污水微塑料的研究進展

王志鵬，陳蕾

(南京林業(yè)大學 土木工程學院，江蘇 南京 210042)

塑料是以單體為原料，通過加聚或縮聚反應(yīng)聚合而成的高分子化合物，俗稱塑料或樹脂，可以自由改變成分及形體樣式，由合成樹脂及填料、增塑劑、穩(wěn)定劑、潤滑劑、色料等添加劑組成[1]。20世紀50年代至今的六十多年間，塑料年產(chǎn)量從50萬t增加至3.22億t[2]。由于塑料垃圾的管理不當，向環(huán)境中排放量逐年增大，據(jù)估計，僅2010年向海洋中排放的塑料量達到1 000萬t[3]。微塑料是粒徑<5 mm的塑料顆粒[4]，分為初生微塑料和次生微塑料兩種，初生微塑料有日化產(chǎn)品中的塑料微珠[5]，次生微塑料由大型塑料風化、光解而成[6]，2014年，人類在北極發(fā)現(xiàn)微塑料[7]。由于這些顆粒的大小與水生生物的食物大小相似，因此攝食選擇性低的生物會攝取這些顆粒，可能伴隨著負面影響，在水生無脊椎動物中，各種浮游動物已經(jīng)顯示出能夠攝取1.7～30.6 μm的聚苯乙烯微珠[8]。近年來，微塑料的生態(tài)毒理性研究成為了國內(nèi)外學者的研究重點，Jeong等[9]證明了微塑料與海洋輪蟲Brachionus koreanus脂質(zhì)膜損傷有關(guān)。Hall等首次報道了石珊瑚可以吸收微塑料，珊瑚將微塑料誤認為是獵物，并且可以消耗高達50 μg/(cm2·h)，其速率與實驗中浮游生物和鹵蟲無節(jié)幼體的消耗量相似，攝入的微塑料包裹在珊瑚腸腔內(nèi)的腸系膜組織中，高濃度的微塑性碎片可能會損害珊瑚的健康。Gardon等將成年牡蠣暴露于聚苯乙烯微珠2個月，測試3種濃度(0.25，2.5，25 μg/L)，結(jié)果顯示，微珠濃度越大，對牡蠣的同化效率和繁殖影響越顯著[10]。此外，微塑料作為載體吸附有機污染物，重金屬等增強了毒性，Li等[11]發(fā)現(xiàn)微塑料對常見的抗生素有良好的吸附作用。雖然廢水是微塑料的重要來源，但是目前為止，微塑料的研究主要集中在海洋，陸地水系的微塑料的研究較少，本文重點討論廢水中微塑料的來源與歸宿，探究廢水微塑料的解決方法，以期為后人研究提供借鑒。

1 廢水微塑料的來源

污水排放和塑料垃圾的不當處理是陸地水系微塑料的主要來源[12]，Zubris[13]認為洗衣過程中釋放的衣物纖維和人常護理產(chǎn)品中的微珠是廢水微塑料的主要來源。衣物中常出現(xiàn)聚酯和尼龍，聚乙烯和聚丙烯通常作為化妝品中的微珠或增光劑。塑料微珠在化妝品中去除面部角質(zhì)，Napper等[14]從化妝品中提取聚乙烯微珠，結(jié)果表明，微珠的尺寸在164～327 μm之間，據(jù)估算，一次使用可釋放4 594～94 500個微珠。Markus等發(fā)現(xiàn)洗滌一次聚酯和棉織物釋放的微纖維的數(shù)量2.1×105～ 1.3×107，釋放的微纖維量在連續(xù)洗滌中呈下降趨勢，芬蘭家用洗衣機的聚酯和棉微纖維的年排放量估計為411 t[15]。Mark等[16]在生活廢水中發(fā)現(xiàn)微塑料的組成為：78%聚酯，9%聚酰胺，7%聚丙烯，5%丙烯酸，這一比例和衣物中的成分比例高度相似，清洗一件衣服可以產(chǎn)生超過1 900根纖維，冬季洗衣量遠高于夏季，污水中檢查的微塑料數(shù)量相應(yīng)增加。Cheung等[5]調(diào)查了9種含微珠的護理用品，平均數(shù)量為20 860個/g，根據(jù)人口數(shù)，面部磨砂使用率，直接排放率以及污水處理率進行保守估算。每年平均有209.7萬億顆微珠(306.9 t)排放到中國陸地的水環(huán)境中。約80%的排放量來自污水處理廠不完全清除，其余20%來自直接排放。

