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  • ISSN 1007-6336
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厦门市筼筜污水处理厂中微塑料的特征研究

汪文玲 龙邹霞 余兴光 张继伟 林辉

引用本文:
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厦门市筼筜污水处理厂中微塑料的特征研究

    作者简介: 汪文玲(1994-), 女, 福建福州人, 硕士, 主要研究方向为微塑料, E-mail:wangwenling@tio.org.cn;
    通讯作者: 龙邹霞, zouxialong@tio.org.cn ; 余兴光, yuxingguang@tio.org.cn
  • 基金项目: 国家海洋局第三海洋研究所基本科研业务费专项资金资助项目 海三科2013023
    国家海洋局第三海洋研究所基本科研业务费专项资金资助项目 海三科2018012

  • 中图分类号: X132

Microplastics characteristic in Yundang Wastewater Treatment Plant of Xiamen

    Corresponding author: Zou-xia LONG, zouxialong@tio.org.cn ;Xing-guang YU, yuxingguang@tio.org.cn ;
  • CLC number: X132

  • 摘要: 滨海城市污水处理厂作为微塑料进入海洋的途径之一,对其微塑料污染物特征展开研究,有助于认识和了解人类活动对海洋环境的影响,但目前国内对该问题的研究还相对较少。本研究以厦门筼筜污水处理厂为例,设计改进采样装置和实验方法,对其进出水以及污泥中的微塑料污染物特征进行研究。结果表明,该污水处理厂进水中微塑料浓度为1.703个/L,初级处理出水为1.090个/L,二级处理出水为0.324个/L,去除率分别为35.99%、80.97%。初级处理污泥微塑料浓度为2.14×103个/kg,二级处理污泥为6.62×103个/kg。该污水处理厂污水中微塑料形态以纤维(43.89%)为主,颗粒(32.85%)次之;颜色以白色(34.95%)为主,透明(22.74%)次之;主要成分以PP(21.17%)为主,PS(18.39%)次之。污泥中微塑料形态以碎片(68.9%)为主,颗粒(34.78%)次之;颜色以黄色(39.13%)为主,黑色(17.39%)和白色(13.04%)次之;主要成分以PP(34.78%)为主,PE(26.09%)次之。每日经过该污水厂排入厦门西海域的微塑料数量约为9.72×104个,数量巨大不容忽视。本研究结果表明污水处理厂在减少城市微塑料污染物进入海洋方面发挥了重要作用,但仍具有较大的提升空间。
  • 图 1  筼筜污水处理厂工艺流程图及采样点

    Figure 1.  The treatment process and sampling point of Yundang wastewater treatment plant

    图 2  采样装备

    Figure 2.  Sampling equipment sketch map

    图 3  各阶段微塑料浓度及粒径分布

    Figure 3.  Concentration and size distribution ofmicroplastics at different stages

    图 4  各站点微塑料类型比例

    Figure 4.  The proportion of microplastics types in each sites

    图 5  各站点微塑料成分比例

    Figure 5.  The proportion of microplastics component in each site

    表 1  国内外污水处理厂微塑料研究情况

    Table 1.  The research status of microplastics in wastewater treatment plants at home and abroad

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-09-25
  • 录用日期:  2018-11-15
  • 刊出日期:  2019-04-20

厦门市筼筜污水处理厂中微塑料的特征研究

    作者简介:汪文玲(1994-), 女, 福建福州人, 硕士, 主要研究方向为微塑料, E-mail:wangwenling@tio.org.cn
    通讯作者: 龙邹霞, zouxialong@tio.org.cn
    通讯作者: 余兴光, yuxingguang@tio.org.cn
  • 1. 自然资源部第三海洋研究所, 福建 厦门 361005
  • 2. 中国地质大学(武汉)海洋学院, 湖北 武汉 430074
基金项目:  国家海洋局第三海洋研究所基本科研业务费专项资金资助项目 海三科2013023国家海洋局第三海洋研究所基本科研业务费专项资金资助项目 海三科2018012

