污水厂污水中微塑料的消解方法

许焕征， 解清杰*， 尹海龙， 苏 洁， 周君立

(1.江苏大学环境与安全工程学院,镇江 212013;2.同济大学环境科学与工程学院,上海 200082)

近年来，越来越多的研究发现，水环境中存在着大量的微塑料，通常认为粒径小于5 mm的塑料颗粒为微塑料[1-2]。近年来，相关研究发现中国内陆水体中普遍存在微塑料污染[3-5]。值得注意的是，微塑料会经食物链富集进入人体，最小的微塑料能进入血液、淋巴系统甚至肝脏，并对人体产生一系列不利的影响[6-8]。现有研究结果已充分说明微塑料污染在中国淡水环境中的普遍性和严重性，如不加以重视，很可能给淡水生态系统的健康及其服务功能带来不利影响。

污水处理厂作为城市水循环中的过滤器，也是城镇水污染防治的最后一道防线[9]，如果要对城市水体中的微塑料进行降解处置，那么在污水处理厂中对微塑料进行集中处置是一种较为可靠与经济的方式。然而目前对于污水厂污水中微塑料的相关研究方兴未艾，相关研究监测标准尚不统一，检测方法也不成熟。因此对于污水厂污水中微塑料问题的研究，首先要解决的是确定一种适用于污水中测定微塑料丰度的方法与技术[10-11]。而污水厂污水中含有大量的杂质，包括微生物体等会对检测计数造成很大的干扰，因此有必要在检测污水中微塑料丰度前对水样进行消解前处理。

由于相关研究对常规水样中微塑料检测的前处理方法不尽相同，其结果也大相径庭。如Cole等[12]的研究发现使用酸和碱消解对微塑料的回收率相差较大，其中HCl消解的回收率达72.1%±9.2%，而NaOH回收率可达91.3%±0.4%。Claessens等[13]的研究发现使用硝酸消解微塑料回收率仅为65.8%～77.0%。为探究不同消解方法对模拟污水厂污水中消解效果微塑料回收率的影响，本文参考《水和废水监测分析方法》[14]以及相关文献[12-17]，根据水样的前处理中常用的有酸消解方法、碱消解方法和氧化消解方法。选用其中常用的5种不同的消解方法并使用正交实验进行研究分析，对实验中的模拟污水进行消解，评价每种方法对微塑料回收率以及表面形态的影响，并确定其中消解效果最好、回收率高且对微塑料形态影响小的一种消解方法及其最优参数。

1 材料与方法

1.1 实验材料与仪器

实验所涉及的材料主要是KOH、NaOH、H2O2、HNO3和HCl均为分析纯，购自国药集团。微塑料选用100 μm的聚乙烯(polyethyene，PE)、聚丙烯(polypropylene，PP)以及聚苯乙烯(polystyrene，PS)微球。3种塑料微球参数见表1。

表1 3种塑料微球参数

实验仪器主要包括：金相显微镜(CX40MRT，SUNNY)、扫描电子电镜(JSM—7001F，JEOL)。

1.2 实验设计

1.2.1 模拟污水的配制

实验所涉及的污水为模拟污水厂内污水的水样特征，其中主要包括水源与微塑料，具体采用100 mL挂膜废水(下文所有加药量均为每100 mL的加药量)与总数为1 000颗的3种塑料微球相组合。

首先水源既要考虑到模拟污水厂污水中含有的大量生物体成分，同时也要保证其带入的微塑料尽可能少，减少实验误差，以免影响后期回收率的测定。所以，拟采用生物膜实验的挂膜废水作为模拟污水的水源。因挂膜实验的水源是取自膜处理后的去离子水，填料为无纺布(不含颗粒状塑料成分)，这就能排除微塑料会由水源中带入的问题，同时又保证水源中含有大量微生物体成分。

其次，微塑料考虑到污水厂污水中微塑料的种类繁多，而实验中不可能将所有种类的材料都添加到模拟污水中。因此本研究选择日常生活中3种常见的、且使用量较大的塑料作为微塑料的组成成分，分别是聚乙烯、聚丙烯以及聚苯乙烯。为控制实验中的变量，故统一3种微塑料的尺寸大小为100 μm(便于显微镜下计数观察的有利尺寸)，并且通过计数定量地添加到模拟污水中。

