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污水处理厂污水和污泥中微塑料的研究展望 [复制链接]

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苏孜阿甫 http://m.39.net/pf/a_4340655.html

微塑料是指通过各种途径进入生态环境中直径小于5mm的塑料颗粒。它或悬浮于水体中,或沉积到水底,研究表明其广泛存在于海洋生态系统,和河流、湖泊等淡水生态系统中,以及土壤和沉积物,甚至在饮用水、人类粪便、极地环境中均发现了微塑料的存在。它不仅可通过摄食作用对生物产生物理性伤害,同时也可释放或吸附有*有害污染物对生态环境产生直接或间接*理效应,从而对海洋、淡水、土壤等生态系统安全性产生潜在危害。

污水中含有大量来自个人护理品使用、化纤衣物洗涤、汽车轮胎磨损、塑料工厂生产等过程产生的微塑料。据报道污水中微塑料含量高达15.7个/L和个/L。污水处理工艺对污水微塑料具有很高的去除效果,达到90%以上,这对于减少污水微塑料随出水排放进入自然水体具有重要意义,但仍有大量的微塑料经污水处理厂出水进入水体中,被认为微塑料的重要来源。Murphy等报道某污水厂每天出水中微塑料的排放量仍高达个。此外,污水处理工艺去除的微塑料绝大部分截留在污泥中(图1)。

随着污泥不当处置和土地利用将导致这些微塑料进入土壤中。Li等研究发现年我国经污泥进入土壤环境的微塑料颗粒达上百万亿个。与此同时与新鲜微塑料相比,污泥微塑料对Cd等重金属污染物具有显著增强的吸附潜力,因此污水处理厂污水、污泥中微塑料的赋存特征、潜在风险及控制方法成为研究热点之一。本文从微塑料组成、含量、处理工艺的影响及去向等方面对现阶段污水处理厂污水、污泥微塑料的相关研究进展进行较全面地综述,并就未来的研究进行展望分析,以期为后续相关研究的开展提供参考。

1微塑料的概述

1.1微塑料的组成及含量

根据成分可以将微塑料分为LDPE(低密度聚乙烯)、HDPE(高密度聚乙烯)、PP(聚丙烯)、PS(聚苯乙烯)、PET(热塑性聚酯)、PVC(聚氯乙烯)、CA(醋酸纤维素)等。从形状角度可分为碎块状、薄膜状、泡沫状、纤维状等。目前关于微塑料含量没有统一地表述方式,常用的单位包括单位面积或单位体积样品的微塑料个数或重量,也有按单位质量样品中的微塑料个数或重量,这限制了不同研究报道间微塑料含量的比较。Hidalgo-Ruz等报道海洋环境中微塑料的分布发现在海洋表面水体中的微塑料含量为0.~1个/m2,而沉积物达到1~个/m2,说明海洋沉积物中微塑料的含量远高于海洋表面。

年报道英国海滩的微塑料含量是8个/kg,年Reddy等发现在印度废船拆卸海湾的微塑料含量为89个/kg,年Claessen等在比利时港口发现微塑料达到68~个/kg,年威尼斯泻湖高达~个/kg,这表明自然环境中微塑料含量呈增加趋势。另外,淡水河流中微塑料的分布也有广泛的研究。地处瑞士的日内瓦高山湖因其是旅游景点,年微塑料含量为个/km2,地处美国加拿大交界的Erie高山湖也有个/km2,位于蒙古的库苏古尔湖的微塑料含量也达到个/kg。总体而言,微塑料广泛存在于各类生境环境中,且不同区域或生境的微塑料含量存在较大差异,但由于表述单位差异大,不同研究之间的数据难以比较,因此微塑料含量单位亟待统一。

1.2微塑料的来源

微塑料的来源可大致分为两种,初生来源和次生来源。初生来源包括家用个人护理品中的微小球,及洗衣废水中的人造纤维丝,以及工业原料或塑料生产中的微塑料颗粒。微塑料颗粒在塑料加工厂附近的环境中尤为常见,而洗涤剂或微小球可能存在于工业和生活污水中,它们可通过河流和河口进入自然环境。研究表明,在远离塑料加工厂的海滩中也发现了相关的微塑料颗粒,这表明它们具有长距离迁移的潜力。微塑料的次生来源主要来自于较大塑料在光、风、水及其他环境压力的暴露下分解产生的纤维或碎片。这些碎片可能来自渔网、线纤维、薄膜、工业原料、消费品和家居用品,以及来自可降解塑料的颗粒或聚合物碎片。有研究认为次生来源是海洋环境中大多数微塑料的主要来源。然而,微塑料不同来源的定量比例尚不清晰,这对于微塑料的源头控制具有重要意义,因此,微塑料的迁移转化规律及形成机制尚需进一步研究。

1.3微塑料的潜在危害

已有研究表明微塑料存在对生态系统的安全性构成重要威胁,主要体现在以下3个方面:

