水体中不同粒径微塑料的危害及去除研究进展

许赟赟, 张承龙, 王瑞雪, 马 恩, 王景伟

(上海第二工业大学资源与环境工程学院,上海 201209)

0 引言

微塑料的第1 次提出可追溯到2004 年Science上的文章, Thompson 等[1]研究发现每年产生的数百万吨塑料碎片堆积在世界各地的海洋栖息地,作者在普利茅斯周围海滩河口等发现了大量塑料聚合物。自此微塑料逐渐进入人们视线,转而成为研究热点。自20 世纪第1 个合成树脂发展以来,塑料在社会中体现出了举足轻重的地位。基于其无限的创新潜力,塑料创造了世界,并继续为快速变化的需求提供可持续的解决方案。在过去的50 年间,全球塑料生产产量显著增加,由20 世纪50 年代的170 万t增加到了2021 年的约4 亿t[2]。塑料产量的剧增,同时带来了巨大的污染,微塑料在最终进入淡水和海洋环境之前,会通过家庭或工业排水系统在废水中传输[3-4],在一定的迁移转化过程中与重金属、有机污染物等结合成为复合污染物污染环境及各类动植物,最终通过食物链的富集影响人体健康。本研究的目的是通过分析不同粒径微塑料对自然环境及人类社会的危害,对比污水处理厂三级处理对于微塑料的去除效率,为国家减排禁塑提供理论依据,促进微塑料动态监管政策推进,降低微塑料对于人类社会的危害。

1 微塑料定义

1.1 定义

微塑料主要指直径在5 mm 以下的塑料颗粒。微塑料性质稳定、疏水性强、密度较小,容易因为风和洋流进行长距离迁移[5]。公众对微塑料的关注不仅因为它们在环境中的无处不在和持久性,还因为它们有可能通过阻塞或破坏消化系统对水生动物造成物理和化学伤害[6],也是将危险化合物和重金属转移到水生生物群的潜在途径。除此之外, 微塑料还可能通过食物链潜在危害人类健康[7]。

1.2 微塑料的来源

塑料产量高,且大多数塑料的物理特性如化学惰性及生物降解缓慢,导致塑料碎片在环境中堆积。微塑料的排放途径也有很多, 废物处理不当、管理不善或沿着城市径流,都会导致微塑料向外排放[8]。根据微塑料形状, 可将其分为碎片状、薄膜状、纤维状等。根据来源, 微塑料一般分为初级颗粒和次级颗粒。初级颗粒主要是衣物和家具中的合成纤维、化妆品和个人护理产品中的微珠, 以及一些用于工业磨料的塑料颗粒和塑料制造业使用的树脂颗粒[5]; 次级颗粒则是原本的塑料产品(包括初级塑料)因风化、紫外线辐射或物理磨损形成的碎片颗粒[9]。由于塑料本身难以分解,且密度相对较小,在自然环境中容易进行迁移和转化,微塑料已成为较难解决的新型污染物。

2 微塑料粒径研究

2.1 粒径分布

微塑料粒径普遍定义在5 mm 及以下, 但随着研究的深入,5 mm 的划分已无法满足需求。1 mm 及µm 级别的微塑料在自然环境中丰度更高、分布更广,也对环境影响更大。Liu 等[10]调查了上海郊区20 个菜田农田土壤中的微塑料和中塑料,浅层和深层土壤中< 1 mm 的微塑料占比分别为48.79%和59.81%,浅层土壤及深层土壤中微塑料的平均尺寸分别为1.91 mm 和1.48 mm; 水体中微塑料主要分布在湖泊、河流、河口、海洋水域中,Eriksen 等[11]调查了美国劳伦五大湖开放水域中的微塑料污染,粒径在0.355∼0.999 mm 的微塑料占比81%,粒径在1.000∼4.749 mm 的微塑料占比为17%,而粒径> 4.75 mm 的微塑料仅占2%;Anderson 等[12]对加拿大温尼伯湖等淡水湖中调查发现微塑料主要粒径分布在333µm 以上,Fischer 等[13]在意大利博尔塞纳湖和丘西湖中检出水体和沉积物中微塑料主要粒径在0.5 mm 以下。由此可见,在微塑料研究中可将5 mm 定义进一步细化。

