淡水環(huán)境中微塑料及其污染物去除

王金鑫 劉振中 江 文 吳 陽

(南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330000)

0 引言

粒徑一般低于0.5 cm的塑料顆粒在學(xué)術(shù)上習(xí)慣稱為微塑料，是人工制作的一種新型污染物，它在慢慢降解的環(huán)節(jié)中會(huì)不斷排出人工助劑。因?yàn)槠涑叽绮淮?、疏水能力高，極易依附在有機(jī)污染物中，與微生物生成綜合性污染物，在被水生動(dòng)植物吸收后，其毒性將在食物鏈中傳達(dá)與聚集，并對(duì)水生系統(tǒng)乃至人類健康帶來不良影響，因此，這些年來日益獲得了國內(nèi)外學(xué)者的注目。塑料已經(jīng)在海洋、淡水和陸地生態(tài)系統(tǒng)中隨處可見，甚至包括赤道和極地。現(xiàn)代社會(huì)對(duì)海洋環(huán)境的分析基本成熟，對(duì)淡水環(huán)境內(nèi)微塑料的分析相對(duì)比較落后[1]。國內(nèi)外的分析也在含青海湖、洞庭湖、鄱陽湖、萊茵河等相關(guān)內(nèi)陸水系內(nèi)找到了微塑料，部分淡水環(huán)境內(nèi)的微塑料含量較多地超過了海洋系統(tǒng)。而太湖表層水體樣中發(fā)現(xiàn)的微塑料豐度最高為6.8×106個(gè)/km2，為全球淡水湖泊中已找到的最高濃度[2]。淡水環(huán)境的微塑料污染與海洋環(huán)境相比，研究程度較淺。盡管研究有限，但在偏遠(yuǎn)地區(qū)的淡水環(huán)境中同樣發(fā)現(xiàn)微塑料污染，這表明在淡水環(huán)境中微塑料遍布世界。淡水環(huán)境對(duì)人類生活所帶來的影響十分關(guān)鍵，還是陸地環(huán)境和海洋環(huán)境中微塑料轉(zhuǎn)移的渠道。W．D．Jean-Pierre等[3]研究后表明，海洋中的各種微塑料均是源于淡水環(huán)境。更可怕的事實(shí)是，利用顯微拉曼光譜分析，在飲用水樣品中都檢測(cè)出纖維占主導(dǎo)的微塑料。由此可見淡水環(huán)境中的微塑料污染的嚴(yán)重性。

就微塑料展開的分析最開始重點(diǎn)聚集于海洋內(nèi)微塑料的劃分、檢查與毒理學(xué)分析方面。因?yàn)閷?duì)微塑料問題分析的持續(xù)推進(jìn)，許多研究人士開始注重淡水內(nèi)、污水處理廠內(nèi)的微塑料狀況，所探究微塑料的尺寸也從毫米級(jí)往微米級(jí)乃至更小的粒徑發(fā)展。另外，微塑料在轉(zhuǎn)移時(shí)也許會(huì)有污染物附著在上面，并與其一起在環(huán)境內(nèi)轉(zhuǎn)移與排出。微塑料對(duì)污染物(含對(duì)金屬元素、有機(jī)污染物等)的吸收會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和生物毒性帶來較大的負(fù)面效應(yīng)。微塑料對(duì)污染物的吸收會(huì)讓之前干凈的微塑料與污染物一起，提升了直接吸收微塑料生物的污染物暴露風(fēng)險(xiǎn)。

1 淡水環(huán)境中微塑料污染特征

1.1 淡水中微塑料的來源

進(jìn)入到淡水中的微塑料有干凈的與化妝品內(nèi)的聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯分子，其以排放生活污水的方式進(jìn)入到水生生物內(nèi)。其他微塑料含塑料樹脂粉或使用在噴射顆粒的工業(yè)用途上，以及使用在生產(chǎn)塑料制品的原料上。常見的雨水蓄水池在微塑料從陸地向水生環(huán)境的運(yùn)輸中發(fā)揮作用。污水處理廠也是微塑料進(jìn)入到水生系統(tǒng)中的一種主要方式，此類工廠在沉積、凝聚等作業(yè)后，超過98%的微塑料被處理掉，雖然處理率十分高，其出水內(nèi)每天也包括6.5千萬個(gè)微塑料[4]。也有研究獲得了與上述結(jié)論十分接近的結(jié)論，生活污水在污水處理廠的處理后，就一條在污水處理廠處理后排放的河流分析了解到，污水口上方的微塑料濃度應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于出水口下方微塑料的濃度。污水廠能解決眾多的塑料微珠，然而由于污水處理量相對(duì)較大，因此始終會(huì)有較小量的塑料微珠被排出。對(duì)塑料加工，尤其是廢棄塑料再次利用導(dǎo)致的二次污染[5]，需要我們額外留意。