摘要: 滨海城市污水处理厂作为微塑料进入海洋的途径之一,对其微塑料污染物特征展开研究,有助于认识和了解人类活动对海洋环境的影响,但目前国内对该问题的研究还相对较少。本研究以厦门筼筜污水处理厂为例,设计改进采样装置和实验方法,对其进出水以及污泥中的微塑料污染物特征进行研究。结果表明,该污水处理厂进水中微塑料浓度为1.703个/L,初级处理出水为1.090个/L,二级处理出水为0.324个/L,去除率分别为35.99%、80.97%。初级处理污泥微塑料浓度为2.14×103个/kg,二级处理污泥为6.62×103个/kg。该污水处理厂污水中微塑料形态以纤维(43.89%)为主,颗粒(32.85%)次之;颜色以白色(34.95%)为主,透明(22.74%)次之;主要成分以PP(21.17%)为主,PS(18.39%)次之。污泥中微塑料形态以碎片(68.9%)为主,颗粒(34.78%)次之;颜色以黄色(39.13%)为主,黑色(17.39%)和白色(13.04%)次之;主要成分以PP(34.78%)为主,PE(26.09%)次之。每日经过该污水厂排入厦门西海域的微塑料数量约为9.72×104个,数量巨大不容忽视。本研究结果表明污水处理厂在减少城市微塑料污染物进入海洋方面发挥了重要作用,但仍具有较大的提升空间。

English Abstract

  • 塑料垃圾是一种难降解,影响环境美观的污染物。塑料垃圾在海洋中无处不在。海面漂浮垃圾、海滩垃圾和海底垃圾中占比最多的类型是塑料类,约占海洋垃圾的60%~80%,某些地区甚至达到90%~95%[1]。我国是世界上十大塑料制品生产和消费国之一。据国家统计局公布的最新数据显示,2017年中国塑料制品产量为7515.5万t[2]。大量的塑料垃圾被有意或无意的排入海洋,给海洋生态系统造成了严重的危害。

    有关塑料垃圾的报道最早是在20世纪70年代[3],在很多地方都已经发现粒径很小的塑料碎片。直到2004年由Thompson[4]等人首次用“微塑料”一词描述水柱和沉积物中非常小的塑料碎片,此后微塑料污染才引起各界学者的关注。近年来,微塑料作为一种新型的海洋污染物,由于其潜在的物理和化学毒性,并且可能通过食物链传递[5],在生物体内累积,已经成为环境的关注点。微塑料通常被定义为尺寸小于5 mm。微塑料分为原生微塑料和次生微塑料[6-7]。原生微塑料是指生产时就是微塑料尺寸,可直接用于产品使用的,如用于洗面奶、清洁剂和去角质等;次生微塑料是指通过风化、光解、水文等作用下将大块塑料分解而成的,无论是原生微塑料还是次生微塑料,其对海洋环境的危害都基本相似[8]。人类生活所产生的微塑料污染物主要通过城市径流、污水排放以及直接丢弃等方式进入海洋。人类生活中所用的洗涤剂、生活护肤品以及工业原料等均含有大量的微塑料成分,由于其尺寸很小,在污水处理过程中往往不能够完全去除,在经过污水处理厂处理后进入海洋。

    Talvitie[9]等人表明污水是微塑料进入水生环境的途径之一。关于污水处理厂中微塑料的研究在国外早已引起高度重视,并开展了相关研究[10-14]。而国内关于污水处理厂微塑料的研究相对较少,急需完善该方面的研究。随着人口增长,污水处理厂可能越来越成为微塑料的主要来源。但是如果没有意识到其严重性,并采取一些措施减少污水中微塑料的含量,那么污水中微塑料对环境的影响会越来越严重[15]。因此厘清污水处理厂中微塑料的来源和归宿,能够为了解人类活动对海洋的影响提供巨大贡献。

    本研究以厦门筼筜污水处理厂为例,采用改进的污水采样装置,利用体视显微镜和拉曼光谱,探讨了污水处理厂污水和污泥中微塑料提取和鉴定方法,对其进出水和污泥中微塑料污染物进行特征分布研究,分析其对减少城市微塑料污染物排放的作用,估算通过其出水进入厦门海域的微塑料数量等关键问题,为我国在海岸带微塑料污染研究方面提供理论依据。

