污水處理廠中微塑料的去除效能與全流程分析
——以北京某下沉式三級(jí)污水處理廠為例

邢 薇,劉夢(mèng)瑤,李 頔,魏凡欽,左劍惡*（.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,水中典型污染物控制與水質(zhì)保障北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 00044;.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,北京 00084）

塑料污染是公認(rèn)的世界性環(huán)境問(wèn)題之一.尺寸小于 5mm的塑料微粒和化學(xué)纖維被稱作微塑料[1],微塑料的持久性和穩(wěn)定性很強(qiáng),且比表面積大、吸附能力強(qiáng),易成為持久性有機(jī)物、重金屬和病原菌的載體,進(jìn)入食物鏈后將產(chǎn)生危害人類健康的風(fēng)險(xiǎn)[2–4].

微塑料研究起源于海洋環(huán)境領(lǐng)域.目前已證實(shí)微塑料在海洋中廣泛存在[5-6],據(jù)估計(jì)海洋表層水中的微塑料賦存量約為 7000～35000t[7].在河道入?？谔?研究發(fā)現(xiàn)其微塑料濃度明顯高于海水樣品,從而證明河流是海洋微塑料污染的重要來(lái)源之一[8].近年來(lái),污水處理廠中微塑料污染問(wèn)題同樣引起了研究者關(guān)注.Mintenig等[9]對(duì)德國(guó)12個(gè)城市污水處理廠的出水微塑料污染進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)污水處理廠每年向環(huán)境排放 9×107～4×109n（個(gè)）微塑料.還有研究者對(duì)污水處理廠出水及附近水域中的微塑料濃度進(jìn)行對(duì)比分析,證實(shí)污水處理廠排放是微塑料進(jìn)入自然環(huán)境的一個(gè)重要途徑[10–13].如 Estahbanati等[14]在美國(guó)新澤西州的 Raritan河分析了四個(gè)主要城市污水處理廠上游和下游的微塑料濃度,發(fā)現(xiàn)原生微塑料（指生產(chǎn)時(shí)尺寸即小于5mm,常用于個(gè)人護(hù)理品添加）的濃度在下游顯著增加,表明生活污水是地表水微塑料污染的重要來(lái)源.同時(shí),人們也致力于研究污水處理廠中微塑料的整體去除效果.國(guó)外研究表明污水處理廠可以有效截留微塑料,截留率可達(dá)90%以上[15–17].Ziajahromi 等[18]發(fā)現(xiàn)在澳大利亞,二級(jí)和三級(jí)污水處理廠對(duì)于微塑料的去除率分別為66.7%和90.4%.Talvitie等[19]發(fā)現(xiàn)芬蘭某三級(jí)污水處理廠中,微塑料的去除率可高達(dá)99%以上.

在我國(guó),目前污水處理廠中微塑料相關(guān)研究仍處于起步階段.2018年,白濛雨等[20]首次報(bào)道了我國(guó)某污水處理廠中微塑料的進(jìn)、出水濃度和去除率.隨后,Long等[21]和汪文玲等[22]對(duì)廈門(mén)7個(gè)污水處理廠中微塑料的濃度、特征和去除效果進(jìn)行了研究,結(jié)果表明微塑料去除率可達(dá) 79.3%～97.8%,其中在廈門(mén)筼筜污水處理廠中,一級(jí)和二級(jí)處理階段對(duì)微塑料的去除率分別為35.99%和80.97%.陳瑀等[23]對(duì)南京市某污水處理廠的進(jìn)水、二級(jí)出水和三級(jí)出水中的微塑料進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)污水處理廠對(duì)微塑料的整體去除效能為78.57%.此外,Li等[24]分析了來(lái)自我國(guó)28個(gè)污水處理廠的79個(gè)污泥樣本,在這些樣品中微塑料的濃度為（1.60～56.4）×103n/kg干污泥.