2.2 不同粒径微塑料的危害

2.2.1 对动植物的危害

Alomar 等[14]在海洋和淡水中捕获的大量鱼类物种中观察到微塑料的存在。据报道,微塑料(直径为1∼5 µm 的聚乙烯球) 可显著降低普通虾虎鱼幼体的乙酰胆碱酯酶活性,并伴有氧化损伤[15]。An等[16]对北京一条高度城市化的河流进行微塑料污染情况研究,发现10∼100µm 的微塑料可以在蜗牛和水螺中被携带, 相比之下, 200∼500 µm 的塑料微粒在蜗牛中被携带的比例更小。Liu 等[17]研究不同粒径微塑料对磷虾诱导防御的抑制作用,相较于1µm 的微塑料,0.7µm 微塑料对缩短存活时间、延迟成熟时间和减少后代数量的影响更强。Jeong等[18]选取了4 种粒径聚苯乙烯(1、6、10 和25µm),测量斑马鱼幼鱼脑电图信号、癫痫相关基因表达和神经化学浓度变化后发现, 10µm 的微塑料对其神经毒性影响更大。Lu 等[19]报告称,丹尼奥鱼的鳃、肠道和肝脏中存在直径为5µm 的微塑料,聚苯乙烯微珠仅在鱼的鳃和肠道中积累, 直径为20 µm。聚苯乙烯微塑料的积聚引起了鱼肝的炎症和脂质积聚。Mao 等[20]研究证实微塑料会抑制水体中藻类植物生长,其与浮游植物相互作用会从水体中迁移至沉积物,扩大的聚合物促进底栖动物为塑料微粒的吸收,导致更多的微塑料进入食物链。

2.2.2 对人体的危害

如表1 所示,本文综述了已知的微塑料及其对人体潜在毒性的研究[21]。由表1 可知,主要是粒径为纳米级别的微塑料颗粒易对人体造成健康威胁,包括胃肠道、肾脏、呼吸道、血液、大脑神经、胎盘和皮肤等多个器官、组织及生理系统。

表1 微米塑料(MPs)和纳米塑料(NPs)对人体器官和细胞培养的毒性作用Tab.1 Toxic effects of microplastics(MPs)and nanoplastics(NPs)on human organs and cell cultures

2.3 不同粒径微塑料的去除

由于包括风和洋流在内的运输现象,微塑料可以在世界各地的沿海地区和水生生态系统中被发现。微塑料主要来源是家庭污水排放,包括化妆品和清洁产品中的聚合物颗粒,用于制造塑料产品的原料以及用于空气喷射的塑料颗粒或粉末[36]。污水处理厂作为微塑料排放主要来源之一[37],长期以来受到研究者们的关注。

污水处理厂既可作为微塑料进入水环境的屏障, 又可作为微塑料进入水环境的通道。采用1 级和2 级处理工艺的常规废水处理可以从废水中去除绝大多数微塑料,并且主要在预处理阶段就被去除[38]。虽然去除能力很高,但考虑到污水的排放量巨大,且污水处理技术并不是专为去除微塑料而设计,所以微塑料在污水中的赋存特征依然值得关注。

微塑料的粒径影响沉降效果, 1 级处理对于大粒径的微塑料去除效率更高,粗网格和细网格可以阻挡大部分尺寸大于3 mm 的颗粒,Petroody 等[39]通过对里海南部污水厂的研究发现, 粒径在500µm 以上的塑料可以被初沉池轻易去除, 当粒径从0.08∼0.55 mm 提高到1.7∼5 mm 时, 去除率从19.6%提高至96.4%。

污水的2 级处理主要为生物处理,目的是去除胶体和一些有机物,微塑料在经过1 级处理之后会被进一步去除,在2 级处理过程中,被微生物及相关絮体吸附,在后续沉淀过程中随着絮体一起从污水中分离出[39]。

由于一二级处理去除了绝大多数微塑料颗粒,导致了3 级处理进出水微塑料赋存变化较小,Talvitie 等[40]认为污水处理厂对微塑料的总截流能力超过99%,但是在2 级处理后便能达到,3 级处理并没有对微塑料去除产生有效作用。此外, 还检测了剩余污泥、干污泥和废水中的微凋落物含量。根据平衡分析,从工艺中去除的约20%的微垃圾与废水一起回收,而80%的微垃圾包含在干污泥中。需要注意的是, 3 级处理若使用紫外消毒可能会降解或者老化较大块微塑料进一步裂解,从而增加微塑料自2 级处理后在第3 级处理后的浓度[41]。表2 是我国部分地区污水处理厂进出水微塑料浓度以及总去除率[42-44]。由表2 可知,不同地区污水进水和处理水中的微塑料浓度相差较大,造成这一结果与多个因素相关,包括污水来源,处理厂服务人口和当地居民卫生习惯等等,工业废水尤其是纺织废水的污水处理厂,其污水的微塑料含量明显高于其他污水处理厂,约为54100 个/L[45]。

表2 我国部分污水处理厂进出水微塑料丰度及其去除率Tab.2 Abundance and removal rate of microplastics in inlet and effluent water of some wastewater treatment plants in China