    • 筼筜污水处理厂是一所大型的二级污水处理厂,是目前厦门市日处理能力最大的城市污水处理厂。处理出水排入厦门西海域,污泥经机械脱水后外运处置。筼筜污水处理厂设计规模为30万m3/d,目前实际平均接纳水量为26.17万m3/d,服务人口约为120万,服务总面积约70万km2。该污水处理厂工艺流程如图 1所示。

      图  1  筼筜污水处理厂工艺流程图及采样点

      Figure 1.  The treatment process and sampling point of Yundang wastewater treatment plant

    • 本次研究共采集三个阶段的水样和两个泥样,如图 1所示,分别是进水处W1,初级处理出水处W2,最终出水(生物滤池)W3,初级处理污泥S1和二级处理污泥S2,共计12个水样和2个泥样。本研究参考有关文献的基础上[16-17],设计改进了污水采样装置,如图 2所示。用软管将筛网,电磁流量计和潜水泵连接在一起,然后将软管放入水下约10~30 cm处进行取样,因此测得微塑料浓度实际为水体的微塑料浓度,采样过程尽量保证流量稳定,流量计可计算采样体积。本次采样采用四个可移动的不锈钢筛网,尺寸分别为50目(0.355 mm)、120目(0.125 mm)、250目(0.063 mm)和325目(0.043 mm)。筛网固定在底座上,由上而下,筛网孔径依次减小。当水样流过该装置时,就可以一次性将水样按照尺寸范围进行分级[16],即将微塑料颗粒分为≥0.355 mm、0.125~0.355 mm、0.063~0.125 mm和0.043~0.063 mm四种粒径范围。由于污水中含有高浓度的有机物,250目和325目的筛网很快就被堵住,在堵住之后,将250目和325目的筛网取走,继续进行采样,直至取到实验所需体积为止。由于筛网出现堵塞情况,所以不同尺寸级别的水样体积存在差异,采样体积取26~120 L。用超纯水将筛网上的样品全部冲洗到玻璃瓶中密封保存,转移至实验中进行下一步实验。

      图  2  采样装备

      Figure 2.  Sampling equipment sketch map

      污泥采样较简单,采样点是在污泥车间,在污泥压缩成泥饼之前,随机选取几点,用铁勺舀至玻璃瓶中,然后密封保存,转移至实验室。

    • 用超纯水将玻璃瓶中的水样全部转移至玻璃烧杯,然后将所有样品放在90℃的烘箱中烘干[16]。在烘干后的样品中以1: 1的比例加入30~50 mL(视有机物多少而定)、30%的H2O2和FeSO4,并于60℃~70℃下进行消解,即湿式消解法(WPO),以达到完全去除有机物的效果。然后将饱和NaCl溶液加入到样品中进行密度分离,最终将上清液过滤到膜上,自然风干膜上截留的微塑料样品,进行下一步鉴定。

      泥样处理方法与水样大致相同,取样前先将泥样摇匀,然后用勺子舀1~2勺至烧杯中,记录其体积,放入烘箱中烘干待用,同时称量烘干前后污泥的质量。与水样处理方式不同的是,由于污泥中杂质较多,因此选用饱和ZnCl2溶液(密度1.76 kg/L)作为密度分选的试剂。

    • 本研究鉴定微塑料使用的是体视显微镜观察并结合拉曼光谱分析,对微塑料形态按照纤维、小球、碎片和颗粒,颜色按照黑色、黄色、红色、蓝色、绿色、白色和透明,进行统计分析。需要注意的是,在对照光谱库进行样品识别时,由于光谱库的样品都是干净理想的样品,而现实中通常是不存在,因此需要建立更符合环境样品的光谱库。同时,还可以通过识别样品中的官能团来确认样品的化学结构。