可以看出,在現(xiàn)階段研究者主要分析污水處理廠的微塑料排放量以及整個(gè)水廠或處理階段對(duì)微塑料的整體去除率.然而,選用不同工藝會(huì)對(duì)微塑料在污水處理廠中的去除率產(chǎn)生顯著影響,有必要在各個(gè)工藝單元中開(kāi)展微塑料相關(guān)研究,但目前報(bào)道仍然很少.Talvitie等[25]對(duì)芬蘭4個(gè)采用不同深度處理工藝的城市污水處理廠進(jìn)行對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)膜生物反應(yīng)器（MBR）、快速砂濾、溶氣氣浮和盤(pán)式過(guò)濾器技術(shù)對(duì)微塑料的去除率分別為 99%、97%、95%和 40%～98.5%,但該研究?jī)H針對(duì)深度處理工藝開(kāi)展.對(duì)污水處理廠全工藝流程中的微塑料賦存特征及不同處理單元對(duì)微塑料的去除效能開(kāi)展深入研究,有助于全面解析污水處理廠對(duì)微塑料的截留和排放問(wèn)題.

本研究在北京市某三級(jí)污水處理廠,對(duì)進(jìn)水、八個(gè)工藝單元出水以及最終排泥中微塑料的形態(tài)、尺寸和成分進(jìn)行檢測(cè)分析,深入討論了污水處理廠各工藝單元中微塑料的賦存特征,并明確了全流程中微塑料的去除效能,對(duì)于分析污水處理廠治理微塑料污染的能力具有重要意義.此外,對(duì)該廠上、下游河道中微塑料的濃度及成分進(jìn)行檢測(cè),解析污水處理廠微塑料排放對(duì)周邊河道的影響,為分析河道微塑料污染源頭,綜合治理水環(huán)境微塑料污染問(wèn)題奠定基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 北京市某三級(jí)污水處理廠概況

該污水處理廠地處北京市城市副中心通州區(qū),采用下沉式形式,一級(jí)處理工藝主要包括粗格柵、細(xì)格柵和膜格柵,二級(jí)處理主要包括三級(jí) AO工藝和雙層平流沉淀池,深度處理采用高效沉淀池和超濾池.該廠出水標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行北京市地方標(biāo)準(zhǔn)B級(jí),水質(zhì)可以達(dá)到地表IV類水標(biāo)準(zhǔn).該污水處理廠服務(wù)人口70萬(wàn)人,日處理量18×104t,出水中8×104t作為再生水利用,其余10×104t作為河道補(bǔ)給水排放[26].

1.2 采樣

本研究在該污水處理廠內(nèi)共設(shè)9個(gè)水樣采樣點(diǎn)和1個(gè)泥樣采樣點(diǎn);在出水入河口上、下游河道各設(shè)2個(gè)采樣點(diǎn);共計(jì) 14個(gè)樣品點(diǎn)位.采樣點(diǎn)位置如表1所示.

表1 采樣點(diǎn)設(shè)置Table 1 Sampling Point Setting

在采集樣品時(shí)考慮到瞬時(shí)樣品的代表性較差,因此在每個(gè)采樣點(diǎn)均重復(fù)采樣 3次,但因樣品量多,后續(xù)微塑料檢測(cè)工作量大,因此將每個(gè)采樣點(diǎn) 3次采集的樣品混合均勻后,再進(jìn)行微塑料檢測(cè).在污水處理廠水樣采樣點(diǎn),于 08:00、16:00、24:00分別采集1L樣品,再將3L樣品混合均勻進(jìn)行微塑料檢測(cè).污泥采樣點(diǎn)設(shè)置在污泥外運(yùn)車間,直接用錫紙袋從最終排泥口抓取樣品.在河道采樣點(diǎn),采水器在不觸碰岸沿、不接觸河底的條件下,取河道中部水倒入藍(lán)蓋瓶中.

1.3 預(yù)處理

將樣品分為三類進(jìn)行預(yù)處理.對(duì)于一般水樣,用600目不銹鋼濾膜進(jìn)行抽濾后,固相轉(zhuǎn)移至用錫紙封口的燒杯中,加入30%的H2O2溶液靜置消解3d;消解后再次抽濾,并在飽和 ZnCl2溶液中進(jìn)行浮選,重復(fù)3次.對(duì)于污泥樣品,首先置于80℃烘箱中烘干,之后再按照上述方法消解7d并浮選.對(duì)于生化池樣品,取泥水混合樣,首先靜置沉淀24h進(jìn)行泥水分離;上層液體按照一般水樣進(jìn)行處理;下層泥水混合物在9000r/min離心10min;將離心管內(nèi)液體進(jìn)行抽濾,將濾膜上的固體同離心管內(nèi)泥樣合并,再消解7d并浮選.

