长期运行下，微塑料对膜生物反应器（MBR）中垃圾渗滤液处理过程中膜污染及出水水质的影响

《Waste Management》：Microplastics-induced effects on membrane fouling and effluent quality in MBRs for landfill leachate treatment under long-term operation

　　

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  微生物塑料（MPs）会加剧膜生物反应器（MBR）处理垃圾填埋场渗滤液时的膜污染。
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  MPs 会产生活性氧（ROS），增加EPS的释放，从而加重膜污染。
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  与对照组相比，MPs 会提高MBR污染层中的有机物质含量。
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  聚氟烃（PF）MPs 使 TMP（膜操作压力）升高至33.85 kPa，远高于对照组的13.17 kPa。
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  MPs 会增强丙酮酸、柠檬酸循环及其他途径的微生物代谢。

引言

由于塑料产品的多功能性和耐用性，它们成为日常生活中最常用的材料之一（Geyer等人，2017年）。然而，塑料的降解常常导致机械故障或在其功能寿命结束之前就被丢弃（Ghaffar等人，2022年）。一旦被丢弃，只有少量塑料废物被回收，大部分与家庭垃圾一起处理（Damayanti等人，2022年）。到目前为止，城市固体废物（MSW）填埋仍然是许多国家的主要处理方式，因为其运营成本相对较低且技术简单（Burlakovs等人，2019年；Chamanee等人，2024年）。在填埋场环境中，大型塑料物品会经历光降解、生物降解和机械破碎，分解成更小的颗粒。直径小于5毫米的颗粒被称为微塑料（MPs）（Chamanee等人，2024年）。由于体积微小，MPs可能随着填埋场渗滤液向下迁移，并最终进入渗滤液处理设施（Bian等人，2026年）。

填埋场管理中的一个关键挑战是处理填埋场渗滤液，这是一种高浓度的有机废水（Chamanee等人，2024年；Huang等人，2022年）。与传统活性污泥系统相比，膜生物反应器（MBRs）在处理填埋场渗滤液中表现出更高的效率（Egea-Corbacho等人，2023年）。MBRs能够有效实现固液分离，通过将微生物保留在污泥中而优于传统的沉淀池。这种保留作用促进了生长缓慢的细菌（如硝化细菌）的繁殖，从而提高了硝化能力。因此，MBR技术已被广泛用于填埋场渗滤液的处理（LaRue等人，2022年；Li等人，2020年）。与可生物降解的有机化合物不同，MPs对微生物降解具有抵抗力。由于MPs的颗粒尺寸远大于MBR中超滤膜的孔径，它们会在活性污泥中被截留和积累（Li等人，2021年；Nasiri等人，2025年）。先前的研究表明，在处理填埋场渗滤液的MBR系统中，MPs的浓度可达到3.51 × 10⁴个/L，比未经处理的渗滤液中的MPs浓度高出两个数量级以上（Sun等人，2021年）。

膜污染是MBR技术的一个主要限制因素，受废水成分、操作条件、膜特性和生物质特性的影响（Egea-Corbacho等人，2023年）。作为一种新的、引起严重 environmental concerns 的污染物，MPs在填埋场渗滤液中被广泛检测到（Bian等人，2026年）。目前，关于MPs对MBR处理填埋场渗滤液时膜污染影响的研究有限。然而，一些关于其他类型废水处理的研究已经探讨了MPs对膜污染的影响。MPs对基于膜的水处理系统的影响是多方面的，取决于具体情境，既有负面影响也有在某些条件下减轻膜污染的效果。MPs可以通过不同的途径加剧污染。在处理地表水的MBR中，聚氯乙烯（PVC）MPs作为直接物理污染物，在膜上积聚并增加水力阻力（Li等人，2020年）。在超滤系统中，聚乙烯（PE）MPs通过刺激原生微生物活动间接加剧了生物污染。这导致了胞外聚合物物质（尤其是多糖）的分泌增加，这些物质是主要的污染因子，形成了更密集、更疏水的生物膜，并改变了微生物群落（Meng等人，2017年；Xiong等人，2021年）。然而，一项针对序贯批次MBR的长期研究揭示了更为复杂的相互作用（Maliwan等人，2021年）。MPs的积累（0.3–5.6毫米）通过吸附二价阳离子（Ca²⁺、Mg²⁺）改变了污泥絮凝体的性质，减小了其尺寸和疏水性，削弱了絮凝结构。尽管对污泥有这些负面影响，但在124天内整体膜污染并未加重。MPs起到了 scouring 材料的作用，减缓了滤饼层的形成。总之，MPs不仅作为直接污染物和生物污染的生物刺激剂，还通过改变絮凝体化学性质来影响膜系统。其对污染的净效应（无论是加剧还是减轻）取决于这些机制之间的平衡，受MPs的性质、浓度和操作条件的影响。

