珠江口典型生活污水處理廠(chǎng)微塑料處理與排放研究*

趙 肖 何 蕾 趙文靜# 綦世斌 閆 雨

(1.生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣東 廣州 510530；2.中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510275)

微塑料通常定義為直徑小于5 mm的塑料纖維、顆?；虮∧1]，其來(lái)源主要分為初生和次生兩大類(lèi)。初生微塑料主要來(lái)自塑料顆粒工業(yè)產(chǎn)品，如含有微塑料顆粒的化妝品、作為工業(yè)原料的塑料顆粒和樹(shù)脂顆粒等；次生微塑料主要是大型塑料垃圾在紫外線(xiàn)照射、海浪拍打、化學(xué)侵蝕等物理和化學(xué)因素作用下，分裂和體積減小而形成的塑料顆粒[2]。

近年來(lái)，海洋中的微塑料作為一類(lèi)新型污染物，廣泛分布于太平洋、大西洋等海域環(huán)境中[3-4]，已成為全球海洋塑料垃圾污染防治的焦點(diǎn)問(wèn)題。據(jù)估計(jì)：塑料垃圾約占全部海洋垃圾的60%～80%，部分區(qū)域塑料垃圾占比達(dá)到90%～95%，全球有超過(guò)5億個(gè)塑料和至少250 000 t的塑料浮在海洋中[5-6]。同時(shí)，隨著對(duì)微塑料生態(tài)效應(yīng)研究的深入，其生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)日益凸顯，相關(guān)研究顯示：誤食微塑料的海洋生物會(huì)因難以消化微塑料或腸道磨損而死亡[7-8]；此外，微塑料作為多聚物，其內(nèi)部的有毒添加劑和負(fù)載的疏水性有毒污染物質(zhì)會(huì)進(jìn)入食物鏈，對(duì)海洋生物和人類(lèi)健康造成不利影響[9-10]。

陸源是海洋塑料垃圾的主要來(lái)源。2010年，全球海岸帶產(chǎn)生9 950萬(wàn)t塑料廢物，其中，3 190萬(wàn)t塑料廢物未妥善處置，480萬(wàn)～1 270萬(wàn)t塑料廢物進(jìn)入海洋[11]，后在海洋環(huán)境中逐漸破碎化，形成微塑料。在陸源輸入中，污水處理廠(chǎng)是塑料顆粒輸入海洋的重要途徑，大量塑料顆粒(如日化產(chǎn)品中的塑料微珠、洗衣廢水中的纖維、汽車(chē)輪胎磨損碎屑和其他破碎化塑料垃圾等)進(jìn)入污水管網(wǎng)，后經(jīng)污水處理廠(chǎng)處理排入環(huán)境水體，最終進(jìn)入海洋。國(guó)內(nèi)污水處理廠(chǎng)尚未將微塑料納入處理范圍，對(duì)于現(xiàn)存工藝的微塑料處理效率和排放情況的研究相對(duì)較少。因此，本研究在珠江口磨刀門(mén)區(qū)域，選擇典型生活污水處理廠(chǎng)，通過(guò)連續(xù)采集其進(jìn)水口和排放口樣品，對(duì)微塑料樣品的濃度、顏色、粒徑、形狀、成分等進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比分析污水處理廠(chǎng)對(duì)微塑料的處理情況，為實(shí)施海洋微塑料陸源防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 污水處理廠(chǎng)概況

選擇的污水處理廠(chǎng)位于珠江口磨刀門(mén)河口區(qū)，處理工藝均為活性污泥法，污水經(jīng)過(guò)粗格柵、細(xì)格柵、沉砂除油池等預(yù)處理程序，其后進(jìn)入生物處理線(xiàn)，包括初級(jí)沉淀池、生物曝氣池及二級(jí)沉淀池等，處理完的污水直接排海。污水處理廠(chǎng)A設(shè)計(jì)處理能力為14.4萬(wàn)t/d，目前實(shí)際處理污水約7萬(wàn)t/d；污水處理廠(chǎng)B設(shè)計(jì)處理能力為13萬(wàn)t/d，目前實(shí)際處理污水約2萬(wàn)t/d。

1.2 樣品采集

2019年9月，選擇早(9：00)、中(14：00)、晚(19：00)用水高峰期，連續(xù)3 d采用定體積泵吸法和人工取水器取水相結(jié)合的方法，對(duì)兩座生活污水處理廠(chǎng)進(jìn)水口和排放口進(jìn)行水樣采集，樣品用玻璃瓶保存，并帶回實(shí)驗(yàn)室處理分析。

1.3 樣品分析

用200目篩過(guò)濾水樣，濾液收集至樣品瓶中，加入30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))過(guò)氧化氫溶液，密封靜置3 d，以消解生物組織；用0.45 μm濾膜進(jìn)行過(guò)濾，將濾膜收集至干凈的培養(yǎng)皿中，烘干待測(cè)。

