污水微塑料的研究进展

2019-08-02王志鹏陈蕾

应用化工 2019年7期

王志鹏，陈蕾

(南京林业大学土木工程学院，江苏南京 210042)

塑料是以单体为原料，通过加聚或缩聚反应聚合而成的高分子化合物，俗称塑料或树脂，可以自由改变成分及形体样式，由合成树脂及填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料等添加剂组成[1]。20世纪50年代至今的六十多年间，塑料年产量从50万t增加至3.22亿t[2]。由于塑料垃圾的管理不当，向环境中排放量逐年增大，据估计，仅2010年向海洋中排放的塑料量达到1 000万t[3]。微塑料是粒径<5 mm的塑料颗粒[4]，分为初生微塑料和次生微塑料两种，初生微塑料有日化产品中的塑料微珠[5]，次生微塑料由大型塑料风化、光解而成[6]，2014年，人类在北极发现微塑料[7]。由于这些颗粒的大小与水生生物的食物大小相似，因此摄食选择性低的生物会摄取这些颗粒，可能伴随着负面影响，在水生无脊椎动物中，各种浮游动物已经显示出能够摄取1.7～30.6 μm的聚苯乙烯微珠[8]。近年来，微塑料的生态毒理性研究成为了国内外学者的研究重点，Jeong等[9]证明了微塑料与海洋轮虫Brachionus koreanus脂质膜损伤有关。Hall等首次报道了石珊瑚可以吸收微塑料，珊瑚将微塑料误认为是猎物，并且可以消耗高达50 μg/(cm2·h)，其速率与实验中浮游生物和卤虫无节幼体的消耗量相似，摄入的微塑料包裹在珊瑚肠腔内的肠系膜组织中，高浓度的微塑性碎片可能会损害珊瑚的健康。Gardon等将成年牡蛎暴露于聚苯乙烯微珠2个月，测试3种浓度(0.25，2.5，25 μg/L)，结果显示，微珠浓度越大，对牡蛎的同化效率和繁殖影响越显著[10]。此外，微塑料作为载体吸附有机污染物，重金属等增强了毒性，Li等[11]发现微塑料对常见的抗生素有良好的吸附作用。虽然废水是微塑料的重要来源，但是目前为止，微塑料的研究主要集中在海洋，陆地水系的微塑料的研究较少，本文重点讨论废水中微塑料的来源与归宿，探究废水微塑料的解决方法，以期为后人研究提供借鉴。

1 废水微塑料的来源

污水排放和塑料垃圾的不当处理是陆地水系微塑料的主要来源[12]，Zubris[13]认为洗衣过程中释放的衣物纤维和人常护理产品中的微珠是废水微塑料的主要来源。衣物中常出现聚酯和尼龙，聚乙烯和聚丙烯通常作为化妆品中的微珠或增光剂。塑料微珠在化妆品中去除面部角质，Napper等[14]从化妆品中提取聚乙烯微珠，结果表明，微珠的尺寸在164～327 μm之间，据估算，一次使用可释放4 594～94 500个微珠。Markus等发现洗涤一次聚酯和棉织物释放的微纤维的数量2.1×105～ 1.3×107，释放的微纤维量在连续洗涤中呈下降趋势，芬兰家用洗衣机的聚酯和棉微纤维的年排放量估计为411 t[15]。Mark等[16]在生活废水中发现微塑料的组成为：78%聚酯，9%聚酰胺，7%聚丙烯，5%丙烯酸，这一比例和衣物中的成分比例高度相似，清洗一件衣服可以产生超过1 900根纤维，冬季洗衣量远高于夏季，污水中检查的微塑料数量相应增加。Cheung等[5]调查了9种含微珠的护理用品，平均数量为20 860个/g，根据人口数，面部磨砂使用率，直接排放率以及污水处理率进行保守估算。每年平均有209.7万亿颗微珠(306.9 t)排放到中国陆地的水环境中。约80%的排放量来自污水处理厂不完全清除，其余20%来自直接排放。

