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        城市污水中微塑料特性、檢測及去除

        2021-11-15 09:20:00韓書宇付英張游溫靜靜
        工業(yè)用水與廢水 2021年5期
        關鍵詞:檢測研究

        韓書宇, 付英, 張游, 溫靜靜

        (1.濟南大學 土木建筑學院, 濟南 250022; 2.水發(fā)規(guī)劃設計有限公司, 濟南 250013)

        2010 年, 192 個沿海國家產(chǎn)生了約2.75 億t 塑料廢物, 其中480 ~1 270 萬t 進入海洋, 預計到2025 年, 進入海洋的塑料廢物的累積數(shù)量將增加1個數(shù)量級[1]。 微塑料也會隨著污水的排放進入淡水水體, 從而污染河流、 湖泊。 在全世界范圍內(nèi), 微塑料污染已經(jīng)引起社會各界和研究學者們的廣泛關注, 解決微塑料污染問題成為當務之急。

        塑料顆粒按尺寸可分為大塑料(>5 mm)、 微塑料(0.1 ~5 mm)和納米塑料(<0.1 mm), 通常將尺寸小于5 mm 的塑料顆粒定義為微 塑料[2]。 Thompson等[3]最早在2004 年提出“微塑料”的概念, 早期主要研究微塑料在海洋中的分布及其對海洋生物的影響。 目前對于微塑料的研究已經(jīng)覆蓋多個方面: 在淡水和大氣及其他環(huán)境中的賦存特征、 對環(huán)境中物質(zhì)的吸附、 檢測方法等[4-6]。 Emine[7]指出大氣環(huán)境也是微塑料遷移的重要途徑, 并且在遷移過程中對人類健康產(chǎn)生不利影響[8]。 杜?。?]研究發(fā)現(xiàn)更小的聚乙烯顆粒有利于Cu2+吸附, 并且微塑料老化也會導致其吸附污染物質(zhì)的能力增強[10-11]。 但目前對于污水中微塑料的研究較少, 由于污水處理廠是微塑料進入自然環(huán)境中的一個重要途徑[12], 并且日排放量巨大, 因此對污水中的微塑料進行研究尤為重要。 本文主要針對城市污水中微塑料的特性、 檢測方法、 各工藝對微塑料的去除效果以及影響因素等進行闡述, 以期對加強城市污水處理中微塑料的去除研究提供重要信息。

        1 微塑料來源、 組成及危害

        1.1 微塑料來源

        城市污水中的微塑料主要分為2 種, 原生微塑料和次生微塑料[13]。 原生微塑料主要存在于個人洗護用品中, 如洗面奶、 洗發(fā)水等產(chǎn)品中, 作為研磨劑增大與皮膚的摩擦力從而增強清潔能力, 直徑一般為24 μm ~2 mm, 其中超過95%小于350 μm[14]。據(jù)統(tǒng)計, 全球每年約有1 500 t 來自個人護理產(chǎn)品的微塑料由污水處理廠排出后進入水生環(huán)境[14]。 除此之外, 在日常生活中洗滌紡織衣物也會釋放大量微塑料, 其中不同塑料種類的占比與污水處理廠所服務地區(qū)、 季節(jié)等因素有關。 次生微塑料是指較大的塑料碎片隨著時間的推移, 在物理、 化學和生物作用下分解而產(chǎn)生的物質(zhì)[13]。 在污水處理過程中,原生微塑料也會由于機械作用分解成為尺寸更小的次生微塑料。

        1.2 微塑料類型

        城市污水中的微塑料種類復雜, 主要包含聚乙烯(PE)、 聚 丙 烯(PP)、 尼 龍(PA)、 聚 氯 乙 烯(PVC)、 聚丙烯酸(PAA)、 聚苯乙烯(PS)、 聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、 聚酯纖維(PES)、 合成革等。 污水中的微塑料也可分為碎片類、 泡沫類、 薄膜類和纖維類, 其中纖維類含量最高, 其次為泡沫類, 纖維狀微塑料的主要來源是衣物的洗滌過程。我國不同地區(qū)部分污水處理廠的微塑料分布特征詳見表1。 不同地區(qū)的污水處理廠中微塑料的種類、尺寸、 顏色等存在差異, 這主要是因為污水處理廠所服務地區(qū)、 季節(jié)、 人口密度不同。 值得注意的是, 不同研究學者采用的樣品、 分析方法不同, 最終結(jié)果也會存在差異。