1.4 檢測(cè)

帶有樣品的濾膜自然風(fēng)干后,利用三目體視顯微鏡（SZN71,SDPTOP,中國(guó)）,在 40倍條件下觀測(cè).通過(guò)目鏡直接觀測(cè)微塑料的形態(tài)和顏色,通過(guò) Toup View軟件（ToupTek Photonics,中國(guó)）對(duì)微塑料進(jìn)行拍照和尺寸測(cè)量,并記錄每一個(gè)微粒的編號(hào)、形態(tài)、顏色、尺寸以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù).觀測(cè)時(shí)采用蛇形掃描方式對(duì)整張濾膜進(jìn)行完整觀測(cè),以最大程度地保證沒(méi)有遺漏.對(duì)微塑料的形態(tài)主要分為纖維、碎片、薄膜、顆粒和小球五種,尺寸測(cè)量以μm為單位.

在顯微鏡觀察條件下將每個(gè)待檢測(cè)微粒從濾膜上挑出,放置在金剛石壓池上,壓平后利用傅里葉變換紅外光譜儀（Spectrum 400,PerkinElmer,美國(guó)）的紅外顯微系統(tǒng)（Spotlight 400,PerkinElmer,美國(guó)）進(jìn)行掃描檢測(cè).掃描波長(zhǎng)范圍在 750～4000nm,選用透射模式,每個(gè)樣品掃描16次以減少干擾.測(cè)得樣品圖譜通過(guò)Spectrum軟件（PerkinElmer,美國(guó)）,與Sadtler光譜數(shù)據(jù)庫(kù)（Bio-Rad,美國(guó)）進(jìn)行比對(duì)分析.所有微粒檢測(cè)完畢后,將顯微鏡調(diào)至20倍,對(duì)全視野下是否仍有微粒殘留進(jìn)行復(fù)核,如有遺漏則補(bǔ)充轉(zhuǎn)移和計(jì)數(shù).

1.5 實(shí)驗(yàn)質(zhì)控

為防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中引入其他微塑料對(duì)實(shí)驗(yàn)造成干擾,本實(shí)驗(yàn)采樣及操作過(guò)程中避免接觸塑料制品.采樣器、濾膜及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用于轉(zhuǎn)移樣品的各類工具都選用不銹鋼材質(zhì),所有容器選用玻璃、陶瓷材質(zhì),所有采樣用藍(lán)蓋瓶均用錫紙密封住瓶口后再擰緊瓶蓋.預(yù)處理過(guò)程中所有敞口容器均用錫紙密封容器口,烘干時(shí)坩堝蓋好容器蓋,帶有樣品的濾膜分裝在玻璃培養(yǎng)皿中.所有樣品在轉(zhuǎn)移過(guò)程中,采用超純水或?qū)?yīng)溶液反復(fù)沖洗 3次以轉(zhuǎn)移全部樣品.在顯微紅外法檢測(cè)過(guò)程中,為檢驗(yàn)對(duì)比軟件和標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)的誤差,首先檢測(cè)了已知成分的標(biāo)準(zhǔn)聚乙烯樣品,結(jié)果顯示圖譜相似度為97.2 %,系統(tǒng)誤差為2.8%,表明誤差較小.

2 結(jié)果與討論

2.1 污水處理廠不同工藝單元中微塑料特征分析

2.1.1 微塑料濃度及去除率分析 對(duì)該污水處理廠中九個(gè)水樣（表征八個(gè)工藝單元、三個(gè)處理階段）進(jìn)行分析,計(jì)算各工藝單元和處理階段對(duì)微塑料的去除率及各工藝單元處理后微塑料累積去除率,結(jié)果如表2所示.