2 微塑料的归宿

废水中的微塑料富集在污水厂，目前，污水厂对微塑料并没有监测与处理环节，因此污水厂的出水是陆地河流微塑料的重要来源[17]，我国污水厂的微塑料研究目前尚处于空白阶段，从事这方面研究的主要是国外学者。Talvitie等[18]提出污水厂出水可以作为微塑料进入环境的途径，他们在芬兰污水处理厂的三级处理出水和近海的海水中检测到相似类型的微塑料，主要是纤维和合成颗粒。每天大约有6.5×107微塑料可以从苏格兰的二级污水处理厂进入水生环境，尽管去除率为98%，但是考虑到污水量大，排放量很大[19]。Steve等[20]研究了南加州七个三级处理厂和一个二级处理厂，结果表明，189 t三级处理出水中存在一个45～400 μm的微塑料，11.4 t二级处理出水中存在一个125 μm的微塑料，污水三级处理后微塑料被有效地去除。Julia等[21]的研究中，污水厂采用常规物化处理，活性污泥法和BAF的混合工艺，考察了不同阶段对微塑料的去除效果，结果表明物化预阶段，废水中 97%微塑料被去除，活性污泥处理进一步降低7%～20%浓度。BAF工艺效果甚微。预处理有效去除了100 μm 以上的微塑料。而在斯洛文尼亚的另一项研究中，模拟污水厂序批式活性污泥法，对4～12 μm 微塑料的去除率仅为52%[22]，由此可见污水厂对微塑料的去除效率随着微塑料的粒径大小的变化，波动较大，直径越小的微塑料去除效率越低。白濛雨等[23]研究了仅采用厌氧消化的污水水厂进出水、污泥中微塑料的赋存特征及微塑料排放量。结果表明，污水厂进出水中微塑料形态主要为纤维状。进水含量依次为人造丝(36.84%)、合成革(21.05%)和聚酯纤维(18.42%)，出水中的种类依次为合成革(26.67%)、人造丝(24.44%)、聚酯纤维(17.78%)和聚乙烯(15.56%)，平均去除率仅为55.6%，未设置物化预处理，微塑料的去除率较其他研究降低了很多，预处理对微塑料的去除至关重要，此外不同的测量标准也导致计算结果偏差较大，适合陆地污水厂的检测方法和统一的标准仍需加强研究。

Shirin等[24]在新泽西州拉里坦河的四个主要市政污水处理厂的上游和下游收集河流样品，通过3种尺寸的微塑料的分布规律(500～2 000 μm，250～500 μm，125～250 μm)，分析污水厂出水对河流微塑料分布的影响，结果表明在污水厂下游，125～250，250～500 μm尺寸类别的微塑料浓度显著增加，最大尺寸的微塑料较河流中污染最严重地区小3.8倍。Amanda等[25]证明了废水处理厂的废水是河流微塑料的点源。高通量测序的结果显示，污水厂下游中微生物种类和数目发生改变，能够分解塑料的生物和病原体显著增加，这些结果表明河流中的微塑料是一个独特的微生物栖息地，可能是下游运输微生物组合的特殊载体，微塑料的生态影响主要集中在海洋中，对陆地河流中动植物的影响，除此之外，暂未有报道，但海洋中的相当一部分的微塑料，由人类的洗衣废水经河流汇入海洋[12]，从污水厂流入海洋的微塑料，对海洋生态的影响引发了国外学者的关注，Fossi等[26]2012年发现地中海的56%的漂浮物中含有微塑料，在搁浅的长须鲸中检测到了邻苯二甲酸酯，呼吁人类关注微塑料对海洋大型生物的关注。蓝鳍金枪鱼是一种小型金枪鱼，2013年Battaglia等[27]在地中海捕捉的蓝鳍金枪鱼胃部发现微塑料，微塑料由浮力作用多聚集在浅水区，蓝鳍金枪鱼活动在浅水区，且因为体积较小，以小型食物为生，与微塑料体积相似，因此常被误食。在一项最新的关于中国污泥微塑料时空变化的研究中，Li等[28]发现中国东部地区的每克干污泥中的微塑料量高于西部地区，其中原因归结于东部人口更为稠密、工业发达，根据中国污泥总产量，从污泥进入环境中的微塑料的数量估计为每年1.56×1014个颗粒。

3 对策

在这前的很长一段时间内，人类未曾认识到日化品中的微珠对生态的影响，随着关注度的逐渐提高，部分国家已经率先禁止日化品中的微塑料，佳洁士、强生等大型日化品公司已宣布不再生产含微塑料的产品[29]。Imogen等[30]比较了不同材料的衣服，清洗释放的微塑料量，由合成材料制成的织物释放的纤维比丙烯酸纤维少80%，在未来的服装设计中，在材料的选择方面，注重选择更为环保的材料。此外，洗衣液的加入，提高了纤维的释放量，但是目前来看洗衣液在目前生活中必不可少，可以考虑在洗衣机出水口增加滤网，对出水进行过滤，减少排出的纤维量。虽然污水厂对微塑料有着较高的去除效率，但是去除的微塑料保留在活性污泥中，污泥的不当处理会导致微塑料的再次污染，Mahon等[31]比较了厌氧消化、热处理和碱处理对污泥的处理效果，结果表明碱处理对212 μm以上的微塑料去除率较高，厌氧消化和热处理尺寸更小的微塑料表现出优势，因此应针对污泥中微塑料的特点，采取适合的处理方式。在污水厂的不同的二级处理中，同样差别显著，氧化沟处理效果明显优于A/O，可能的原因是氧化沟具有更长的水力停留时间和污泥停留时间，去除率可能和污泥沉降有关[30]。研究表明，绿化率与污水中发现的微塑料呈负相关，污水中的部分污水由雨水汇入，经过地表植物的净化，因此提高绿化面积是一个可行的方案[32]。集中真菌被认为可以以塑料为原料达到降解微塑料的效果，如真菌Z.maritimum由于该真菌在天然水体中广泛存在，因此天然真菌被认为具有解决微塑料污染的有效潜力[33]。