珠江口典型生活污水处理厂微塑料处理与排放研究*

2021-04-06赵文静綦世斌

环境污染与防治 2021年3期

赵肖何蕾赵文静# 綦世斌闫雨

(1.生态环境部华南环境科学研究所，广东广州 510530；2.中山大学环境科学与工程学院，广东广州 510275)

微塑料通常定义为直径小于5 mm的塑料纤维、颗粒或薄膜[1]，其来源主要分为初生和次生两大类。初生微塑料主要来自塑料颗粒工业产品，如含有微塑料颗粒的化妆品、作为工业原料的塑料颗粒和树脂颗粒等；次生微塑料主要是大型塑料垃圾在紫外线照射、海浪拍打、化学侵蚀等物理和化学因素作用下，分裂和体积减小而形成的塑料颗粒[2]。

近年来，海洋中的微塑料作为一类新型污染物，广泛分布于太平洋、大西洋等海域环境中[3-4]，已成为全球海洋塑料垃圾污染防治的焦点问题。据估计：塑料垃圾约占全部海洋垃圾的60%～80%，部分区域塑料垃圾占比达到90%～95%，全球有超过5亿个塑料和至少250 000 t的塑料浮在海洋中[5-6]。同时，随着对微塑料生态效应研究的深入，其生态环境风险日益凸显，相关研究显示：误食微塑料的海洋生物会因难以消化微塑料或肠道磨损而死亡[7-8]；此外，微塑料作为多聚物，其内部的有毒添加剂和负载的疏水性有毒污染物质会进入食物链，对海洋生物和人类健康造成不利影响[9-10]。

陆源是海洋塑料垃圾的主要来源。2010年，全球海岸带产生9 950万t塑料废物，其中，3 190万t塑料废物未妥善处置，480万～1 270万t塑料废物进入海洋[11]，后在海洋环境中逐渐破碎化，形成微塑料。在陆源输入中，污水处理厂是塑料颗粒输入海洋的重要途径，大量塑料颗粒(如日化产品中的塑料微珠、洗衣废水中的纤维、汽车轮胎磨损碎屑和其他破碎化塑料垃圾等)进入污水管网，后经污水处理厂处理排入环境水体，最终进入海洋。国内污水处理厂尚未将微塑料纳入处理范围，对于现存工艺的微塑料处理效率和排放情况的研究相对较少。因此，本研究在珠江口磨刀门区域，选择典型生活污水处理厂，通过连续采集其进水口和排放口样品，对微塑料样品的浓度、颜色、粒径、形状、成分等进行测试，对比分析污水处理厂对微塑料的处理情况，为实施海洋微塑料陆源防治提供参考。

1 材料与方法

1.1 污水处理厂概况

选择的污水处理厂位于珠江口磨刀门河口区，处理工艺均为活性污泥法，污水经过粗格栅、细格栅、沉砂除油池等预处理程序，其后进入生物处理线，包括初级沉淀池、生物曝气池及二级沉淀池等，处理完的污水直接排海。污水处理厂A设计处理能力为14.4万t/d，目前实际处理污水约7万t/d；污水处理厂B设计处理能力为13万t/d，目前实际处理污水约2万t/d。

1.2 样品采集

2019年9月，选择早(9：00)、中(14：00)、晚(19：00)用水高峰期，连续3 d采用定体积泵吸法和人工取水器取水相结合的方法，对两座生活污水处理厂进水口和排放口进行水样采集，样品用玻璃瓶保存，并带回实验室处理分析。

1.3 样品分析

用200目筛过滤水样，滤液收集至样品瓶中，加入30%(质量分数)过氧化氢溶液，密封静置3 d，以消解生物组织；用0.45 μm滤膜进行过滤，将滤膜收集至干净的培养皿中，烘干待测。

使用SMZ1270体视显微镜观察滤膜上的微塑料样品，测量样品大小并记录颜色、形状等参数；使用Spotlight 200i傅立叶红外显微光谱仪的ATR模式测定样品材质。

2 结果与分析

2.1 污水处理厂进出水口微塑料的含量变化

由表1可见，进水口和排放口颗粒含量呈现显著差异(P<0.05)。对于微塑料，污水处理厂A进出水口含量相对更高，且随时间出现明显的变化。污水处理厂A进水口微塑料平均值为58.9个/m3，最高值出现在早上，最低值出现在中午；排放口微塑料平均值为7.7个/m3，最高值出现在中午，最低值出现在早上。污水处理厂B进水口微塑料平均值为15.6个/m3，最高值出现在中午，最低值出现在早上；排放口微塑料平均值为1.7个/m3，最高值出现在晚上，最低值出现在早上。污水处理厂进出水口微塑料变化见图1，进水口微塑料含量随时间呈现较大波动，排放口微塑料含量相对较平稳。

图1 污水处理厂进出水口微塑料变化Fig.1 Microplastics concentration in intake and outlet of sewage treatment plants