1.2.2 消解效果的确定

消解的目的主要是破坏有机物、溶解颗粒物，并将各种价态的待测元素氧化成单一高价态或转换成易于分解的无机化合物[18]。对于消解方法效果的确定，主要通过计算抽滤时间以及显微镜下观察滤膜表面特征来综合判断。由于经过消解操作后，水样中大颗粒物质分解为小颗粒物。因此，消解效果可以直观地反映为抽滤时间较未消解处理时减少，此外还有显微镜下观察滤膜表面除颗粒状物质外的杂质少，借此可综合判断消解方法的消解效果的差异。实验中，通过计算比较抽滤100 mL模拟水样与15 mL消解液(空白实验为15 mL去离子水)组成的消解后溶液抽滤完成所需时间，以及观察滤膜抽滤后的表面特征，综合判断消解方法消解后对滤膜抽滤的影响。

1.2.3 微塑料的回收率

消解完成后，对消解实验后水样用布氏漏斗配合真空泵进行抽滤操作，滤膜采用5 μm的混合纤维膜，将过滤后附有微塑料的滤膜冷冻干燥3 d。对膜上被截留的颗粒物进行显微镜下计数，取得的总数为Pi，而实验原先添加的微塑料总数P为1 000。则回收率S的计算公式如下：

(1)

为提高实验数据的整体可靠性，需要对每组实验进行大量重复，对最后结果取95%置信区间作为最后结果。对每组实验重复进行若干次，回收率分别为S1，S2，Si(i≤n)。取Sq为它的95%置信区间。

最后用回收率95%置信区间Sq来评价消解方法对于污水中微塑料的降解影响效果。

1.2.4 单因素实验方案

分别考察消解时间与加药量这两个因素对微塑料回收率的影响，其水平见表2。在实验中消解方法选用酸消解方法、碱消解方法和氧化消解方法中的HNO3、KOH以及H2O2，每次改变一个因素(消解时间的固定值为60 min，加药量的固定值为15 mL)进行实验。

表2 单因素实验参数

具体的，对配置好的模拟水样密封保存，而后在超声震荡仪中超声10 min使水样中微塑料颗粒充分分散(若仍有少量团聚，可加入适量的酒精破团聚)。取100 mL模拟水样放入250 mL带盖玻璃瓶中，要注意加盖密封，防止污染。根据实验表加入规定体积的消解溶液，然后将样品放入恒温水浴锅中按规定时间进行消解。测定微塑料消解后回收率。

1.2.5 正交实验实验方案

根据文献[12-17]以及现有水样预处理的消解方法，选用5种消解方法作为研究对象，此外还有消解时间以及加药量这两个因素。以此确定一个三因素五水平的正交实验，相关因素水平见表3。通过实验研究消解方法对微塑料回收率影响最小的条件，具体实验操作与单因素实验中的相同。

表3 正交试验因素水平

1.2.6 微塑料样品的表征

对消解过后的微塑料干燥后，通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)，进行表面形态的观察，采集相应的图像进行比对判断。结合先前消解效果与回收率的影响，并最终确定一种适用于测定污水中微塑料丰度的前处理方法。

1.2.7 数据处理

使用SPSS2 5.0进行数据分析与比较，将每组的回收率代入正交实验表中计算，最终得出最优解。文中出现的图均使用Excel 2016进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同种类消解方法消解后对抽滤时间的影响如图14所示。

由图1可知，通过酸消解方法(HNO3·HCl、HNO3)消解后，可大幅减少抽滤时间，抽滤时间均不足未消解抽滤时间的30%。通过氧化消解方法(H2O2)消解后，抽滤时间为未消解抽滤时间的33.4%。而通过碱消解方法(KOH、NaOH)在消解处理后，样品会变得黏稠，抽滤时间分别占未消解抽滤时间的57%与69.3%，相较于酸消解方法与氧化消解方法的抽滤时间明显更长。且经碱消解方法消解后，滤膜易破损，不利于后续转移到显微镜下计数，在操作上多有不便。滤膜抽滤时间的减少情况不同，可表明不同消解方法对水样中的生物絮体有不同的降解效果，HNO3·HCl、HNO3与H2O2均能有效降解，其中HNO3方法的效果最显著，仅占未消解前的24.0%。

