污水處理過程中微塑料的特性

張楠，來嘉熙，高山雪，陳蕾

(南京林業(yè)大學 土木工程學院，江蘇 南京 210037)

微塑料，該術語于2004年首次用于描述在海樣(直徑20 mm)中觀察到的非常小的塑料碎片，通常被定義為尺寸小于5 mm的塑料顆粒[1-2]。微塑料主要可分為兩種：(1)初級微塑料;(2)次級微塑料[3-4]。微塑料的主要成分與塑料相同，因此其同樣具有難降解的特性，會對環(huán)境造成危害，一旦其被生物攝取，有可能阻礙生物進食[5-10]，甚至會劃破生物的腸道，危害生物的生命健康。除此之外，微塑料還能吸附環(huán)境中的有機、無機污染物，形成大的甚至有毒的[11]污染體，微塑料中的某些添加劑還具有一定的毒性，這些直接毒性會對環(huán)境、生物甚至是人類造成危害[12-13]。

1 污水處理過程中微塑料含量

1.1 污水中的微塑料

在污水處理廠中，待處理進水中的微塑料經(jīng)過污水處理廠的處理工藝，在這個過程中，微塑料主要存在于(1)污水以及(2)污泥這兩個場所中。在人類生產(chǎn)活動中，塑料制品得到廣泛應用，環(huán)境中微塑料的含量也在日益增加。但最近的證據(jù)表明，我們所謂的“塑性時代”帶來了生態(tài)風險[14]。污水處理廠的排放水是環(huán)境中微塑料的主要來源之一[15-16]。Mason等[17]的研究表明，服務人口密度越大的污水廠日排放微塑料量越大；Mccormick等[18]在某污水廠下游收集的沉積物中發(fā)現(xiàn)大量合成纖維。此外有研究表明，污水廠上游沉積物中微塑料濃度比水樣采樣點以及下游沉積物中的濃度都要低[17-19]。

1.2 污泥中的微塑料

經(jīng)過工藝處理后，微塑料仍有可能大部分截留在剩余污泥中。研究者通過分析發(fā)現(xiàn)，污水廠的進水中，98%的微塑料將會被截留在污泥中，并通過分析污水處理廠的污泥樣品，得出了污泥中微塑料數(shù)量范圍[20-21]。Carr等[22]經(jīng)過研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過表面脫脂的污泥中，大約每克含有5個微塑料。

2 污水處理過程中微塑料的性質變化

2.1 微塑料的遷移

Talvitie等[23]在進行大量觀測之后發(fā)現(xiàn)，在污水處理的進程中，微塑料能夠被有效去除，因為其在這一過程中易凝聚且吸附于其他污染物上，在初次沉淀過程得到有效的攔截，進而得到去除。污水廠的一級、二級處理工藝(如污泥法性方法等)具有很強的截留能力，能夠使得污水中微塑料的去除率超過 99.0%；Carr 等[22]通過觀測發(fā)現(xiàn)，污水廠的預處理環(huán)節(jié)在微塑料的去除過程中發(fā)揮了很大的作用，塑料污染物在格柵和沉淀過程中能夠得到有效去除，因此在三級污水處理廠的出水中微塑料含量很少。

2.2 對有機污染物的吸附

經(jīng)過污水處理廠的一系列處理過程之后，排放水中微塑料的含量明顯降低，但是，由于微塑料較難降解，因此，其性質并未得到根本改變，還是能夠吸附水中的有機污染物，形成較大的污染團，對環(huán)境等造成危害[24]。但經(jīng)過污水處理廠后，因其總體數(shù)量減少，所以相較于污水處理廠的進水，出水中總的微塑料含量有所下降，且其通過吸附有機污染物而形成的污染團數(shù)量也降低。

2.3 對生物的毒性

微塑料是尺寸較小的塑料碎片，因此，其主要成分同塑料相同，是用不同的添加劑合成的化學化合物。這些化合物性質穩(wěn)定，不容易被降解，因此其會長期存在于環(huán)境中，并且在環(huán)境中會吸附其他各類污染物，形成污染體，對環(huán)境造成污染。除此之外，用于合成微塑料的某些添加劑還具有一定的毒性。近年來關于微塑料的生物毒性的證據(jù)不斷增加。雖然塑料可能產(chǎn)生直接毒性，但同時也存在塑料中釋放的有害物質而產(chǎn)生的間接毒性。由于大多數(shù)塑料添加劑不是在化學上，而是物理上與塑料結合在一起的，因此它們會被釋放到環(huán)境中，并被生物體吸收，從而對各個生命體造成不同程度的危害。