表2 不同工藝單元和處理階段的微塑料去除率Table 2 Microplastic Removal Efficiency in Different Treatment Processes and Stages

該廠一級(jí)處理階段對(duì)微塑料的去除率為27.1%.其中粗格柵對(duì)微塑料的去除率僅為 16.7%,主要是因?yàn)榇指駯砰g隙較大（15mm）,對(duì)微塑料的攔截作用有限.在細(xì)格柵單元,微塑料的濃度有所增加,這可能是因?yàn)榧?xì)格柵（間隙為3mm）對(duì)尺寸較小的微塑料不能起到明顯的攔截作用,而尺寸較大的塑料可能在機(jī)械剪切力的作用下被破碎為微塑料.膜格柵是一種精細(xì)過(guò)濾裝置,網(wǎng)格間隙在1mm以下,主要用于去除細(xì)小的纖維和毛發(fā)[27],它是一級(jí)處理中最主要的微塑料處理單元,單元去除率達(dá)46.2%.

在二級(jí)處理中,根據(jù)膜格柵出水濃度計(jì)算微塑料的整體階段去除率為 60.0%,根據(jù)污水廠進(jìn)水濃度計(jì)算微塑料累積去除率為 70.8%.值得注意的是,在厭氧池中,微塑料濃度明顯增加,達(dá)到了進(jìn)水的兩倍.在好氧池中,微塑料濃度與厭氧池內(nèi)基本相同.可見(jiàn),微塑料并不會(huì)在生化處理階段得到去除.分析微塑料濃度增加的主要原因,可能是由于活性污泥中存在微塑料,而本研究中厭氧池和好氧池樣品為泥水混合樣,回流污泥導(dǎo)致了生化池中微塑料濃度比進(jìn)水更高,造成了微塑料累積.在平流沉淀池（二沉池）中,微塑料單元去除率達(dá)到了 86%,在所有八個(gè)工藝單元中最高,其主要依靠沉淀,通過(guò)泥水分離過(guò)程將微塑料大量去除.

在深度處理階段,微塑料階段去除率達(dá) 71.4%,累積去除率達(dá)91.7%.在高效沉淀池中,投加PAC和PAM 進(jìn)行絮凝以進(jìn)一步提高水質(zhì),根據(jù)結(jié)果可推測(cè)微塑料會(huì)被包裹進(jìn)絮凝物中,隨著沉淀作用得以去除.超濾膜由于孔徑在 nm 范圍,絕大部分微塑料都會(huì)被截留,但本研究中由于微塑料濃度在進(jìn)入超濾池時(shí)已經(jīng)很低（僅為2.0n/L）,且以纖維形態(tài)為主,超濾池的微塑料單元去除率并沒(méi)有表現(xiàn)為很高數(shù)值,在

2.1.2 一節(jié)中將進(jìn)一步深入分析.

總體來(lái)看,在八個(gè)工藝單元中,粗格柵、膜格柵、平流沉淀池、高效沉淀池和超濾池均對(duì)微塑料起到了去除作用.由于好氧池內(nèi)的微塑料濃度并沒(méi)有比厭氧池內(nèi)降低,由此證實(shí)微塑料并不會(huì)在好氧池內(nèi)發(fā)生生物降解.污水處理廠內(nèi)微塑料的去除主要依靠沉淀和截留過(guò)濾等物理作用.其中,一級(jí)處理對(duì)微塑料的去除效果十分有限,二沉池和深度處理單元對(duì)微塑料的去除效果尤為顯著.在現(xiàn)有研究中,并沒(méi)有深入討論二級(jí)處理中生化池和二沉池等不同工藝單元對(duì)微塑料的去除效果,而深度處理對(duì)微塑料的去除效能仍存在一定爭(zhēng)議.有研究認(rèn)為深度處理并不會(huì)對(duì)微塑料起到明顯去除作用[10,28],但也有研究表示深度處理對(duì)微塑料去除效果十分顯著[25,29-30].這主要是因?yàn)?不同污水處理廠的深度處理采用的工藝各不相同,目前研究顯示MBR工藝對(duì)微塑料的去除效果最好,單元去除率可達(dá) 99%以上[25,30].本研究結(jié)果表明,深度處理中的高效沉淀池和超濾池對(duì)于微塑料也具有明顯去除效果,在微塑料較低濃度下仍起到了安全保障作用.此外,并不是所有污水處理單元均會(huì)對(duì)微塑料產(chǎn)生去除作用,污水處理廠內(nèi)部是否會(huì)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生次生微塑料,仍是后續(xù)研究中值得探討的一個(gè)問(wèn)題.