图1 五种消解方法抽滤时间对比

2.2 消解抽滤后滤膜显微镜下比较

通过显微镜(放大倍数为100倍)观察经消解后抽滤的滤膜可以观察到如图2所示结果。消解效果的好坏更直观地反映在能否将原模拟污水中添加进去的生物体样(红色箭头)消解彻底。通过对比可以发现，碱消解方法(KOH、NaOH)对模拟污水的消解效果较差，消解后水样中有絮状沉淀物(绿色箭头)，这些絮状沉淀物略微偏黄，因此使得滤膜在显微镜视野中泛黄。H2O2、HNO3·HCl与HNO3这3种消解方法的消解效果都比较理想，其中酸消解方法(HNO3·HCl、HNO3)的效果更佳。这也能与下文中酸消解方法造成微塑料回收率的大幅降低相联系，也即因强酸的腐蚀性强，其在对生物体进行消解的同时也会对微塑料进行腐蚀，但这并不利于酸消解方法作为一种适宜的微塑料前处理方法。

图2 五种消解方法滤膜显微镜镜检对比

2.3 消解时间与加药量对微塑料回收率的影响

图3 消解时间与加药量对微塑料回收率的影响

实验结果如图3所示，可以得到酸消解方法(HNO3)、碱消解方法(KOH)和氧化消解方法(H2O2)这3类消解方法的回收率存在显著差异。其中H2O2无论是在消解时间或是加药量的影响下，回收率均在95%左右，且其因消解时间或加药量的增加，回收率均不发生显著降低，即H2O2对微塑料回收率的影响具有很高的稳定性。相比之下KOH对于微塑料回收率影响更大，其回收率在85%～90%。而HNO3对于微塑料回收率的影响最大，无论是消解时间或加药量的增加均对微塑料回收率有很大幅度的降低，回收变化幅度最高可达15%，其回收率最低至70%左右。

2.4 不同消解方法、消解时间和加药量对微塑料回收率的影响

因考虑到对于回收率测定的计数方法存在一定的误差，为减小实验误差，研究中采用对正交实验进行重复，每组实验重复20次。取20次实验值的均值作为该组实验的回收率，实验结果如图4所示。可以得到5种消解方法的回收率存在显著差异。H2O2、NaOH消解方法对于微塑料回收率的影响较为稳定，不随消解时间与加药量变化太多。因此，单从数据直观地可以判断H2O2、NaOH消解方法对于回收率的不利影响更稳定。

图4 五种消解方法正交实验结果分析

通过正交实验研究不同因素相互作用下对回收率的影响，实验结果如表4所示。根据实验结果进行极值分析，通过对比极值的大小可以发现，3个因素对于微塑料回收率都有不同程度的影响，3种因素的显著性影响的主次顺序为A>C>B。对正交实验结果进行直观分析和极值分析，得到影响微塑料回收率的最佳水平组合为A3C2B3，即消解方法选择H2O2，消解时间为60 min，加药量为10 mL。

使用5种消解方法中综合效果最佳的H2O2消解方法(60 min,10 mL)对模拟污水进行消解处理，后抽滤提取。结果显示H2O2可以将模拟污水中的生物体成分充分消解，且对污水中微塑料微球具有较高的回收率，回收率可达到96.7%±0.3%。

表4 正交实验结果

2.5 5种消解方法对微塑料微球表面形态的影响

用SEM观察(放大倍数为500倍)经不同消解方法处理后微塑料的表面形态，结果如图5所示。可以看到，未经消解处理[图5(a)]的塑料微球球体规则、表面光滑。微塑料经过H2O2[图5(b)]消解后，表面未出现明显的变化。微塑料经过碱消解方法{KOH[图5(c)]、NaOH[图5(d)}消解后，表面发生轻微的形变现象(红色箭头所示)。而微塑料经过酸消解方法{HNO3·HCl[图5(e)]、HNO3[图5(f)]}消解后，表面发生明显的形变现象(红色箭头所示)以及破损现象(如绿色箭头所示)。HNO3消解后微塑料表面还出现孔洞(如蓝色箭头所示)与深凹痕(如黄色箭头所示)。相比之下H2O2消解后微塑料表面形态良好，与未经消解处理[图5(a)]的微塑料没有明显差别。

图5 不同消解方法处理后微塑料的SEM表征

3 结论

综合考虑消解方法对于生物体的消解效果、对微塑料回收率的影响和对微塑料表面形态的影响，最终确定了对于生物体的消解效果较好、对于微塑料回收率的影响最小且对微塑料表面形态几乎无影响的H2O2方法应用于前处理，其最佳消解时间为60 min，其最佳加药量为10 mL，回收率可达到96.7%±0.3%。说明H2O2消解方法能够很好地应用在污水中测定微塑料丰度的前处理阶段，用于对其中生物体成分进行消解处理，H2O2消解方法是一种高效可行的消解方法。