珠江口典型生活污水處理廠微塑料處理與排放研究*

趙 肖 何 蕾 趙文靜# 綦世斌 閆 雨

(1.生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學研究所，廣東 廣州 510530；2.中山大學環(huán)境科學與工程學院，廣東 廣州 510275)

微塑料通常定義為直徑小于5 mm的塑料纖維、顆粒或薄膜[1]，其來源主要分為初生和次生兩大類。初生微塑料主要來自塑料顆粒工業(yè)產(chǎn)品，如含有微塑料顆粒的化妝品、作為工業(yè)原料的塑料顆粒和樹脂顆粒等；次生微塑料主要是大型塑料垃圾在紫外線照射、海浪拍打、化學侵蝕等物理和化學因素作用下，分裂和體積減小而形成的塑料顆粒[2]。

近年來，海洋中的微塑料作為一類新型污染物，廣泛分布于太平洋、大西洋等海域環(huán)境中[3-4]，已成為全球海洋塑料垃圾污染防治的焦點問題。據(jù)估計：塑料垃圾約占全部海洋垃圾的60%～80%，部分區(qū)域塑料垃圾占比達到90%～95%，全球有超過5億個塑料和至少250 000 t的塑料浮在海洋中[5-6]。同時，隨著對微塑料生態(tài)效應研究的深入，其生態(tài)環(huán)境風險日益凸顯，相關研究顯示：誤食微塑料的海洋生物會因難以消化微塑料或腸道磨損而死亡[7-8]；此外，微塑料作為多聚物，其內(nèi)部的有毒添加劑和負載的疏水性有毒污染物質(zhì)會進入食物鏈，對海洋生物和人類健康造成不利影響[9-10]。

陸源是海洋塑料垃圾的主要來源。2010年，全球海岸帶產(chǎn)生9 950萬t塑料廢物，其中，3 190萬t塑料廢物未妥善處置，480萬～1 270萬t塑料廢物進入海洋[11]，后在海洋環(huán)境中逐漸破碎化，形成微塑料。在陸源輸入中，污水處理廠是塑料顆粒輸入海洋的重要途徑，大量塑料顆粒(如日化產(chǎn)品中的塑料微珠、洗衣廢水中的纖維、汽車輪胎磨損碎屑和其他破碎化塑料垃圾等)進入污水管網(wǎng)，后經(jīng)污水處理廠處理排入環(huán)境水體，最終進入海洋。國內(nèi)污水處理廠尚未將微塑料納入處理范圍，對于現(xiàn)存工藝的微塑料處理效率和排放情況的研究相對較少。因此，本研究在珠江口磨刀門區(qū)域，選擇典型生活污水處理廠，通過連續(xù)采集其進水口和排放口樣品，對微塑料樣品的濃度、顏色、粒徑、形狀、成分等進行測試，對比分析污水處理廠對微塑料的處理情況，為實施海洋微塑料陸源防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 污水處理廠概況

選擇的污水處理廠位于珠江口磨刀門河口區(qū)，處理工藝均為活性污泥法，污水經(jīng)過粗格柵、細格柵、沉砂除油池等預處理程序，其后進入生物處理線，包括初級沉淀池、生物曝氣池及二級沉淀池等，處理完的污水直接排海。污水處理廠A設計處理能力為14.4萬t/d，目前實際處理污水約7萬t/d；污水處理廠B設計處理能力為13萬t/d，目前實際處理污水約2萬t/d。

1.2 樣品采集

2019年9月，選擇早(9：00)、中(14：00)、晚(19：00)用水高峰期，連續(xù)3 d采用定體積泵吸法和人工取水器取水相結(jié)合的方法，對兩座生活污水處理廠進水口和排放口進行水樣采集，樣品用玻璃瓶保存，并帶回實驗室處理分析。

1.3 樣品分析

用200目篩過濾水樣，濾液收集至樣品瓶中，加入30%(質(zhì)量分數(shù))過氧化氫溶液，密封靜置3 d，以消解生物組織；用0.45 μm濾膜進行過濾，將濾膜收集至干凈的培養(yǎng)皿中，烘干待測。