2.1.2 微塑料形態(tài)特征分析 該污水處理廠 9個(gè)水樣采樣點(diǎn)中共檢出纖維、薄膜、碎片和顆粒四種不同形態(tài)的微塑料,未檢出小球形態(tài)微塑料.其中纖維為長(zhǎng)絲形態(tài),截面積很小;薄膜為平面形態(tài),柔軟可卷曲;碎片為平面形態(tài),形狀不規(guī)則且質(zhì)地較硬;顆粒呈立體且不規(guī)則狀.每種形態(tài)在顯微鏡下的典型照片如圖1所示.

圖1 四種微塑料形態(tài)特征（×40）Fig.1 Four Morphological Characteristics of Microplastics

在所有污水處理廠樣品中,纖維形態(tài)占比最高,其次為薄膜、碎片和顆粒形態(tài).各樣品中微塑料的形態(tài)分布如圖2所示.可以看出,纖維形態(tài)分布最廣,在9個(gè)樣品中均有檢出,而顆粒形態(tài)僅在兩個(gè)生化池中被檢出.

圖2 不同工藝單元中的微塑料形態(tài)分布Fig.2 Morphological Distribution of Microplastics in Different Processes

在細(xì)格柵處,碎片形態(tài)的微塑料被完全去除,但纖維和薄膜形態(tài)的有所增加,可推測(cè)這兩種形態(tài)的微塑料有可能在機(jī)械作用下產(chǎn)生.在生化池中,薄膜和碎片形態(tài)的微塑料也有明顯上升,且檢出了顆粒微塑料,這可能是受到了回流活性污泥的影響.在超濾池出水中,除了纖維形態(tài)的微塑料,其他形態(tài)均得以完全去除,這是因?yàn)槌瑸V膜孔徑小于檢測(cè)的微塑料粒徑,但纖維形態(tài)的微塑料尺寸是以纖維長(zhǎng)度測(cè)量統(tǒng)計(jì)的,纖維微塑料橫截面很小,部分纖維在豎直狀態(tài)下可能通過(guò)超濾膜而無(wú)法被截留.綜上所述,纖維形態(tài)的微塑料是該污水處理廠中占比最多、分布最廣且最難以去除的微塑料形態(tài).在其他研究中也有報(bào)道稱污水處理廠出水中纖維形態(tài)的微塑料濃度可以達(dá)到自然水體的25倍[11].可見(jiàn),如果能夠進(jìn)一步提高污水處理廠對(duì)纖維類微塑料的去除效果,將更有效地降低出水中的微塑料濃度,有助于實(shí)現(xiàn)水環(huán)境中微塑料的污染控制.

2.1.3 微塑料粒徑分布特征分析 該污水處理廠中檢出微塑料的尺寸范圍在 40～4160μm,為了方便與其他文獻(xiàn)進(jìn)行對(duì)比[31],按照四個(gè)尺寸區(qū)間進(jìn)行了細(xì)分,各樣品中微塑料的尺寸分布如圖3所示.在該廠整體賦存的微塑料中,尺寸大于1000μm的占比約為 20%,芬蘭某城市污水處理廠的研究結(jié)果同樣顯示該廠大部分微塑料尺寸＜1000μm[29],與本研究結(jié)果一致.

圖3 不同工藝單元中微塑料的尺寸分布Fig.3 Size Distribution of Microplastics in Different Processes

圖中可以看出,尺寸大于 1000 μm 的微塑料在膜格柵處得到了有效截留,但在生化池中又被再次檢出,這與回流污泥中存在較高比例的大尺寸微塑料有關(guān).尺寸≤300μm和300～500μm的微塑料在該污水處理廠不同工藝單元中分布最廣,在 9個(gè)樣品中均有檢出.在進(jìn)水中,尺寸≤500μm 的微塑料占比達(dá)到了 62.5%,這與國(guó)內(nèi)相關(guān)研究結(jié)果相符合,但國(guó)內(nèi)其他水廠中尺寸在 300μm 以下的微塑料比例相對(duì)更高[20-22].在深度處理階段,主要存留尺寸≤500μm的微塑料,可見(jiàn)小尺寸微塑料更難以被有效去除.由于尺寸較小時(shí)微塑料的污染特征更加明顯,因此,本研究結(jié)果表明污水處理廠中的微塑料控制應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注≤500μm的小尺寸微塑料.