2 微塑料的歸宿

廢水中的微塑料富集在污水廠，目前，污水廠對微塑料并沒有監(jiān)測與處理環(huán)節(jié)，因此污水廠的出水是陸地河流微塑料的重要來源[17]，我國污水廠的微塑料研究目前尚處于空白階段，從事這方面研究的主要是國外學者。Talvitie等[18]提出污水廠出水可以作為微塑料進入環(huán)境的途徑，他們在芬蘭污水處理廠的三級處理出水和近海的海水中檢測到相似類型的微塑料，主要是纖維和合成顆粒。每天大約有6.5×107微塑料可以從蘇格蘭的二級污水處理廠進入水生環(huán)境，盡管去除率為98%，但是考慮到污水量大，排放量很大[19]。Steve等[20]研究了南加州七個三級處理廠和一個二級處理廠，結(jié)果表明，189 t三級處理出水中存在一個45～400 μm的微塑料，11.4 t二級處理出水中存在一個125 μm的微塑料，污水三級處理后微塑料被有效地去除。Julia等[21]的研究中，污水廠采用常規(guī)物化處理，活性污泥法和BAF的混合工藝，考察了不同階段對微塑料的去除效果，結(jié)果表明物化預(yù)階段，廢水中 97%微塑料被去除，活性污泥處理進一步降低7%～20%濃度。BAF工藝效果甚微。預(yù)處理有效去除了100 μm 以上的微塑料。而在斯洛文尼亞的另一項研究中，模擬污水廠序批式活性污泥法，對4～12 μm 微塑料的去除率僅為52%[22]，由此可見污水廠對微塑料的去除效率隨著微塑料的粒徑大小的變化，波動較大，直徑越小的微塑料去除效率越低。白濛雨等[23]研究了僅采用厭氧消化的污水水廠進出水、污泥中微塑料的賦存特征及微塑料排放量。結(jié)果表明，污水廠進出水中微塑料形態(tài)主要為纖維狀。進水含量依次為人造絲(36.84%)、合成革(21.05%)和聚酯纖維(18.42%)，出水中的種類依次為合成革(26.67%)、人造絲(24.44%)、聚酯纖維(17.78%)和聚乙烯(15.56%)，平均去除率僅為55.6%，未設(shè)置物化預(yù)處理，微塑料的去除率較其他研究降低了很多，預(yù)處理對微塑料的去除至關(guān)重要，此外不同的測量標準也導致計算結(jié)果偏差較大，適合陸地污水廠的檢測方法和統(tǒng)一的標準仍需加強研究。

Shirin等[24]在新澤西州拉里坦河的四個主要市政污水處理廠的上游和下游收集河流樣品，通過3種尺寸的微塑料的分布規(guī)律(500～2 000 μm，250～500 μm，125～250 μm)，分析污水廠出水對河流微塑料分布的影響，結(jié)果表明在污水廠下游，125～250，250～500 μm尺寸類別的微塑料濃度顯著增加，最大尺寸的微塑料較河流中污染最嚴重地區(qū)小3.8倍。Amanda等[25]證明了廢水處理廠的廢水是河流微塑料的點源。高通量測序的結(jié)果顯示，污水廠下游中微生物種類和數(shù)目發(fā)生改變，能夠分解塑料的生物和病原體顯著增加，這些結(jié)果表明河流中的微塑料是一個獨特的微生物棲息地，可能是下游運輸微生物組合的特殊載體，微塑料的生態(tài)影響主要集中在海洋中，對陸地河流中動植物的影響，除此之外，暫未有報道，但海洋中的相當一部分的微塑料，由人類的洗衣廢水經(jīng)河流匯入海洋[12]，從污水廠流入海洋的微塑料，對海洋生態(tài)的影響引發(fā)了國外學者的關(guān)注，F(xiàn)ossi等[26]2012年發(fā)現(xiàn)地中海的56%的漂浮物中含有微塑料，在擱淺的長須鯨中檢測到了鄰苯二甲酸酯，呼吁人類關(guān)注微塑料對海洋大型生物的關(guān)注。藍鰭金槍魚是一種小型金槍魚，2013年Battaglia等[27]在地中海捕捉的藍鰭金槍魚胃部發(fā)現(xiàn)微塑料，微塑料由浮力作用多聚集在淺水區(qū)，藍鰭金槍魚活動在淺水區(qū)，且因為體積較小，以小型食物為生，與微塑料體積相似，因此常被誤食。在一項最新的關(guān)于中國污泥微塑料時空變化的研究中，Li等[28]發(fā)現(xiàn)中國東部地區(qū)的每克干污泥中的微塑料量高于西部地區(qū)，其中原因歸結(jié)于東部人口更為稠密、工業(yè)發(fā)達，根據(jù)中國污泥總產(chǎn)量，從污泥進入環(huán)境中的微塑料的數(shù)量估計為每年1.56×1014個顆粒。