      每个样品先在显微镜下挑取具有代表性的微塑料24~60个,具体数量视样本情况而定,记录其颜色、形态。然后将这些微塑料放置载玻片上,进行拉曼光谱鉴定,记录其成分。由于水样膜上的样品很多,无法一一鉴定。然后在拉曼光谱鉴定的基础上,对膜上剩余的可疑微塑料进行统计计数。然后根据拉曼光谱鉴定的结果,按照比例计算统计数中的真实微塑料总数。最终将统计有效数和鉴定有效数相加即为实际微塑料总数。泥样的可疑微塑料数较少,将可疑微塑料全部进行拉曼光谱鉴定,因此泥样实际微塑料总数即为鉴定有效数,本研究拉曼光谱共鉴定了440个可疑微塑料,其中只有175个为微塑料,各样品的检出率为16%~81%。

    • 为了避免在采样和实验过程中环境对样品的污染,实验人员全程需穿戴棉质实验服以及橡胶手套;实验所用到的器皿均使用玻璃器皿,并且在使用之前要用超纯水冲洗并烘干;实验中敞口容器要及时用锡箔纸盖住;及时清洁工作台,保证工作台整洁干净。

      为了验证本实验方法的有效性,本研究采用单盲实验对直径为90 μm PS微球和1 mm的泡沫微塑料在显微镜下进行回收率测试。重复3次实验,初始加入的PS微球数目分别为619个、335个和442个,1 mm塑料泡沫数目分别为138个、174个和284个,经过消解、浮选、过膜、鉴定,PS微球实际计数分别为138个、174个和284个,泡沫塑料实际数目分别为141个、170个、276个,即平均回收率分别为89.34%和99.01%,表明实验过程控制很好,实验数据可靠。

    • 图 3(a)可知,进水中(W1)微塑料浓度最高,为1.703个/L,经过初级处理后的污水(W2)微塑料浓度为1.090个/L,出水中(W3)微塑料浓度为0.324个/L,初级处理微塑料去除率为35.99%,二级处理微塑料去除率为70.28%,微塑料总去除率为80.97%。初级处理污泥S1中的微塑料浓度为2.14×103个/kg(78.73个/L),二级处理污泥S2中微塑料浓度为6.62×103个/kg(149.12个/L)。

      图  3  各阶段微塑料浓度及粒径分布

      Figure 3.  Concentration and size distribution ofmicroplastics at different stages

      图 3(b)可知,进水中(W1)微塑料粒径在0.063~0.125 mm占比最大,为36.62%,0.125~0.355 mm次之,为30.28%。出水中(W1)微塑料粒径在0.125~0.355 mm占比最大,为48.72%。总体而言,粒径分布没有存在较明显的规律,但可以看出每个站点中0.043~0.063 mm粒径范围的微塑料占比均是最低的,可能是因为该粒径范围微塑料尺寸太小,比较容易被遗漏,同时小于0.063 mm的微塑料没有进行统计。

      该污水处理厂二级处理去除率(70.28%)明显高于初级处理(35.99%),微塑料主要在生物滤池中被去除。并且二级处理的污泥中微塑料浓度明显高于初级处理,这也间接的解释了二级处理的去除率高于初级处理,其中的微塑料大部分可能被转移到了污泥中,因此水中的微塑料浓度必然降低。虽然出水中微塑料浓度很低,为0.324个/L,但由于污水处理厂每日排放的污水量巨大,为26.17 m3/d,每日排放到海洋中的微塑料个数为8.48×104个,该数量不容小觑,需要引起重视。

      污水处理厂的总去除率达到80.97%,这表明海岸带城市污水处理厂对减少城市微塑料污染物进入海洋发挥了重要作用。但与国外同类研究相比(详见表 1),其去除率则相对偏低,这表明我国在城市污水处理厂的运营和管理还有待提升的空间。

      表 1  国内外污水处理厂微塑料研究情况

      Table 1.  The research status of microplastics in wastewater treatment plants at home and abroad

