污水处理过程中微塑料的特性

张楠，来嘉熙，高山雪，陈蕾

(南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 210037)

微塑料，该术语于2004年首次用于描述在海样(直径20 mm)中观察到的非常小的塑料碎片，通常被定义为尺寸小于5 mm的塑料颗粒[1-2]。微塑料主要可分为两种：(1)初级微塑料;(2)次级微塑料[3-4]。微塑料的主要成分与塑料相同，因此其同样具有难降解的特性，会对环境造成危害，一旦其被生物摄取，有可能阻碍生物进食[5-10]，甚至会划破生物的肠道，危害生物的生命健康。除此之外，微塑料还能吸附环境中的有机、无机污染物，形成大的甚至有毒的[11]污染体，微塑料中的某些添加剂还具有一定的毒性，这些直接毒性会对环境、生物甚至是人类造成危害[12-13]。

1 污水处理过程中微塑料含量

1.1 污水中的微塑料

在污水处理厂中，待处理进水中的微塑料经过污水处理厂的处理工艺，在这个过程中，微塑料主要存在于(1)污水以及(2)污泥这两个场所中。在人类生产活动中，塑料制品得到广泛应用，环境中微塑料的含量也在日益增加。但最近的证据表明，我们所谓的“塑性时代”带来了生态风险[14]。污水处理厂的排放水是环境中微塑料的主要来源之一[15-16]。Mason等[17]的研究表明，服务人口密度越大的污水厂日排放微塑料量越大；Mccormick等[18]在某污水厂下游收集的沉积物中发现大量合成纤维。此外有研究表明，污水厂上游沉积物中微塑料浓度比水样采样点以及下游沉积物中的浓度都要低[17-19]。

1.2 污泥中的微塑料

经过工艺处理后，微塑料仍有可能大部分截留在剩余污泥中。研究者通过分析发现，污水厂的进水中，98%的微塑料将会被截留在污泥中，并通过分析污水处理厂的污泥样品，得出了污泥中微塑料数量范围[20-21]。Carr等[22]经过研究，发现经过表面脱脂的污泥中，大约每克含有5个微塑料。

2 污水处理过程中微塑料的性质变化

2.1 微塑料的迁移

Talvitie等[23]在进行大量观测之后发现，在污水处理的进程中，微塑料能够被有效去除，因为其在这一过程中易凝聚且吸附于其他污染物上，在初次沉淀过程得到有效的拦截，进而得到去除。污水厂的一级、二级处理工艺(如污泥法性方法等)具有很强的截留能力，能够使得污水中微塑料的去除率超过 99.0%；Carr 等[22]通过观测发现，污水厂的预处理环节在微塑料的去除过程中发挥了很大的作用，塑料污染物在格栅和沉淀过程中能够得到有效去除，因此在三级污水处理厂的出水中微塑料含量很少。

2.2 对有机污染物的吸附

经过污水处理厂的一系列处理过程之后，排放水中微塑料的含量明显降低，但是，由于微塑料较难降解，因此，其性质并未得到根本改变，还是能够吸附水中的有机污染物，形成较大的污染团，对环境等造成危害[24]。但经过污水处理厂后，因其总体数量减少，所以相较于污水处理厂的进水，出水中总的微塑料含量有所下降，且其通过吸附有机污染物而形成的污染团数量也降低。

2.3 对生物的毒性

微塑料是尺寸较小的塑料碎片，因此，其主要成分同塑料相同，是用不同的添加剂合成的化学化合物。这些化合物性质稳定，不容易被降解，因此其会长期存在于环境中，并且在环境中会吸附其他各类污染物，形成污染体，对环境造成污染。除此之外，用于合成微塑料的某些添加剂还具有一定的毒性。近年来关于微塑料的生物毒性的证据不断增加。虽然塑料可能产生直接毒性，但同时也存在塑料中释放的有害物质而产生的间接毒性。由于大多数塑料添加剂不是在化学上，而是物理上与塑料结合在一起的，因此它们会被释放到环境中，并被生物体吸收，从而对各个生命体造成不同程度的危害。