(1)微塑料易造成水生动物进食道的堵塞,造成身体伤害。已有研究发现,许多海洋生物,包括浮游动物、底栖无脊椎动物、双壳类、鱼类、海鸟、大型海洋动物会摄食微塑料,微塑料可能会对这些生物产生明显的机械损伤,如堵塞食道,或产生假性的饱食感,从而引起摄食效率降低、能量缺乏、受伤或死亡;

(2)许多微塑料中含有塑化剂、染料等有*物质,这些有*物质可随着微塑料被吞食而释放出来,并进入生物体内,造成生态*害作用;

(3)微塑料颗粒由于其粒径微小、比表面积大、且颗粒表面具有较强的疏水性,易吸附有机污染物、重金属及致病微生物,从而导致这些有机污染物更易于在生物体内富集,加大食物链的生物富集作用,引发动物摄食后的*性效应,间接影响海洋生物和人体健康。尽管我们猜测微塑料会产生以上3方面的潜在危害,但是目前仍然难以定量评估自然环境中微塑料的生态风险及*理作用。

1.4微塑料与人类活动的关系

许多研究表明,自然环境中微塑料含量与人口密度具有重要的相关关系。Wang等研究了我国中部最大城市武汉的淡水环境微塑料分布,发现微塑料含量和人类活动有很大的关系。Castaneda等调查城市河流发现,人口密度高的区域微塑料含量相对较高,这说明微塑料含量和人类活动有很大的关联。Klein等在分析德国的莱茵河和Main河的微塑料丰度也表明了微塑料含量和人类活动有很大的关系。与此同时,McCormick等在调研美国芝加哥河流微塑料含量的过程中,发现河流的微塑料浓度超过海洋,认为污水处理厂出水是微塑料的重要来源。Murphy等也发现了污水处理厂是自然环境微塑料的主要来源之一。因此,人类活动包括污水排放对自然生态环境中微塑料含量和组成具有重要贡献,人类活动频繁的区域,微塑料含量通常较高。

2污水处理厂污水中的微塑料

2.1污水微塑料的组成及分类

到目前为止,已在污水处理厂的进水和出水中检测到微塑料类型达30多种,常见包括聚酯(PES)、聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚酰胺(PA)等。PES、PET和PA等广泛用于化纤衣物的制作,而PE则用于个人护理品,包括洗面奶中的磨砂以及食品包装的薄膜和饮用水瓶。在污水中也观察到丙烯酸酯、醇酸树脂、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氨酯、丙烯酸、聚乙烯醇和聚丙交酯等聚合物。这些研究表明污水中的大部分微塑料类型均与我们日常使用的塑料制品相关。

目前,有两种常用的微塑料尺寸分类方法。一种是利用不同尺寸筛网分离不同尺寸的微塑料。由于微塑料的不规则形状,该方法的准确性存在一定问题。另一种方法是使用显微成像技术。然而,由于形状不规则,仅用一个方法来描述微塑料的尺寸可能是不够的。最常使用的分类尺寸为25、μm和μm。在污水处理厂的进水中,超过μm的微塑料有时可达到70%以上,而出水中超过90%的微塑料小于μm,甚至有些样品中约60%的微塑料小于μm。

微塑料的尺寸分布可能受到用于样品收集的网孔尺寸的影响,大的网眼尺寸可能会错过大部分小颗粒。最近的一项研究表明,25μm的微塑料在污水中具有显著的丰度[58]。该结果与大西洋观测结果一致,40μm以下的微塑料占所有检测到的微塑料颗粒的64%,其中超过一半的尺寸小于20μm。

形状是微塑料分类的另一个重要指标。微塑料的形状不仅可以影响它们在污水处理厂中的去除效率,而且还会影响微塑料与污水中的其他污染物或微生物之间的相互作用。微塑料可以分为纤维状(长大于宽)和颗粒状(相似的长度和宽度)。一些研究还将颗粒微塑料划分为不规则形状和球形珠粒或颗粒。另一些研究进一步将形状分为片状/薄片(非常薄的颗粒)、泡沫和芯片等。纤维占污水微塑料的比例高,这与家用洗衣废水中大量化学纤维的排放有关。不过一些样品中高比例的纤维含量可能是由于难以区分合成纤维与天然纤维导致的。研究表明,在一些污水样品中,天然纤维如棉和亚麻可占纤维的一半以上。

因此,有效地区分和检测合成纤维和天然纤维对于精确量化污水处理厂中的微塑料至关重要。不规则碎片是污水中另一种最常观察到的微塑料形状,可能是由于日常使用塑料制品老化形成的或是源自个人护理品中的微塑料,例如牙膏等。在污水中也发现了薄膜、颗粒和泡沫形状的微塑料,其平均丰度约为10%或更低。微塑料薄膜和泡沫可主要来自塑料袋和包装产品,而颗粒主要是添加到个人护理产品中的初生微塑料。

2.2污水微塑料的含量及影响因素

在自然生态环境中,微塑料的分布已经引起了很大的

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