸餾（MD膜）膜蒸餾（MD）技術(shù)對(duì)新污染物的分離主要是依靠疏水排斥作用，因此常用于處理非揮發(fā)性親水型新污染物，而揮發(fā)性新污染物則會(huì)在水蒸發(fā)過(guò)程中揮發(fā)，以氣態(tài)形式穿過(guò)疏水膜表面進(jìn)入膜蒸餾出水中，導(dǎo)致MD對(duì)其的截留效果變差。4.7膜分離技術(shù)案例分析與低碳發(fā)展策略4.7.1案例分析1.麥地那西多尼亞污水處理廠

麥地那西多尼亞污水處理廠再生水處理（中試）流程圖（1）水廠概況麥地那西多尼亞污水處理廠設(shè)有水處理線和污泥處理線。水處理管線包括一級(jí)處理（如粗細(xì)格柵、除砂除油系統(tǒng)等）和二級(jí)處理（曝氣生物反應(yīng)器和二沉池），部分廢水通過(guò)反滲透進(jìn)行了三級(jí)處理。反滲透系統(tǒng)配備了相關(guān)的設(shè)備、儀表和儀器，用于自動(dòng)監(jiān)測(cè)主要工藝參數(shù)和水質(zhì)參數(shù)。它配有含熱交換器的進(jìn)水槽，熱交換器連接到外部低溫恒溫器，從而可以控制給水的溫度。膜外殼由不銹鋼制成，內(nèi)部包含采用螺旋配置分布的反滲透膜（2540英寸）。反滲透膜由陶氏FILMTEC公司提供，型號(hào)為BW30-2540，工作壓力為15bar。同時(shí)采用具有三通閥的管道系統(tǒng)對(duì)三條管線（進(jìn)水、廢水和滲透）進(jìn)行定期取樣。（2）水質(zhì)分析RO系統(tǒng)運(yùn)行2h后，出水的咖啡因濃度降低至0.557mg/L，運(yùn)行24小時(shí)后，降至0.177mg/L，可可堿濃度從0.534mg/L（2h）降至0.104mg/L（24h）。裝置運(yùn)行72h后，出水中沒(méi)有檢測(cè)到新污染物，所有目標(biāo)新污染物近乎100%去除，使用反滲透時(shí)廢水中咖啡因的去除率超過(guò)99%。使用BW30-2540反滲透膜處理污水處理廠出水，可有效去除水中的咖啡因、可可堿、茶堿、阿莫西林和青霉素G等新污染物，是一種有效的三級(jí)處理方法。該方法在穩(wěn)定運(yùn)行72h后實(shí)現(xiàn)了新污染物100%去除，表明RO膜在去除新污染物方面具有顯著的工藝優(yōu)勢(shì)。4.7膜分離技術(shù)案例分析與低碳發(fā)展策略2.上海市某水廠上海市某水廠工藝流程圖（1）水廠概況該廠原設(shè)計(jì)規(guī)模7萬(wàn)m3/d，占地57畝，膜工藝也以青草沙水庫(kù)為原水，經(jīng)混凝沉淀后，再分別經(jīng)膜1（A）、膜2（B）、膜3（C）、膜4（D）處理，ABCD屬于并聯(lián)關(guān)系，消毒后出水供給用戶。其中，A、B、C采用PVC超濾膜材質(zhì)，膜池運(yùn)行周期如下：運(yùn)行工作78分鐘，降低液位，由原先工作液位3.1m降低至2.8m，曝氣氣洗90s，接著利用膜產(chǎn)水進(jìn)行氣水反洗90s，同時(shí)液位升至3.3m，排出污水，液位重新降至2.8m，之后進(jìn)水，液位恢復(fù)至工作運(yùn)行液位3.1mM，超濾膜重新進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，反洗整個(gè)過(guò)程耗時(shí)10min，一個(gè)完整的過(guò)濾周期為88min。D采用PVDF超濾膜材質(zhì)，膜池運(yùn)行周期如下：運(yùn)行工作40min，曝氣90s，之后恢復(fù)正常運(yùn)行；再運(yùn)行40min后，利用膜產(chǎn)水進(jìn)行氣水反洗90s，同時(shí)液位升至3.3s，排出污水，液位降至2.8m，再進(jìn)水，液位恢復(fù)至工作液位3.1m，超濾膜重新進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，整個(gè)反洗過(guò)程耗時(shí)5min，一個(gè)完整的工作周期為85min。4.7膜分離技術(shù)案例分析與低碳發(fā)展策略2.上海市某水廠（2）水質(zhì)分析將膜工藝出水中新污染物的分子量分為>10kDa、1k~10kDa和<1kDa三種范圍。其中，原水中沒(méi)有監(jiān)測(cè)到分子量>10kDa的有機(jī)物，同樣其它膜工藝段也沒(méi)監(jiān)測(cè)出分子量>10kDa的新污染物；A工藝段后出水中分子量<1kDa的有機(jī)物含量增加到4%，B工藝段出水中分子量<1kDa的有機(jī)物比例減少為2%，C工藝段出水中分子量<1kDa的有機(jī)物上升到6%，分子量<1kDa的有機(jī)物經(jīng)過(guò)膜工藝處理后下降了74%，表示膜工藝對(duì)分子量<1kDa的新污染物控制效果較好。分子量1k~10kDa的新污染物的濃度經(jīng)混凝沉淀處理后下降為59%，C工藝段出水中分子量1k~10kDa新污染物的含量為67%，說(shuō)明C對(duì)分子量1k~10kDa的新污染物控制效果較差；但是ABD工藝段對(duì)分子量1k~10kDa的新污染物有一定的控制效果，消毒后出水中分子量1k~10kDa的新污染物含量只有56%，相比于原水下降了32%。在各工藝段出水中檢測(cè)到正十一烷、正十六酸和十八碳二烯酸，2，4-二叔丁基-苯酚和鄰苯二甲酸二異丁酯。其中，經(jīng)過(guò)混凝、沉淀處理后，出水中新