2.1.4 不同工藝單元中微塑料的主要成分 在水樣采樣點(diǎn)共檢測(cè)出11種微塑料成分,其在樣品中的分布情況如圖4所示.

圖4 不同工藝單元中微塑料主要成分分布Fig.4 Composition Distribution of Microplastics in Different Processes

可以看出,含量最多的微塑料成分為聚丙烯、聚酯和聚乙烯,與其他研究結(jié)果基本一致[18-19,21].這三類微塑料不僅含量高,而且在污水處理廠各工藝單元中分布廣泛,特別是在進(jìn)水中占比約 80%,是污水處理廠中微塑料污染的主要成分.聚丙烯和聚乙烯是最常用的塑料材料,經(jīng)常被用于制作一次性塑料制品（如塑料袋、礦泉水瓶、一次性餐具等）以及生活家居用品、塑料管材等[29-30],在使用過(guò)程中很可能會(huì)產(chǎn)生次生微塑料進(jìn)入水體,在湖水和污水處理廠等水環(huán)境中作為占比很高的微塑料成份得以檢出[29-30].聚酯是衣物等紡織品的常用材料,主要以纖維態(tài)存在,而洗衣污水是生活污水的重要組成部分[31],在其他污水處理廠中也有檢出大量的聚酯纖維類物質(zhì)[19-20,22].

厭氧池中檢出的微塑料種類最為豐富,出現(xiàn)了進(jìn)水中沒(méi)有檢測(cè)到的微塑料成分,如聚（11-溴代甲基丙烯酸酯）,由于活性污泥回流,可能引入新的微塑料成分,將在 2.2一節(jié)中進(jìn)行討論,但也不能排除在污水處理工藝單元中產(chǎn)生了新的微塑料類型.

在該廠最終出水中,僅有聚酯類物質(zhì),對(duì)其去除困難主要由于其形態(tài)幾乎均為纖維狀,污水處理廠最后一道保障超濾膜對(duì)纖維形態(tài)微塑料的去除效果不夠理想.

2.2 污水處理廠最終排泥中的微塑料特征分析

經(jīng)檢測(cè),該污水處理廠最終排泥中的微塑料含量為7.0×103n/kg干污泥,其特征分析如圖5所示.

圖5 最終排泥中微塑料的形態(tài),尺寸與主要成分特征Fig.5 Morphology,Size and Composition of Microplastics in the Sludge Sample

該污水處理廠污泥中檢測(cè)出纖維、薄膜和碎片三種形態(tài)的微塑料.不同于該廠污水樣品中纖維形態(tài)占比最高,也不同于其他污泥樣品研究中纖維微塑料占比達(dá)到 60%以上[24,34],在該污泥樣品中薄膜形態(tài)占據(jù)了主導(dǎo)地位.分析原因,一方面在該廠污水樣品中,薄膜形態(tài)的微塑料占比僅次于纖維,另一方面薄膜形態(tài)的微塑料去除率在該廠達(dá)到了100%,而纖維微塑料仍在出水中殘留,所以薄膜微塑料在污泥中占比最高是合理的.

在最終排泥中,尺寸在500～1000μm的微塑料含量占據(jù)主導(dǎo)地位,而尺寸≤500μm的微塑料含量?jī)H占14.3%,這說(shuō)明尺寸≤500μm 的微塑料相對(duì)于大粒徑微塑料更不容易通過(guò)沉淀和截留過(guò)濾作用從水中遷移至污泥.

在最終排泥中共檢測(cè)出 6種微塑料,其中含量最多的為聚乙烯,此外還檢測(cè)出聚酯、聚（11-溴代甲基丙烯酸酯）、聚苯乙烯、聚丙烯聚乙烯共聚物等成分.該廠污泥主要由二級(jí)處理中的平流沉淀池排泥和深度處理中的高效沉淀池排泥組成,污泥中的微塑料成分與生化池和沉淀池基本對(duì)應(yīng).但該污水處理廠中含量最多的聚丙烯未被檢出,可能是由于微塑料在污泥中分布不均勻造成的.