使用SMZ1270體視顯微鏡觀察濾膜上的微塑料樣品，測(cè)量樣品大小并記錄顏色、形狀等參數(shù)；使用Spotlight 200i傅立葉紅外顯微光譜儀的ATR模式測(cè)定樣品材質(zhì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 污水處理廠(chǎng)進(jìn)出水口微塑料的含量變化

由表1可見(jiàn)，進(jìn)水口和排放口顆粒含量呈現(xiàn)顯著差異(P<0.05)。對(duì)于微塑料，污水處理廠(chǎng)A進(jìn)出水口含量相對(duì)更高，且隨時(shí)間出現(xiàn)明顯的變化。污水處理廠(chǎng)A進(jìn)水口微塑料平均值為58.9個(gè)/m3，最高值出現(xiàn)在早上，最低值出現(xiàn)在中午；排放口微塑料平均值為7.7個(gè)/m3，最高值出現(xiàn)在中午，最低值出現(xiàn)在早上。污水處理廠(chǎng)B進(jìn)水口微塑料平均值為15.6個(gè)/m3，最高值出現(xiàn)在中午，最低值出現(xiàn)在早上；排放口微塑料平均值為1.7個(gè)/m3，最高值出現(xiàn)在晚上，最低值出現(xiàn)在早上。污水處理廠(chǎng)進(jìn)出水口微塑料變化見(jiàn)圖1，進(jìn)水口微塑料含量隨時(shí)間呈現(xiàn)較大波動(dòng)，排放口微塑料含量相對(duì)較平穩(wěn)。

圖1 污水處理廠(chǎng)進(jìn)出水口微塑料變化Fig.1 Microplastics concentration in intake and outlet of sewage treatment plants

表1 污水處理廠(chǎng)進(jìn)出水口顆粒分析結(jié)果Table 1 Particle concentration in intake and outlet of sewage treatment plants

2.2 污水處理廠(chǎng)進(jìn)出水口微塑料的形態(tài)變化

污水處理廠(chǎng)進(jìn)出水口微塑料形態(tài)分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 污水處理廠(chǎng)進(jìn)出水口微塑料的形態(tài)特征1)Table 2 Morphological character of microplastics in intake and outlet of sewage treatment plants

兩座污水處理廠(chǎng)進(jìn)水口和排放口微塑料均以彩色為主，包括紅色、藍(lán)色、綠色等，透明較少，需注意的是，進(jìn)水未經(jīng)處理，水樣懸浮物較多，部分白色微塑料存在沾污的情況，觀察為黑色。

經(jīng)污水處理廠(chǎng)處理，微塑料粒徑分布明顯發(fā)生改變。污水處理廠(chǎng)A對(duì)>2.0～5.0 mm等較大粒徑的微塑料處理效果明顯好于0～0.1 mm等較小粒徑的微塑料，污水處理廠(chǎng)B對(duì)>0.1～0.3 mm微塑料具有相對(duì)較好的處理效果。

片狀是污水處理廠(chǎng)進(jìn)出水口微塑料主要的形狀，其次是塊狀，線(xiàn)狀、纖維狀和顆粒狀相對(duì)較少。

2.3 污水處理廠(chǎng)進(jìn)出水口微塑料的成分變化

污水處理廠(chǎng)進(jìn)出水口微塑料的成分分析結(jié)果見(jiàn)表3。污水處理廠(chǎng)A共檢出18種塑料多聚物成分，進(jìn)水口主要是PE、EAA和EVA，排放口主要是PE和PET；污水處理廠(chǎng)B共檢出4種塑料多聚物成分，進(jìn)水口主要是PE和PAM，排放口主要是PE。結(jié)果顯示，進(jìn)出水口微塑料成分發(fā)生明顯變化，污水處理廠(chǎng)A對(duì)EAA和EVA存在明顯的去除效果，污水處理廠(chǎng)B對(duì)PAM存在明顯的去除效果。

表3 污水處理廠(chǎng)進(jìn)出水口微塑料成分組成Table 3 Polymers composition of microplastics in intake and outlet of sewage treatment plants

3 討 論

3.1 污水處理廠(chǎng)對(duì)污水中微塑料的去除效果

本研究選擇的污水處理廠(chǎng)采用活性污泥法，是目前國(guó)內(nèi)生活污水處理的主要工藝之一，對(duì)比進(jìn)出水口的微塑料含量，污水處理廠(chǎng)A的微塑料平均去除率為86.8%，污水處理廠(chǎng)B的微塑料平均去除率為89.3%。需注意的是，污水處理廠(chǎng)進(jìn)出水口微塑料的粒徑和成分均發(fā)生明顯變化，污水處理廠(chǎng)對(duì)部分粒徑范圍和特定成分的微塑料具有相對(duì)較好的去除效果。