進(jìn)入淡水系統(tǒng)內(nèi)的次生微塑料對(duì)比其原生來源更多。沒有經(jīng)過科學(xué)處理的塑料垃圾會(huì)進(jìn)入到淡水系統(tǒng)內(nèi)，在太陽的照射與風(fēng)化作用下形成了尺寸更小的微塑料，如隨意丟在湖泊中或溪水中的漁網(wǎng)，在降解后會(huì)形成各種纖維類微塑料。用過后的塑料扔入水體內(nèi)降解后將產(chǎn)生微塑料污染。另外，陸地系統(tǒng)內(nèi)的塑料產(chǎn)品，在裂解后有一些也會(huì)進(jìn)入到淡水系統(tǒng)，例如，廢舊的塑料棚，塑料在土壤中降解時(shí)因?yàn)閯?dòng)力干預(yù)，小塑料顆粒會(huì)與雨水一起融入到地下水中。扔在地面上的塑料如果沒有及時(shí)降解，也會(huì)由于風(fēng)力作用而進(jìn)入到溪流等水體中。在大氣中的微塑料也會(huì)由于空氣作用而進(jìn)入到地表水內(nèi)[6]。

1.2 淡水中微塑料的污染狀況和分布

在歐洲、北美以及亞洲的淡水中均發(fā)現(xiàn)了微塑料的存在[7]。部分研究表明，微塑料的種類和人類活動(dòng)空間存在一定的關(guān)系。微塑料的出處一般能夠以微塑料原料的屬性等來判斷。例如，在多瑙河找到了一種占比多塑料，而該河的周圍就有該塑料的制造廠。在工業(yè)區(qū)與人口聚集的工業(yè)湖內(nèi)，樹脂顆粒與微珠最多，而在人口不多的山區(qū)湖泊的初級(jí)顆粒不多，卻擁有眾多的次生碎片，說明了初生塑料的斷裂，與水流、地下河遷移而一起累積。這些年來，我國淡水中微塑料的污染調(diào)查事務(wù)也紛紛開始進(jìn)行，在三峽大壩、太湖、鄱陽湖水系附近等地發(fā)現(xiàn)了微塑料，這說明微塑料污染在我國的淡水環(huán)境中也是十分普遍的。同時(shí)有些分析表明，此類水體的微塑料含量基本處于較高的水平。

在對(duì)我國內(nèi)陸淡水微塑料污染的分析中，湖泊中的微塑料豐度在區(qū)域上存在極大的變化，和離城市中央的距離之間為反比例關(guān)系，這表明了人為要素在微塑料劃分方面的地位[8]。

2 淡水環(huán)境中微塑料影響

2.1 微塑料吸附釋放有機(jī)污染物

微塑料擁有相對(duì)較大的比表面積與較好的疏水性能，所以對(duì)有機(jī)污染物有相對(duì)不錯(cuò)的吸附效果，就水體內(nèi)微塑料展開的調(diào)查了解到，微塑料中有各種有機(jī)污染物被測(cè)出。微塑料對(duì)有機(jī)污染物的吸收能力還會(huì)因微塑料材料而有所影響。

微塑料對(duì)多環(huán)芳烴(PAHs)、多氯聯(lián)苯(PCBs)等污染物都反映出了較高的吸附水平，另外，離子類化合物與重金屬元素也有相應(yīng)的吸附水平。柔軟(玻璃化溫度Tg不高，鏈段性能活躍)的塑料如PP，PE等對(duì)有機(jī)污染物的吸收能力較強(qiáng)，同時(shí)吸附等溫線基本上為線性，理由是PE與PP的玻璃化溫度基本不高,室溫下為軟橡膠形，有機(jī)污染物更多地是以分配效果的形式進(jìn)入到微塑料中，所以吸附等溫線為線性，同時(shí)反映出了相對(duì)不錯(cuò)的吸附性能;硬質(zhì)塑料如PS等也可吸收一些PCBs，由于PCBs可以和PS表面的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生π-π電子反應(yīng)[9]。此外，經(jīng)由上述分析可知，表面官能團(tuán)也許會(huì)協(xié)助微塑料吸收污染物。