2.3 污水處理廠中微塑料的平衡分析

該污水處理廠中微塑料當(dāng)日平衡如圖 6所示.該污水處理廠日處理污水量為 18×104t,根據(jù)濃度計(jì)算,每日有28.8×108n微塑料隨進(jìn)水進(jìn)入該廠;每日排放出水10×104t作為河道補(bǔ)給水,相應(yīng)排放1.3×108n微塑料至地表水體;此外,每日排放再生回用水8×104t,相應(yīng)有 1.0×108n微塑料進(jìn)入回用水系統(tǒng).該廠一級(jí)、二級(jí)和深度處理每日分別截留微塑料7.7×108,12.6×108和 6.2×108n,其中大部分被截留在廠內(nèi),另一部分隨污泥外排.通過(guò)每日外運(yùn)污泥量200t（含水率約 80%）,可計(jì)算出該廠每日將有 2.8×108n微塑料隨著污泥外排.可見(jiàn),盡管最終出水和最終排泥中微塑料的濃度并不是很高,但由于污水處理廠日處理量和日排放量較大,每日向自然環(huán)境中排放共計(jì) 4.1×108n微塑料,對(duì)于環(huán)境造成微塑料污染的風(fēng)險(xiǎn)依舊不容忽視.

圖6 污水處理廠中微塑料的每日平衡量Fig.6 Daily Balance of Microplastics in the WWTP

2.4 污水處理廠微塑料排放對(duì)周邊河道影響分析

該污水處理廠周邊受納水體中微塑料濃度及主要成分如圖 7所示.可以看出,該廠附近河道水檢測(cè)到的微塑料濃度范圍在1.7～3.3n/L,而污水處理廠出水中微塑料濃度僅為 1.3n/L,略低于附近河道水中微塑料濃度本底值.從濃度方面考慮,經(jīng)過(guò)深度處理后,該廠出水排放并沒(méi)有造成河道水微塑料濃度在下游大幅增加.但需要指出,污水處理廠二級(jí)出水中微塑料濃度為 4.7n/L,若生活污水在二級(jí)處理后直接排放,可能造成受納水體中微塑料濃度的持續(xù)升高,該廠深度處理工藝單元對(duì)于降低受納水體中微塑料污染風(fēng)險(xiǎn)起到了重要的安全保障作用.

圖7 受納地表水中微塑料濃度及成分Fig.7 Concentrations and Types of Microplastics in Receiving Surface Water

從微塑料成分方面進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在污水處理廠出水口下游的兩個(gè)位置D1和D2處都檢測(cè)到了聚酯纖維,而上游中卻并未檢出.聚酯纖維正是該廠出水中殘存的微塑料成分,由此可見(jiàn)污水處理廠排放的微塑料可使自然水體中微塑料污染受到干擾,成分增加.更深層次的討論需要通過(guò)大量多次采集相關(guān)樣品,在開(kāi)展微塑料檢測(cè)后進(jìn)行溯源分析,有待進(jìn)一步研究.

3 結(jié)論

3.1 該廠對(duì)微塑料的整體去除率為 91.7%;一級(jí)、二級(jí)和深度處理階段對(duì)微塑料的去除率分別為27.1%、60.0%和71.4%,三級(jí)污水處理廠對(duì)除纖維以外的微塑料的除去效果接近100%.

3.2 微塑料在污水處理廠中的去除主要依靠沉淀和截留過(guò)濾作用,所有工藝單元中,平流沉淀池的單元去除率最高,為 86.0%;微塑料在生化處理單元沒(méi)有被去除,整體呈現(xiàn)出從污水向污泥遷移的趨勢(shì).

3.3 該廠出水中的微塑料濃度為 1.3n/L,排放形態(tài)為纖維、成分為聚酯、尺寸大部分≤500μm;出水排放沒(méi)有引起下游河道水中微塑料濃度升高,深度處理階段是降低受納水體微塑料污染風(fēng)險(xiǎn)的重要安全保障.

致謝：本研究的采樣工作及污水處理廠相關(guān)調(diào)研工作由信開(kāi)水環(huán)境投資有限公司龐洪濤博士和李朋博士協(xié)助完成,在此表示感謝!