        表1 不同地區(qū)部分污水處理廠的微塑料分布特性Tab. 1 Distribution characteristics of microplastics in sewage treatment plants in different regions

        1.3 微塑料的危害

        根據(jù)現(xiàn)有研究, 微塑料在環(huán)境中非常難降解并且會保留幾十年甚至幾百年, 同時對動植物、人類有一定的危害性。 大量的微塑料進入環(huán)境后,會被生物捕食, 這樣不僅會造成物理傷害, 還會在消化系統(tǒng)中積累產(chǎn)生毒性。 有研究表明, 我國約有256 種水生物種被確定攝入微塑料, 被檢測到的微塑料主要以纖維的形式存在, 大部分顏色是透明或藍色[20]。 Li 等[21]研究表明, 微塑料可使貽貝的腸道微生物群發(fā)生改變, 并且在操作分類單元中發(fā)現(xiàn)了人類病原體, 這些都會影響動物健康, 甚至是食品安全。 微塑料可以通過食物鏈的傳遞富集在人類體內(nèi), 也可以在使用塑料制品容器時傳遞到體內(nèi), 比如外賣的盒子、 礦泉水瓶等,最終可能會導致未知的疾病。 Choi 等[22]研究發(fā)現(xiàn),PS 微片段不僅會使免疫細胞的急性炎癥增加20倍, 還會在與成纖維細胞和紅細胞直接接觸時, 導致乳糖脫氫酶和血紅蛋白的釋放。 雖然現(xiàn)階段對微塑料的危害性研究較多, 但是仍無法準確評估微塑料與有機污染物或重金屬離子的復合生態(tài)毒性影響, 以及兩者的相互作用機制。

        2 微塑料的檢測

        2.1 樣品預處理

        在污水處理廠取樣后, 需對樣品進行預處理,以消除大量雜質(zhì)及有機物對檢測過程的干擾。 首先, 對樣品進行消解, 常用的消解方法包括酸消解、 堿消解、 氧化消解, 其中使用H2O2和FeSO4的濕式消解法是一種普遍且高效可行的方法[23]。 不同消解方法的消解效果也不盡相同, 微塑料的回收率及形態(tài)也會產(chǎn)生相應變化。 消解后一般使用抽濾或密度浮選法提取微塑料, 如使用砂芯過濾裝置進行抽濾, 將濾膜自然風干后進行檢測等步驟[15-16],也有研究學者在進行抽濾后通過密度浮選法進一步篩選[18]。 對樣品預處理后, 還會有一部分非塑料物質(zhì)存在于樣品中, 這需要后續(xù)更細致地進行鑒定。

        2.2 微塑料的鑒定

        目前對于定性和定量檢測微塑料的方法沒有統(tǒng)一標準, 以往研究中一般采用目檢法、 光譜分析法和熱分析法。 目檢法是最常用的鑒定方法, 一般用肉眼或借助體式顯微鏡直接進行計數(shù)與鑒定。 光譜分析法主要包括傅里葉紅外光譜法(FTIR)、 拉曼光譜法(Raman Spectra)、 掃描電鏡能譜儀(SEMEDS)。 熱分析法利用了不同物質(zhì)在高溫下降解產(chǎn)物不同以及理化性質(zhì)會發(fā)生改變[24], 一般包括熱重分析與差示掃描量熱法(TGA-DSC)和熱解氣相色譜-質(zhì)譜(Pyr-GC-MS)。 常見鑒定方法的優(yōu)缺點見表2。