污水处理厂主要去除污水中的氮、磷等物质，对于难降解的微塑料，只能做到物理截留，无法彻底去除[25]。因此经过污水厂的处理工艺后随排出水排入环境中的微塑料本身的性质不变，其本身的毒性以及对生物的毒害作用不变，依然能够对环境、生物造成一定程度的危害。

3 污水处理厂对微塑料的去除

3.1 各工艺对微塑料的去除

污水处理厂的日处理量较大，因此即使每升出水中仅含有较少的微塑料，但其累计起来的含量仍然不容小觑，若排放至环境中，还是会产生不小的危害[26]。Sutton等[27]对美国旧金山湾的8个污水处理厂进行了观测，发现这些污水厂每天总共会排放5 600万个塑料微粒；Mintenig等对[28]德国某污水处理厂进行检测，发现该污水处理厂每年大约能够排出5万亿个微塑料；除此之外，Lares等[29]的研究结果显示，芬兰某城市污水处理厂每天能够排放出至少1千万个微塑料。

格栅、初次沉淀池、沉砂池等一级处理工艺除去了大部分被识别为纺织纤维和少量合成颗粒的物质，而到了活性污泥系统以及其他一些二级处理工艺则除去了大部分颗粒。Carr等[22]通过对不同污水处理厂的出水进行了比较，最终经过研究得知，大部分三级污水处理厂基本上没有排放微塑料污染物。大部分的污水处理厂都能有效地去除微塑料，并且去除效率都很高，至少都能够达到90%以上。

3.2 去除率的影响因素

污水厂处理水中的微塑料去除率与其粒径有关。一般情况下，其基本与粒径呈正比，然而对于一些纤维状的微塑料，去除率反而与粒径成反比。由于纤维状微塑料的去除率随着粒径增加而下降，而非纤维状微塑料去除率随着粒径增加而增加，总体的去除率由于这两者的加和略显平稳，但整体而言随着粒径增加呈逐渐上升趋势[30]。

不同的处理工艺对微塑料的去除效果都不同。对于相同的污水厂，一天中的不同时段会使得污水中微塑料的含量产生一定差异[30]。Talvitie等经过研究得出的结果表明，微塑料白天的浓度要比晚上高，而且下午到傍晚时段，其浓度逐渐上升[30]；同时,Miller 等[30]发现微塑料浓度也会随着季节的变化而不同；微塑料的去除也与处理工艺有关。Talvitie等经过研究发现，对于一级工艺出水中微塑料，MBR法对其的去除率要比某些二级处理工艺高，(如快速砂滤池、溶解气浮法等)经过MBR处理后的污水中微塑料的浓度是最低的[30]，随后，Lares 等[29]通过进一步的研究发现，MBR技术之所以能够达到对微塑料的高效去除，是因为其小孔径过滤器的作用；除此之外，提取、鉴定、分析样本时使用的方法同样也会使得研究结果产生一定程度上的差异。

4 研究展望

由于人类的生产活动，污水处理厂的出水为海洋、河流等自然环境中微塑料的一个主要来源。微塑料对生态环境、生物及人类的生命健康安全都存在一定的危害，因此需要加强对微塑料的去除，还应在以下方面进行改进：

(1)污水处理厂应该努力改进处理技术，尽量采用先进合理的处理技术和工艺，可以有效减少微塑料的排放。MBR处理工艺能达到高效去除微塑料，污水处理厂需要采用该技术，加强对微塑料的去除作用。

(2)污水处理厂中微塑料主要来源为生活污水，需要提高生活污水的排放标准，加大生活污水的处理强度，同时呼吁人类尽量减少化妆、洗涤用品的使用量。

(3)微塑料主要成分难降解，甚至可能含有一定的毒性，应加大宣传，尽量减少塑料制品的使用，在源头上减少微塑料的含量，同时也减轻了对微塑料处理工作的强度。

(4)污水处理厂的出水为塑料含量比进水降低了许多，但微塑料并未得到彻底去除，应加强对微塑料性质的研究，加强处理技术的研究，致力于从根本上降解除去微塑料，减少微塑料对环境造成的危害。