    • 图 4(a)可以看出进水中微塑料形态以纤维(54.72%)为主,颗粒(25.85%)次之;初级处理出水微塑料形态以颗粒(41.34%)为主,纤维(21.39%)次之;最终出水中颗粒(41.08%)占比最大,其次是碎片(30.81%),污水中小球占比最低,且明显低于其他三者。污泥样品中没有发现小球,初级处理污泥中微塑料形态分布为碎片(38.26%)、颗粒(38.46%)和纤维(23.08%),二级处理污泥微塑料形态分布为碎片(50%)、颗粒(30%)和纤维(20%)。

      图  4  各站点微塑料类型比例

      Figure 4.  The proportion of microplastics types in each sites

      图 4(b)可知,进水中微塑料颜色主要为白色(33.78%)和透明(23.08%),其次为黑色(19.65%)和红色(12.72%);初级处理出水中微塑料颜色主要为白色(35.73%),其次为透明(20.59%);出水中微塑料颜色主要为白色(38.46%)和透明(28.21%),其次为红色(17.95%)。初级处理污泥中微塑料颜色以黑色(23.08%)、蓝色(23.08%)和白色(23.08%)为主,黄色(15.38%)次之;二级处理污泥中微塑料颜色主要为黄色(70%)为主,黑色(10%)、红色(10%)和绿色(10%)次之。可以看出,微塑料颜色没有一定规律性,且与去除率、形态分布没有对应关系。

      本研究中微塑料形态多以碎片、颗粒和纤维居多,表明污水处理厂中的微塑料主要以次生微塑料为主,而微珠形态的原生微塑料在污水处理厂中占比相当少。这可能与国内外使用化妆品的习惯有关,并且大多数微珠是粗糙且不规则的,常常会被归类到碎片[18]

    • 图 5可看出,进水中聚丙烯PP比例最大,为23.15%,其次为聚苯乙烯PS(17.42%)、聚乙烯PE(10.90%)和聚酯纤维PES(9.69%);出水中比例最大的同样为聚丙烯PP(23.08%),其次为聚苯乙烯PS(20.51%)、聚乙烯PE(17.95%)和聚酯纤维PES(17.95%);初级处理污泥中比例最大的为聚乙烯PE(30.77%),其次为聚丙烯PP(23.08%)和PE & PP共聚物(23.08%);二级处理污泥中比例最大的同为聚丙烯PP(50.00%),其次为聚丙烯PP(20.00%)、PE & PP共聚物(20.00%)和聚苯乙烯PS(10.00%)。

      图  5  各站点微塑料成分比例

      Figure 5.  The proportion of microplastics component in each site

      化妆品及个人护理品中所添加的塑料微珠一般是由高分子有机聚合物组成的,其中93%为聚乙烯(PE),此外还含有聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、尼龙等[19],本研究微塑料的主要成分为PP、PE和PS也与此研究相符。2016~2017年世界塑料工业数据显示,PP、PE、PS、PVC是进出口量最大的塑料原材料,PP和PE的年平均增长为6.1%。PP、PE等塑料原材料常加工成薄膜、发泡等,如保鲜膜、包装袋、婴儿奶瓶等生活用品[20]。因此在生活中,清洗此类物质时,往往会将其带入到污水中,进而排放至污水处理厂中。

    • (1) 该污水处理厂初级处理去除率为30.59%,总去除率为80.97%;二级处理污泥中微塑料浓度高于初级处理污泥,污水中的微塑料可能大部分都进入污泥中;该污水处理厂微塑料以次生微塑料为主,主要成分为PP、PE和PS。

      (2) 该污水处理厂污水中微塑料形态以纤维、碎片和颗粒为主;污泥中微塑料形态以碎片为主,颗粒次之。结果表明本研究方法可行有效,对该研究领域具有借鉴参考价值,为微塑料污染控制提供技术支撑。

      (3) 本研究表明我国污水处理厂在去除微塑料方面还有很大的提升空间。但目前国内关于污水处理厂微塑料的研究较少,急需对该方面工作的完善,后续研究可针对不同工艺流程、污水处理程度、污水厂服务人口以及污水类型等方面,对污水厂微塑料进行对比研究,分析污水处理厂中微塑料的来源和归宿,从而针对其来源提出减少微塑料的措施。

参考文献 (20)

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