污水處理廠主要去除污水中的氮、磷等物質，對于難降解的微塑料，只能做到物理截留，無法徹底去除[25]。因此經(jīng)過污水廠的處理工藝后隨排出水排入環(huán)境中的微塑料本身的性質不變，其本身的毒性以及對生物的毒害作用不變，依然能夠對環(huán)境、生物造成一定程度的危害。

3 污水處理廠對微塑料的去除

3.1 各工藝對微塑料的去除

污水處理廠的日處理量較大，因此即使每升出水中僅含有較少的微塑料，但其累計起來的含量仍然不容小覷，若排放至環(huán)境中，還是會產(chǎn)生不小的危害[26]。Sutton等[27]對美國舊金山灣的8個污水處理廠進行了觀測，發(fā)現(xiàn)這些污水廠每天總共會排放5 600萬個塑料微粒；Mintenig等對[28]德國某污水處理廠進行檢測，發(fā)現(xiàn)該污水處理廠每年大約能夠排出5萬億個微塑料；除此之外，Lares等[29]的研究結果顯示，芬蘭某城市污水處理廠每天能夠排放出至少1千萬個微塑料。

格柵、初次沉淀池、沉砂池等一級處理工藝除去了大部分被識別為紡織纖維和少量合成顆粒的物質，而到了活性污泥系統(tǒng)以及其他一些二級處理工藝則除去了大部分顆粒。Carr等[22]通過對不同污水處理廠的出水進行了比較，最終經(jīng)過研究得知，大部分三級污水處理廠基本上沒有排放微塑料污染物。大部分的污水處理廠都能有效地去除微塑料，并且去除效率都很高，至少都能夠達到90%以上。

3.2 去除率的影響因素

污水廠處理水中的微塑料去除率與其粒徑有關。一般情況下，其基本與粒徑呈正比，然而對于一些纖維狀的微塑料，去除率反而與粒徑成反比。由于纖維狀微塑料的去除率隨著粒徑增加而下降，而非纖維狀微塑料去除率隨著粒徑增加而增加，總體的去除率由于這兩者的加和略顯平穩(wěn)，但整體而言隨著粒徑增加呈逐漸上升趨勢[30]。

不同的處理工藝對微塑料的去除效果都不同。對于相同的污水廠，一天中的不同時段會使得污水中微塑料的含量產(chǎn)生一定差異[30]。Talvitie等經(jīng)過研究得出的結果表明，微塑料白天的濃度要比晚上高，而且下午到傍晚時段，其濃度逐漸上升[30]；同時,Miller 等[30]發(fā)現(xiàn)微塑料濃度也會隨著季節(jié)的變化而不同；微塑料的去除也與處理工藝有關。Talvitie等經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，對于一級工藝出水中微塑料，MBR法對其的去除率要比某些二級處理工藝高，(如快速砂濾池、溶解氣浮法等)經(jīng)過MBR處理后的污水中微塑料的濃度是最低的[30]，隨后，Lares 等[29]通過進一步的研究發(fā)現(xiàn)，MBR技術之所以能夠達到對微塑料的高效去除，是因為其小孔徑過濾器的作用；除此之外，提取、鑒定、分析樣本時使用的方法同樣也會使得研究結果產(chǎn)生一定程度上的差異。

4 研究展望

由于人類的生產(chǎn)活動，污水處理廠的出水為海洋、河流等自然環(huán)境中微塑料的一個主要來源。微塑料對生態(tài)環(huán)境、生物及人類的生命健康安全都存在一定的危害，因此需要加強對微塑料的去除，還應在以下方面進行改進：

(1)污水處理廠應該努力改進處理技術，盡量采用先進合理的處理技術和工藝，可以有效減少微塑料的排放。MBR處理工藝能達到高效去除微塑料，污水處理廠需要采用該技術，加強對微塑料的去除作用。

(2)污水處理廠中微塑料主要來源為生活污水，需要提高生活污水的排放標準，加大生活污水的處理強度，同時呼吁人類盡量減少化妝、洗滌用品的使用量。

(3)微塑料主要成分難降解，甚至可能含有一定的毒性，應加大宣傳，盡量減少塑料制品的使用，在源頭上減少微塑料的含量，同時也減輕了對微塑料處理工作的強度。

(4)污水處理廠的出水為塑料含量比進水降低了許多，但微塑料并未得到徹底去除，應加強對微塑料性質的研究，加強處理技術的研究，致力于從根本上降解除去微塑料，減少微塑料對環(huán)境造成的危害。