表1 污水处理厂进出水口颗粒分析结果Table 1 Particle concentration in intake and outlet of sewage treatment plants

2.2 污水处理厂进出水口微塑料的形态变化

污水处理厂进出水口微塑料形态分析结果见表2。

表2 污水处理厂进出水口微塑料的形态特征1)Table 2 Morphological character of microplastics in intake and outlet of sewage treatment plants

两座污水处理厂进水口和排放口微塑料均以彩色为主，包括红色、蓝色、绿色等，透明较少，需注意的是，进水未经处理，水样悬浮物较多，部分白色微塑料存在沾污的情况，观察为黑色。

经污水处理厂处理，微塑料粒径分布明显发生改变。污水处理厂A对>2.0～5.0 mm等较大粒径的微塑料处理效果明显好于0～0.1 mm等较小粒径的微塑料，污水处理厂B对>0.1～0.3 mm微塑料具有相对较好的处理效果。

片状是污水处理厂进出水口微塑料主要的形状，其次是块状，线状、纤维状和颗粒状相对较少。

2.3 污水处理厂进出水口微塑料的成分变化

污水处理厂进出水口微塑料的成分分析结果见表3。污水处理厂A共检出18种塑料多聚物成分，进水口主要是PE、EAA和EVA，排放口主要是PE和PET；污水处理厂B共检出4种塑料多聚物成分，进水口主要是PE和PAM，排放口主要是PE。结果显示，进出水口微塑料成分发生明显变化，污水处理厂A对EAA和EVA存在明显的去除效果，污水处理厂B对PAM存在明显的去除效果。

表3 污水处理厂进出水口微塑料成分组成Table 3 Polymers composition of microplastics in intake and outlet of sewage treatment plants

3 讨论

3.1 污水处理厂对污水中微塑料的去除效果

本研究选择的污水处理厂采用活性污泥法，是目前国内生活污水处理的主要工艺之一，对比进出水口的微塑料含量，污水处理厂A的微塑料平均去除率为86.8%，污水处理厂B的微塑料平均去除率为89.3%。需注意的是，污水处理厂进出水口微塑料的粒径和成分均发生明显变化，污水处理厂对部分粒径范围和特定成分的微塑料具有相对较好的去除效果。

国内对污水处理厂微塑料排放的研究相对较少，国外以污水处理厂为重点，逐步开展陆源微塑料输入状况研究。TALVITIE等[12]和MURPHY等[13]对污水处理厂出水和近海海水中的微塑料进行监测，检测到相似类型的微塑料，污水处理厂的微塑料去除率为98%左右，去除的微塑料主要是纤维和合成颗粒；CARR等[14]对美国南加州7个三级污水处理厂和1个二级污水处理厂微塑料排放情况进行分析，结果表明，污水经三级处理后微塑料能被有效去除。TALVITIE等[15]研究污水不同处理阶段对微塑料的去除效果，结果表明，物化预处理阶段，污水中97%微塑料被去除，活性污泥处理后，微塑料进一步降低7%～20%。总体而言，污水处理厂对微塑料的去除效果与处理工艺密切相关，并随着微塑料的粒径变化，波动较大。

3.2 污水中微塑料的来源分析

污水中微塑料的来源多种多样，目前的研究集中在日化产品中的塑料微珠、洗涤废水中的纤维等。ZUBRIS等[16]研究化妆品中的塑料微珠和洗衣过程中的衣物纤维释放，结果显示，衣物纤维中常出现PES和NYLON，塑料微珠主要为PE和PP等。SILLANP等[17]发现在一次洗涤中释放的微纤维量为2.1×105～1.3×107根，但在连续洗涤中释放的微纤维量呈下降趋势。本研究在污水中检出18种塑料多聚物成分，参考文献[18]，分析其用途，揭示其可能来源，结果见表4。

表4 污水中检出的微塑料成分的主要来源Table 4 Main source of microplastics polymers composition in sewage

3.3 微塑料排放的生态风险评价

污水处理厂目前尚未有针对微塑料的监测与处理环节，因此污水处理厂的出水成为陆源微塑料输入的重要来源，然而微塑料的生态效应尚不明确。MCCORMICK等[19]通过高通量测序发现，污水处理厂排放口下游微生物种类和数量发生改变，能够分解塑料的微生物显著增加。当微塑料进入海洋后，由于微塑料粒径小，海洋浮游动物在摄入浮游植物时也会摄入一定量的微塑料，而微塑料的含量、粒径、形状、聚集和老化程度等理化性质均会影响浮游动物对微塑料的摄入水平，目前研究已发现有数十种浮游动物会摄入不同量的微塑料，这对浮游动物生长、发育、繁殖和寿命产生不同程度的负面影响[20-21]。

针对微塑料长期排放的生态效应，本研究采用Lithner危害指数[22]，评价其生态风险，计算公式见式(1)：

(1)

式中：PEI为微塑料综合生态风险指数，评价标准见表5；Pi为第i类微塑料数量占比，%；Si为第i类微塑料的Lithner危害指数。