关于MPs在废水处理中影响的研究主要集中在地表水和生活污水上，而对填埋场渗滤液的关注较少。鉴于填埋场渗滤液是一种高氮含量的废水，其中丰富的MPs可能会影响其处理过程。此外，在深入分析微塑料对膜污染的影响时，更多关注的是微生物群落的变化。虽然先前的研究评估了微塑料压力下胞外多糖的一般变化，但将细胞内代谢途径与渗滤液处理系统中膜生物膜物理压实联系起来的长期分子响应仍不甚清楚。然而，导致膜污染的一个关键因素是EPS的产生，这与微生物代谢活动直接相关。在这项研究中，向MBR系统中连续添加MPs以模拟它们对微生物代谢和膜污染的影响。设置了三个反应器组：一个对照组，一个聚苯乙烯（PS）MP组，和一个酚醛（PF）MP组。反应器连续运行210天，并定期监测出水质量（包括氨氮（NH₄⁺-N）、亚硝酸盐氮（NO₂^–-N）、硝酸盐氮（NO₃^–-N）以及污泥特性（如浓度、颗粒大小）。使用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）、原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）来分析膜表面并评估污染动态。微生物代谢组学进一步探讨了MPs、微生物代谢和膜污染在分子水平上的关系。本研究旨在全面揭示MPs影响MBR性能的机制。本研究的技术路线在补充信息的图S1中有所说明。

章节片段

实验材料

本实验中使用的污泥来自中国武汉陈家冲填埋场MBR渗滤液处理系统的生物池。污泥直接从好氧池和厌氧池的管道阀门中收集。污泥的特性在补充信息的表S1中显示。

本研究使用了两种代表性的MPs：PS MPs，这是一种在MPs污染研究中常用的通用塑料；以及PF MPs

MBR中的MPs积累和分布

从废弃的活性污泥和膜表面污泥饼中提取并分析了MPs。定量分析显示，MPs在废弃活性污泥中的积累逐渐增加，150天后浓度趋于稳定（图1a）。PS MPs组和PF MPs组在污泥中的最终浓度分别为63.1 ± 3.2 mg/L和46.4 ± 3.6 mg/L（图1a）。

本研究中的MPs平均颗粒大小约为200 μm

结论

在210天的运行期间，本研究系统地研究了不同类型MPs（PS和PF）对处理模拟填埋场渗滤液的MBR的出水质量、污泥特性、膜污染行为和微生物代谢功能的影响。长期暴露于MPs略微改变了宏观层面的出水COD和铵去除效率，尽管它显著抑制了特定硝化酶的活性

CRediT作者贡献声明

毕志杰：撰写——原始稿件、方法论、数据分析。闫静伟：撰写——审稿与编辑、方法论、数据分析。蒋时婷：撰写——审稿与编辑、方法论、数据分析。李慧英：撰写——审稿与编辑、可视化、数据分析。蔡瑞：撰写——审稿与编辑、可视化。李文：撰写——审稿与编辑、监督。史晶晶：撰写——审稿与编辑、可视化。杨帆：撰写——审稿与编辑

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（编号：2018YFD1100604）、湖北省重点研发项目（编号：2023BCB114）的支持。作者还感谢

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