3 對策

在這前的很長一段時間內(nèi)，人類未曾認識到日化品中的微珠對生態(tài)的影響，隨著關(guān)注度的逐漸提高，部分國家已經(jīng)率先禁止日化品中的微塑料，佳潔士、強生等大型日化品公司已宣布不再生產(chǎn)含微塑料的產(chǎn)品[29]。Imogen等[30]比較了不同材料的衣服，清洗釋放的微塑料量，由合成材料制成的織物釋放的纖維比丙烯酸纖維少80%，在未來的服裝設(shè)計中，在材料的選擇方面，注重選擇更為環(huán)保的材料。此外，洗衣液的加入，提高了纖維的釋放量，但是目前來看洗衣液在目前生活中必不可少，可以考慮在洗衣機出水口增加濾網(wǎng)，對出水進行過濾，減少排出的纖維量。雖然污水廠對微塑料有著較高的去除效率，但是去除的微塑料保留在活性污泥中，污泥的不當處理會導致微塑料的再次污染，Mahon等[31]比較了厭氧消化、熱處理和堿處理對污泥的處理效果，結(jié)果表明堿處理對212 μm以上的微塑料去除率較高，厭氧消化和熱處理尺寸更小的微塑料表現(xiàn)出優(yōu)勢，因此應(yīng)針對污泥中微塑料的特點，采取適合的處理方式。在污水廠的不同的二級處理中，同樣差別顯著，氧化溝處理效果明顯優(yōu)于A/O，可能的原因是氧化溝具有更長的水力停留時間和污泥停留時間，去除率可能和污泥沉降有關(guān)[30]。研究表明，綠化率與污水中發(fā)現(xiàn)的微塑料呈負相關(guān)，污水中的部分污水由雨水匯入，經(jīng)過地表植物的凈化，因此提高綠化面積是一個可行的方案[32]。集中真菌被認為可以以塑料為原料達到降解微塑料的效果，如真菌Z.maritimum由于該真菌在天然水體中廣泛存在，因此天然真菌被認為具有解決微塑料污染的有效潛力[33]。

4 未來展望

(1)廢水中的微塑料來源已確定，來源主要由于日化產(chǎn)品中的塑料微珠和洗衣廢水中的纖維，為了從源頭上減少廢水中的微塑料，塑料微珠的使用應(yīng)引起更多國家的關(guān)注，出臺相應(yīng)的政策限制、取締日化品中塑料微珠的使用，倡導使用環(huán)保服裝材料，洗衣機的洗滌方式以及不同洗衣液的添加對微塑料排放的影響還需進一步研究。

(2)污水廠各工藝對于微塑料的去除效率的研究需要進一步深入，以期獲得最佳的去除方案，同樣，針對污泥的各種處理方法，仍需根據(jù)微塑料的種類和尺寸的差別尋找到最佳的處理方案。

(3)各類文獻報道的關(guān)于微塑料的去除率往往差別較大，這為研究最佳去除方法時制造了障礙，這是因為還未統(tǒng)一檢測方法，目前的研究中，有按照個數(shù)檢測微塑料的，也有根據(jù)數(shù)量和粒徑來檢測的，未來仍需加強檢測方法的研究，總結(jié)出一套科學高效準確的采集和分析方法，以期統(tǒng)一檢測標準。

(4)目前，針對微塑料的生態(tài)毒理性研究，主要集中在于海洋生物，而且實驗的個體有限，主要采取的高濃度暴露的實驗研究方法，對于陸地內(nèi)生物的影響僅僅局限于部分微生物種群的變化，未來應(yīng)加強人類食用的魚類和大型的水生動物植物的研究，并逐步全面研究不同來源和不同尺寸的微塑料環(huán)境效應(yīng)。

(5)加強對于可降解微塑料真菌的研究，可能對最低成本解決微塑料污染提供轉(zhuǎn)機。