从微塑料形态特征上, Talvitie 等[40]选定芬兰和北欧国家最大的废水处理厂进行研究,经过2 次处理后其对微塑料的总体保留能力超过99%, 第2级处理降低了7%∼20%的微塑料浓度,其中粒径在0.1 mm 以上的微塑料得到有效去除, 而第3 级处理对微塑料无明显截留能力, 即0.02∼0.1 mm微塑料无法被截留。Liu 等[46]发现小粒径微塑料(0.02∼0.3 mm) 在不同处理工艺的出水中浓度占比逐渐增大, 表明在处理过程中可能存在微塑料的次生过程; L¨u 等[47]在研究氧化沟系统对微塑料的去除时发现, 质量去除率为97% 时, 数量去除率只有53.6%, 说明污水处理厂对极小尺寸的微塑料去除并不理想。Magni 等[48]提出随着微塑料粒径的增加, 总去除率随之升高, 将微塑料粒径划分为5∼1 mm、1∼0.5 mm、0.5∼0.1 mm和0.1∼0.01 mm 时, 微塑料去除率分别为94%、94%、77% 和65%。Azizi 等[49]通过分析汇总比较得出, 粒径小于125 µm 以及375∼600 µm在污水处理过程中占比最高, 丰度分别为26% 和15%。较大的颗粒容易沉淀在下方,被常规工艺显著去除。

3 微塑料治理政策

水体中微塑料含量虽然不会对人类构成直接威胁,但是极小微塑料在污水处理厂被大量排放之后进入城市体系,通过食物链的传递富集最终进入人体,始终是一个较大的隐患。对此,需对塑料制品进行全生命周期管控[50],从源头开始,减少塑料制品的使用。2020 年,国家发展改革委和生态环境部发布了《关于进一步加强塑料污染治理的意见》,意见明确禁止生产、销售厚度小于25µm 的超薄塑料购物袋、厚度小于0.01 mm 的聚乙烯农用地膜。禁止以医疗废物为原料制造塑料制品。全面禁止废塑料进口。到2020 年底,禁止生产和销售一次性发泡塑料餐具、一次性塑料棉签;到2022 年底,禁止销售含塑料微珠的日化产品; 禁止、限制使用不可降解塑料袋、一次性塑料餐具、快递塑料包装等[51]。该意见从各方面严格控制塑料生产使用,减少微塑料产生并危害环境。2022 年8 月30 日欧盟委员会发布了限制蓄意添加微塑料的提议草案[52]。该限制将包括所有尺寸均低于5 mm 的合成聚合物微粒和颗粒长度低于15 mm 且长径比大于3 的纤维状颗粒,这些颗粒用于产品之中, 并可能在环境中释放。加拿大政府出台了一次性塑料禁止条例(SUPPR)[53],到2030 年实现塑料零废物目标并帮助减少温室气体排放的全面计划的一部分。该条例禁止制造、进口和销售一次性塑料结账袋、餐具以及有问题的塑料制成品或含有问题的食品服务器皿、环形托架、搅拌棒和吸管。除此之外, 加拿大倡导制定《海洋塑料宪章》[53],致力于在陆地和海上采用更具资源效率和生命周期的塑料管理方法。美国国家环保局于2021 年发布的《国家回收战略》重申到2030 年将美国的废塑料回收率提高到50%的目标[54]。英国自2020 年3 月起征收新的塑料包装税[55]、同年9 月发布条例禁止在英格兰使用塑料吸管、棉签和搅拌器。韩国环境部则在2021 年2 月发布了《促进资源的节约及再利用相关法律实施令》部分修改草案[56],本修订草案限制了塑料和其他一次性物品的使用,规定禁止在咖啡馆和其他餐馆内使用纸杯、塑料吸管和搅拌器。种种政策的发布都证明了微塑料污染到了亟需控制的地步,以源头减排为始[57]、在提升资源化循环利用的同时减少塑料垃圾的排放。

4 结论

微塑料以其分布广泛和难以去除的特点成为自然环境中不可忽视的重要污染问题。由于其生物危害性,在控制污染的同时也需要对其在环境中的丰度和粒径大小进行监测,本文表明,微米级别的微塑料会对动植物直接造成毒理性损伤,纳米级别微塑料颗粒会对人体诸多器官及生理系统产生危害。而目前微塑料主要去除方式基于污水处理厂的3 级处理,该处理虽然能去除绝大多数微塑料,其对粒径在0.1 mm 及以下的塑料颗粒去除效率相对较低。鉴于大量污水不断排放到水生环境中,即使是3 级污水处理厂也可能构成微塑料的重要来源,纳米级塑料颗粒更经由出水口流入地表河流,最终在食物链的富集作用下对人体造成伤害。希望建立健全微塑料日常监管模式,对于其丰度和粒径进行动态监管,及时预防其对社会环境造成影响,保障人民群众健康生活。