使用SMZ1270體視顯微鏡觀察濾膜上的微塑料樣品，測量樣品大小并記錄顏色、形狀等參數(shù)；使用Spotlight 200i傅立葉紅外顯微光譜儀的ATR模式測定樣品材質(zhì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 污水處理廠進出水口微塑料的含量變化

由表1可見，進水口和排放口顆粒含量呈現(xiàn)顯著差異(P<0.05)。對于微塑料，污水處理廠A進出水口含量相對更高，且隨時間出現(xiàn)明顯的變化。污水處理廠A進水口微塑料平均值為58.9個/m3，最高值出現(xiàn)在早上，最低值出現(xiàn)在中午；排放口微塑料平均值為7.7個/m3，最高值出現(xiàn)在中午，最低值出現(xiàn)在早上。污水處理廠B進水口微塑料平均值為15.6個/m3，最高值出現(xiàn)在中午，最低值出現(xiàn)在早上；排放口微塑料平均值為1.7個/m3，最高值出現(xiàn)在晚上，最低值出現(xiàn)在早上。污水處理廠進出水口微塑料變化見圖1，進水口微塑料含量隨時間呈現(xiàn)較大波動，排放口微塑料含量相對較平穩(wěn)。

圖1 污水處理廠進出水口微塑料變化Fig.1 Microplastics concentration in intake and outlet of sewage treatment plants

表1 污水處理廠進出水口顆粒分析結(jié)果Table 1 Particle concentration in intake and outlet of sewage treatment plants

2.2 污水處理廠進出水口微塑料的形態(tài)變化

污水處理廠進出水口微塑料形態(tài)分析結(jié)果見表2。

表2 污水處理廠進出水口微塑料的形態(tài)特征1)Table 2 Morphological character of microplastics in intake and outlet of sewage treatment plants

兩座污水處理廠進水口和排放口微塑料均以彩色為主，包括紅色、藍色、綠色等，透明較少，需注意的是，進水未經(jīng)處理，水樣懸浮物較多，部分白色微塑料存在沾污的情況，觀察為黑色。

經(jīng)污水處理廠處理，微塑料粒徑分布明顯發(fā)生改變。污水處理廠A對>2.0～5.0 mm等較大粒徑的微塑料處理效果明顯好于0～0.1 mm等較小粒徑的微塑料，污水處理廠B對>0.1～0.3 mm微塑料具有相對較好的處理效果。

片狀是污水處理廠進出水口微塑料主要的形狀，其次是塊狀，線狀、纖維狀和顆粒狀相對較少。

2.3 污水處理廠進出水口微塑料的成分變化

污水處理廠進出水口微塑料的成分分析結(jié)果見表3。污水處理廠A共檢出18種塑料多聚物成分，進水口主要是PE、EAA和EVA，排放口主要是PE和PET；污水處理廠B共檢出4種塑料多聚物成分，進水口主要是PE和PAM，排放口主要是PE。結(jié)果顯示，進出水口微塑料成分發(fā)生明顯變化，污水處理廠A對EAA和EVA存在明顯的去除效果，污水處理廠B對PAM存在明顯的去除效果。

表3 污水處理廠進出水口微塑料成分組成Table 3 Polymers composition of microplastics in intake and outlet of sewage treatment plants

3 討 論

3.1 污水處理廠對污水中微塑料的去除效果

本研究選擇的污水處理廠采用活性污泥法，是目前國內(nèi)生活污水處理的主要工藝之一，對比進出水口的微塑料含量，污水處理廠A的微塑料平均去除率為86.8%，污水處理廠B的微塑料平均去除率為89.3%。需注意的是，污水處理廠進出水口微塑料的粒徑和成分均發(fā)生明顯變化，污水處理廠對部分粒徑范圍和特定成分的微塑料具有相對較好的去除效果。