國(guó)內(nèi)對(duì)污水處理廠(chǎng)微塑料排放的研究相對(duì)較少，國(guó)外以污水處理廠(chǎng)為重點(diǎn)，逐步開(kāi)展陸源微塑料輸入狀況研究。TALVITIE等[12]和MURPHY等[13]對(duì)污水處理廠(chǎng)出水和近海海水中的微塑料進(jìn)行監(jiān)測(cè)，檢測(cè)到相似類(lèi)型的微塑料，污水處理廠(chǎng)的微塑料去除率為98%左右，去除的微塑料主要是纖維和合成顆粒；CARR等[14]對(duì)美國(guó)南加州7個(gè)三級(jí)污水處理廠(chǎng)和1個(gè)二級(jí)污水處理廠(chǎng)微塑料排放情況進(jìn)行分析，結(jié)果表明，污水經(jīng)三級(jí)處理后微塑料能被有效去除。TALVITIE等[15]研究污水不同處理階段對(duì)微塑料的去除效果，結(jié)果表明，物化預(yù)處理階段，污水中97%微塑料被去除，活性污泥處理后，微塑料進(jìn)一步降低7%～20%?？傮w而言，污水處理廠(chǎng)對(duì)微塑料的去除效果與處理工藝密切相關(guān)，并隨著微塑料的粒徑變化，波動(dòng)較大。

3.2 污水中微塑料的來(lái)源分析

污水中微塑料的來(lái)源多種多樣，目前的研究集中在日化產(chǎn)品中的塑料微珠、洗滌廢水中的纖維等。ZUBRIS等[16]研究化妝品中的塑料微珠和洗衣過(guò)程中的衣物纖維釋放，結(jié)果顯示，衣物纖維中常出現(xiàn)PES和NYLON，塑料微珠主要為PE和PP等。SILLANP等[17]發(fā)現(xiàn)在一次洗滌中釋放的微纖維量為2.1×105～1.3×107根，但在連續(xù)洗滌中釋放的微纖維量呈下降趨勢(shì)。本研究在污水中檢出18種塑料多聚物成分，參考文獻(xiàn)[18]，分析其用途，揭示其可能來(lái)源，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 污水中檢出的微塑料成分的主要來(lái)源Table 4 Main source of microplastics polymers composition in sewage

3.3 微塑料排放的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

污水處理廠(chǎng)目前尚未有針對(duì)微塑料的監(jiān)測(cè)與處理環(huán)節(jié)，因此污水處理廠(chǎng)的出水成為陸源微塑料輸入的重要來(lái)源，然而微塑料的生態(tài)效應(yīng)尚不明確。MCCORMICK等[19]通過(guò)高通量測(cè)序發(fā)現(xiàn)，污水處理廠(chǎng)排放口下游微生物種類(lèi)和數(shù)量發(fā)生改變，能夠分解塑料的微生物顯著增加。當(dāng)微塑料進(jìn)入海洋后，由于微塑料粒徑小，海洋浮游動(dòng)物在攝入浮游植物時(shí)也會(huì)攝入一定量的微塑料，而微塑料的含量、粒徑、形狀、聚集和老化程度等理化性質(zhì)均會(huì)影響浮游動(dòng)物對(duì)微塑料的攝入水平，目前研究已發(fā)現(xiàn)有數(shù)十種浮游動(dòng)物會(huì)攝入不同量的微塑料，這對(duì)浮游動(dòng)物生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖和壽命產(chǎn)生不同程度的負(fù)面影響[20-21]。

針對(duì)微塑料長(zhǎng)期排放的生態(tài)效應(yīng)，本研究采用Lithner危害指數(shù)[22]，評(píng)價(jià)其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算公式見(jiàn)式(1)：

(1)

式中：PEI為微塑料綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5；Pi為第i類(lèi)微塑料數(shù)量占比，%；Si為第i類(lèi)微塑料的Lithner危害指數(shù)。

表5 微塑料生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Criteria for degrees of microplastics ecological risk

對(duì)污水處理廠(chǎng)進(jìn)出水口微塑料的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：污水處理廠(chǎng)A進(jìn)水口和排放口PEI分別為22.7、25.4，均處于中風(fēng)險(xiǎn)水平；污水處理廠(chǎng)B進(jìn)水口和排放口PEI分別為6.3、8.1，均處于低風(fēng)險(xiǎn)水平。

4 結(jié)論與建議

(1) 污水處理廠(chǎng)進(jìn)出水口微塑料特征呈現(xiàn)明顯的差異，微塑料平均去除率均為85%以上；微塑料顏色以紅色、藍(lán)色、綠色等為主；形狀主要為片狀和塊狀；微塑料成分包括PE、EAA、EVA、PAM、PCL等18種。

(2) 污水處理廠(chǎng)對(duì)部分粒徑范圍內(nèi)和特定成分的微塑料具有相對(duì)較好的去除效果。污水處理廠(chǎng)A對(duì)粒徑>2.0～5.0 mm、成分為EAA和EVA的微塑料顆粒存在較好的去除效果；污水處理廠(chǎng)B對(duì)粒徑>0.1～0.3 mm、成分為PAM的微塑料顆粒存在較好的去除效果。

(3) 污水處理廠(chǎng)微塑料的排放是陸源微塑料入海的重要途徑，雖然對(duì)選取的污水處理廠(chǎng)微塑料生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的結(jié)果為中低風(fēng)險(xiǎn)水平，但其長(zhǎng)期排放對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)可能造成的累積性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)引起重視。