2.2 微塑料釋放有機(jī)污染物

微塑料從水系統(tǒng)內(nèi)吸附有機(jī)污染物的情況下，還會(huì)在水系統(tǒng)內(nèi)排出污染物。塑料產(chǎn)品在制造環(huán)節(jié)中通常會(huì)加入眾多的阻燃劑、塑化劑等，讓進(jìn)入到水系統(tǒng)的微塑料中包括此類添加劑。風(fēng)化作用則會(huì)協(xié)助此類物質(zhì)慢慢地進(jìn)入至系統(tǒng)，比如說，Staniszewska等[10]就某固定流域進(jìn)行分析后了解到，塑料添加劑的排出是造成該流域中雙酚類成分與壬基酚類成分增加的緣由。微塑料還會(huì)向系統(tǒng)內(nèi)排出其含有的其他有害物，如系統(tǒng)內(nèi)剩下眾多的用含鉛化合物當(dāng)做穩(wěn)定劑而制造的PVC產(chǎn)品，因?yàn)槔匣耐七M(jìn)，其中的鉛將會(huì)慢慢地排出到自然界中；不僅如此，制造塑料的單體與原料在塑料中也有一定的量，此類物質(zhì)也將慢慢進(jìn)入到生態(tài)環(huán)境中，如PVC內(nèi)有一定的HCl，聚苯乙烯內(nèi)具有苯乙烯的單體與低聚體，此類物質(zhì)均會(huì)因?yàn)榫勐纫蚁┡c聚苯乙烯的老化而慢慢排出到自然界中[11]。

2.3 淡水環(huán)境中微塑料危害

現(xiàn)階段，微塑料類有機(jī)污染物因?yàn)槌叽缂?xì)小、數(shù)量巨大，極易被水生生物攝取，在自然環(huán)境下，有許多生物能吸收微塑料，如魚類、龜類、鳥類等動(dòng)植物。海鳥、貽貝等將其當(dāng)成食物而攝入，可能造成腸道阻塞、消化不良、生長速率降低，甚至造成死亡。微塑料可以抑制藻類在淡水中的光合作用。目前對(duì)微塑料的生態(tài)毒理作用的研究主要針對(duì)已有海洋生物，微塑料對(duì)海洋生物生態(tài)環(huán)境帶來潛在影響和危害已得到大量研究成果的證實(shí)。因?yàn)槿祟惿钆c淡水密切，所以潛在的污染危害在淡水環(huán)境中可能會(huì)比在海洋中更高。據(jù)研究，微塑料的作用發(fā)生在不同的層面：基因，細(xì)胞，組織，植物和動(dòng)物。

因?yàn)槲⑺芰系慕到鈳茁瘦^小，只要被水生生物吸收后便增加了在生物體腸道內(nèi)的滯留時(shí)間，而造成水生生物的飲食量下滑，從而造成機(jī)體的炎癥反應(yīng)，讓其吸收和儲(chǔ)存能量的實(shí)力下滑[12]。尺寸大些的微塑料較多地聚集于水生生物的腮、肝臟、腸道與淋巴系統(tǒng)內(nèi)，進(jìn)而作用于生物體，并使其腸道功能受損。微塑料粒徑越小，危害也越大，納米微塑料可以穿過細(xì)胞膜，造成細(xì)胞水平的影響。

食物鏈的污染物富集使微塑料對(duì)自然造成的危害更大。鳥類在捕捉一些水生生物的情況下，其中的微塑料也許會(huì)遷至鳥的身體內(nèi)，或是湖水內(nèi)，底泥內(nèi)的微塑料被鳥類誤食，而被鳥類吸收的微塑料會(huì)與食物鏈一起從低營養(yǎng)程度流往高營養(yǎng)程度，最終將會(huì)被人類吸收。2018年召開的歐洲腸胃病學(xué)會(huì)中，有學(xué)者指出，第一次在人體排泄物中發(fā)現(xiàn)了好幾種微塑料。

3 對(duì)微塑料控制

3.1 政策方案控制

通過公眾教育促進(jìn)對(duì)微塑料的關(guān)注，一些國家已經(jīng)發(fā)布了相關(guān)的研究策略，2015年，美國頒布了《無微珠水域法案》，其中規(guī)定，化妝品中不得含有塑料珠將于2017年7月1日開始實(shí)施；英國被迫到2017年年底消除含有塑料珠的化妝品；韓國在2018年7月禁止銷售化妝品裝有塑料珠；加拿大關(guān)于化妝品中塑料珠的法規(guī)于2018年1月1日生效。