        表2 微塑料常見鑒定方法Tab. 2 Common identification methods of microplastics

        3 微塑料的去除

        3.1 污水處理過程中微塑料的去除

        污水處理工藝可大量去除水中的微塑料, 但由于日排放量巨大, 排入水體的微塑料數(shù)量也不容小覷, 因此研究污水處理過程中微塑料的去除非常重要。

        污水處理工藝一般分為三級, 其中微塑料的去除主要依靠一級處理[30]。 一級處理主要是機械處理, 包括格柵、 沉砂池、 初沉池等, 一般用于處理尺寸大于2.5 mm 及中等密度的微塑料[31]。 設置初沉池可提高微塑料去除率, 其一級處理后去除率可達49.72%[32], 一部分大尺寸微塑料進入污泥中[33], 導致一級處理后的水中微塑料尺寸都較小。 使用絮凝劑能顯著提高微塑料去除率, 哈爾濱市某污水處理廠設置混凝沉淀池, 其一級處理出 水 的 微 塑 料 去 除 率 可 以 達 到80.28%[16]。 并 且Hidayaturrahman 等[34]研 究 表 明 鋁 系 的 混 凝 劑 可 以獲得更好的去除率。 二級處理以生物處理為主,可以進一步去除水中微塑料, 其中大部分微塑料被轉(zhuǎn)移至污泥中。 二級處理過程中, 微生物很難降解微塑料[31], 微塑料與污泥顆粒聚集成團, 通過沉淀作用在二沉池中被去除, 上海市某污水處理廠二級處理出水微塑料去除率為12% 左右[32]。膜生物反應器(MBR)去除微塑料具有巨大優(yōu)勢,Talvitie 等[35]發(fā)現(xiàn)其對微塑料的去除率可達99.9%,但膜污染也是不可忽視的問題。 值得注意的是,Carr 等[30]發(fā)現(xiàn)二級處理污水中的塑料顆粒上普遍存在生物膜, 這可能會影響其物理性質(zhì), 從而影響去除效果。 南京某污水處理廠二級處理出水中, 薄片狀微塑料被全部去除, 但纖維狀微塑料占69%,這可能是因為生化處理過程中的污泥難以固定纖維狀微塑料[15]。 三級處理又稱深度處理, 一般可將微塑料去除率提升至98% 以上。 快速砂濾池對微塑料具有良好去除效果, 芬蘭某污水處理廠的去除率可達97%[35]。 韓國某污水處理廠利用臭氧進一步去除有機物及無機離子, 對微塑料的去除率為78%, 這可能是因為臭氧可以改變塑料的物理性質(zhì), 從而具有一定的去除效果[34]。 但也有三級處理工藝不能去除微塑料, 如紫外線消毒[16,32]。 目前,污水處理廠中針對于去除微塑料的工藝研究正處于起步階段, 對于以微塑料為目標的去除技術研究具有重要意義。

        3.2 去除率的影響因素

        微塑料去除率與密度、 粒徑密切相關。 一般情況下, 密度越小的微塑料越難去除。 Zhou 等[36]使用聚合氯化鋁(PAC)對PE 和PS 進行混凝去除, 結(jié)果表明, 密度較小的PE 去除率僅為30% 左右, 而PS 的去除率可達到80%。 Alvim 等[37]對某污水處理廠取樣的結(jié)果表明, 出水中PP 和PE 的含量最高, 這2 種塑料密度皆小于水的密度。 除了微塑料的密度會影響其處理效果, 形狀和粒徑大小也是重要影響因素。 整體來說, 污水處理廠中的微塑料去除率與粒徑基本成正比[38], 碎片狀和薄膜狀微塑料的處理效果優(yōu)于纖維狀和顆粒狀微塑料[39]。 需要注意的是, 污水處理廠出水中微塑料的尺寸都較小,說明污水處理工藝對較小尺寸的微塑料的去除存在不足, 今后需加強對小尺寸微塑料去除的研究。

        4 研究展望

        (1) 加強源頭管控。 污水中含量較多的微塑料種類是個人護理用品中的微珠, 建議出臺相應政策, 減少或者取締個人護理用品中微珠的使用。 絕大多數(shù)微塑料在自然環(huán)境中很難降解, 今后應提倡使用可生物降解或?qū)Νh(huán)境友好的塑料制品。 同時,從自身做起, 減少并循環(huán)使用塑料制品, 從而從源頭上控制微塑料污染。

        (2) 加強工藝研究。 需深入研究各工藝對微塑料的去除效果以及微塑料對工藝的影響, 以期減少處理成本并提高處理效率。 微塑料的尺寸、 種類及形狀都是不可忽略的因素, 目前對這方面的研究較少, 今后應綜合考慮這些因素的影響。

        (3) 建立統(tǒng)一標準。 目前對微塑料的提取、 檢測等步驟沒有統(tǒng)一的標準, 這導致不同的研究數(shù)據(jù)出現(xiàn)差別。 應根據(jù)現(xiàn)有的研究數(shù)據(jù)總結(jié)出一系列檢測標準, 以期能夠更準確、 高效地對微塑料進行定性、 定量研究, 從而有利于探究去除微塑料的最佳方案。

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