國內(nèi)對污水處理廠微塑料排放的研究相對較少，國外以污水處理廠為重點，逐步開展陸源微塑料輸入狀況研究。TALVITIE等[12]和MURPHY等[13]對污水處理廠出水和近海海水中的微塑料進行監(jiān)測，檢測到相似類型的微塑料，污水處理廠的微塑料去除率為98%左右，去除的微塑料主要是纖維和合成顆粒；CARR等[14]對美國南加州7個三級污水處理廠和1個二級污水處理廠微塑料排放情況進行分析，結(jié)果表明，污水經(jīng)三級處理后微塑料能被有效去除。TALVITIE等[15]研究污水不同處理階段對微塑料的去除效果，結(jié)果表明，物化預處理階段，污水中97%微塑料被去除，活性污泥處理后，微塑料進一步降低7%～20%。總體而言，污水處理廠對微塑料的去除效果與處理工藝密切相關，并隨著微塑料的粒徑變化，波動較大。

3.2 污水中微塑料的來源分析

污水中微塑料的來源多種多樣，目前的研究集中在日化產(chǎn)品中的塑料微珠、洗滌廢水中的纖維等。ZUBRIS等[16]研究化妝品中的塑料微珠和洗衣過程中的衣物纖維釋放，結(jié)果顯示，衣物纖維中常出現(xiàn)PES和NYLON，塑料微珠主要為PE和PP等。SILLANP等[17]發(fā)現(xiàn)在一次洗滌中釋放的微纖維量為2.1×105～1.3×107根，但在連續(xù)洗滌中釋放的微纖維量呈下降趨勢。本研究在污水中檢出18種塑料多聚物成分，參考文獻[18]，分析其用途，揭示其可能來源，結(jié)果見表4。

表4 污水中檢出的微塑料成分的主要來源Table 4 Main source of microplastics polymers composition in sewage

3.3 微塑料排放的生態(tài)風險評價

污水處理廠目前尚未有針對微塑料的監(jiān)測與處理環(huán)節(jié)，因此污水處理廠的出水成為陸源微塑料輸入的重要來源，然而微塑料的生態(tài)效應尚不明確。MCCORMICK等[19]通過高通量測序發(fā)現(xiàn)，污水處理廠排放口下游微生物種類和數(shù)量發(fā)生改變，能夠分解塑料的微生物顯著增加。當微塑料進入海洋后，由于微塑料粒徑小，海洋浮游動物在攝入浮游植物時也會攝入一定量的微塑料，而微塑料的含量、粒徑、形狀、聚集和老化程度等理化性質(zhì)均會影響浮游動物對微塑料的攝入水平，目前研究已發(fā)現(xiàn)有數(shù)十種浮游動物會攝入不同量的微塑料，這對浮游動物生長、發(fā)育、繁殖和壽命產(chǎn)生不同程度的負面影響[20-21]。

針對微塑料長期排放的生態(tài)效應，本研究采用Lithner危害指數(shù)[22]，評價其生態(tài)風險，計算公式見式(1)：

(1)

式中：PEI為微塑料綜合生態(tài)風險指數(shù)，評價標準見表5；Pi為第i類微塑料數(shù)量占比，%；Si為第i類微塑料的Lithner危害指數(shù)。

表5 微塑料生態(tài)風險劃分標準Table 5 Criteria for degrees of microplastics ecological risk

對污水處理廠進出水口微塑料的風險評價結(jié)果顯示：污水處理廠A進水口和排放口PEI分別為22.7、25.4，均處于中風險水平；污水處理廠B進水口和排放口PEI分別為6.3、8.1，均處于低風險水平。

4 結(jié)論與建議

(1) 污水處理廠進出水口微塑料特征呈現(xiàn)明顯的差異，微塑料平均去除率均為85%以上；微塑料顏色以紅色、藍色、綠色等為主；形狀主要為片狀和塊狀；微塑料成分包括PE、EAA、EVA、PAM、PCL等18種。

(2) 污水處理廠對部分粒徑范圍內(nèi)和特定成分的微塑料具有相對較好的去除效果。污水處理廠A對粒徑>2.0～5.0 mm、成分為EAA和EVA的微塑料顆粒存在較好的去除效果；污水處理廠B對粒徑>0.1～0.3 mm、成分為PAM的微塑料顆粒存在較好的去除效果。

(3) 污水處理廠微塑料的排放是陸源微塑料入海的重要途徑，雖然對選取的污水處理廠微塑料生態(tài)風險評價的結(jié)果為中低風險水平，但其長期排放對海洋生態(tài)系統(tǒng)可能造成的累積性生態(tài)風險應引起重視。