因?yàn)槲⑺芰蠈儆谝环N新型污染物，因此就此類污染物，我國尚未頒布較多的微塑料污染控制方針[13]。我國對(duì)塑料的不合理使用采取了一些對(duì)策，如將免費(fèi)應(yīng)用塑料袋改為付費(fèi)應(yīng)用塑料袋，然而效果卻不太好。因?yàn)閭€(gè)人洗護(hù)用品為微塑料污染的核心出處，因此需管理好微塑料微珠在洗護(hù)用品中的應(yīng)用。在塑料垃圾進(jìn)入到自然界后，應(yīng)及時(shí)予以垃圾阻攔、處理，規(guī)避裂解，防止生成更小的微塑料。相關(guān)法規(guī)的頒布和法規(guī)的發(fā)布，以及對(duì)公共教育項(xiàng)目的普及，將從源頭控制減少微塑料進(jìn)入水體引發(fā)污染問題。

3.2 處理技術(shù)控制

微塑料進(jìn)入淡水環(huán)境后，污水處理廠處理微塑料也是比較可行的方法?，F(xiàn)階段與我國污水處理廠微塑料污染的分析資料基本不多。白濛雨等[14]在分析上海某污水處理廠后，了解到進(jìn)、出水中的微塑料數(shù)量分別為117個(gè)/L與52個(gè)/L，微塑料的處理率約56%。這表明，我國污水處理廠的進(jìn)、出水中的微塑料數(shù)量基本都較高，污水處理技術(shù)對(duì)微塑料的處理率不高，大量的微塑料是仍然排入環(huán)境。

根據(jù)文獻(xiàn)，迄今為止，動(dòng)態(tài)膜(DM)和膜生物反應(yīng)器(MBR)是最有效的工藝去除廢水中的微塑料，實(shí)現(xiàn)微塑料的去除值高達(dá)99.9%。而快速的砂濾和溶解氣浮可以去除分別為97%和95%的微塑料。主要的MBR的缺點(diǎn)是超濾膜和微濾膜成本，能源需求，結(jié)垢控制和低通量。相比之下，動(dòng)態(tài)膜的價(jià)格更低，但是在這種情況下，過濾器很容易堵塞。盡管如此，膜生物反應(yīng)器在其實(shí)施并進(jìn)行可用的修改，以使它們?cè)诔醮问褂煤蟾庸?jié)能，防污并且運(yùn)行成本更低。

不僅如此，污水處理廠的污泥與出水中微塑料濃度不僅會(huì)因進(jìn)水中的微塑料濃度而受到影響，還和污水處理技術(shù)相關(guān)。有分析表明，格柵等一級(jí)處置可高效阻截較多的微塑料;而在二級(jí)生物處理技術(shù)內(nèi)，A/O技術(shù)中的微塑料濃度比氧化溝與SBR技術(shù)污泥中的更高，其核心理由為氧化溝與SBR技術(shù)擁有較長的水力或污泥滯留時(shí)間，微生物能夠更多地使用外酶功能來降解微塑料。

污泥處理技術(shù)也將影響微塑料濃度。LI等[15]經(jīng)分析后了解到，在現(xiàn)階段使用次數(shù)最多的污泥脫水技術(shù)中，板框壓濾得到的污泥微塑料基本濃度最少，其次為離心法;而離心法與帶式壓濾法處理后污泥中的微塑料基本濃度相比又更少，原因在于污泥在離心時(shí)，一些濃度較小的微塑料被再次排入水內(nèi)，進(jìn)而造成離心脫水污泥中的微塑料濃度相對(duì)不高。Mahon等[16]分析厭氧吸收、熱干化等污泥處理方法對(duì)污泥微塑料濃度的影響時(shí)了解到，厭氧消化能夠高效減少污泥內(nèi)的微塑料成分，而熱干化處理技術(shù)是會(huì)讓微塑料發(fā)泡，而石灰穩(wěn)定化處理則會(huì)讓微塑料被剪裂得更小。

4 展望

微塑料屬于一種新污染物，在給我們的日常提供方便的情況下也對(duì)環(huán)境帶來了極大的負(fù)擔(dān)，現(xiàn)在，微塑料污染問題已變成了一個(gè)世界問題，應(yīng)獲得我們的高度關(guān)注。就現(xiàn)調(diào)查的水域河流不足，還有許多水域河流未調(diào)查研究，因此淡水中微塑料研究還不夠完善?；诂F(xiàn)有微塑料及處理工藝的相關(guān)研究，應(yīng)該著手于微塑料在復(fù)雜水體中研究。當(dāng)今水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重，藻類過量增長，導(dǎo)致水體中既含有藻類藻毒素同時(shí)含有微塑料的自然水體增多，不再只單獨(dú)去除微塑料。