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水环境中微塑料的去除研究进展

发布时间:2021-08-21 16:22所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

[摘要]微塑料是直径5mm的塑料碎片或塑料颗粒,作为一种新兴的持久性污染物,严重影响水生态健康及供水安全。而现有的处理技术尚无法完全去除水中的微塑料。随着环境污染问题的日益严重,有关微塑料的来源、特性、迁移转化规律等研究备受关注。对微塑料的来源

  [摘要]微塑料是直径<5mm的塑料碎片或塑料颗粒,作为一种新兴的持久性污染物,严重影响水生态健康及供水安全。而现有的处理技术尚无法完全去除水中的微塑料。随着环境污染问题的日益严重,有关微塑料的来源、特性、迁移转化规律等研究备受关注。对微塑料的来源及在水环境中分布情况进行介绍,综述了微塑料在污水和给水处理厂中的迁移规律和去除特性,分析不同工艺对微塑料去除效能的差异,探讨了常规混凝技术、溶胶-凝胶技术、电絮凝技术、膜技术和磁分离技术等去除技术的研究进展,并展望微塑料污染水体净化的研究方向。

  [关键词]水环境;微塑料;水处理;新兴污染物

水环境

  塑料制品作为高分子聚合物材料,具有质量轻、强度高、坚固耐用、价格低廉等优点〔1〕,广泛应用于各行各业。塑料制品为人类生产生活提供极大便利的同时,每年预计排放480万~1270万t塑料垃圾到水环境中〔2〕,严重影响全球水环境安全。

  随着人们对环境问题的日益重视,有效移除水环境中的塑料废弃物成为环境工作者的研究热点。目前,微塑料去除研究尚处于起步阶段。有研究表明,现有水处理工艺不能全部去除水中的微塑料,相关靶向去除技术也仅限于实验室研究阶段。笔者综述并展望了现有水处理工艺处理微塑料的现状及靶向去除技术,以期为水环境中微塑料的去除及水环境安全研究提供借鉴。

  水环境论文范例: 快速城镇化地区水环境问题与规划对策研究

  1微塑料污染现状

  1.1微塑料来源

  微塑料被定义为直径<5mm的塑料碎片或塑料颗粒〔3〕。目前,按微塑料的来源可将其分为原生微塑料和次生微塑料〔4〕。原生微塑料指生产的塑料制品自身粒径<5mm,如牙膏、面部清洁产品等生活用品中添加的塑料微珠〔5〕,工业生产中广泛使用的塑料粉末也是水体中原生微塑料的一大来源〔6〕;次生微塑料指大片塑料因光氧化、机械磨损、水解和生物降解作用而形成的微塑料〔7〕,主要来源包括船舶运输、水产养殖等。

  1.2微塑料的危害

  微塑料具有尺寸小、比表面积大、疏水性强的特性,易受物理、化学和生物等作用而改变表面特性,从而对其环境行为产生较大影响。微塑料进入水体后会阻碍水生植物的光合作用,进而影响植物生长,且微塑料体积小,易被水生动物摄食,影响其营养摄入和代谢功能〔8〕。微塑料也可作为水中污染物的载体,对污染物进行富集〔9〕,造成复合毒性效应,对生物体产生更加严重的危害〔10〕。此外,有研究表明微塑料可通过食物链转移,甚至进入人体内,严重威胁人体健康〔11〕。

  1.3微塑料在水体中的分布

  科研人员针对水体中微塑料的产生来源和分布规律进行分析,发现水处理条件和排水系统的完善程度影响水体中微塑料的数量;风向、雨水以及地表径流的分布在一定程度上影响微塑料在水体中的迁移转化〔12〕。总结了国内外部分水环境中微塑料的丰度和分布现状。

  微塑料已广泛存在于海洋及世界各地的河流、湖泊中,主要类型包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氨酯(PU)、丙烯腈-丙烯酸酯-苯乙烯(AAS)、丙烯腈丁二烯-苯乙烯(ABS)、醋酸纤维素(CA)、聚酯(PL)、发泡聚苯乙烯(EPS)和聚苯乙烯(PS)。研究采用的检测手段各不相同,采用较多的是傅里叶红外光谱(FTIR),拉曼光谱、扫描电子显微镜(SEM)、微傅里叶红外光谱(μ-FTIR)、扫描电子显微镜/X-射线能量色散谱仪(SEM/EDS)和显微镜计数法也被采用。

  2水处理工艺对微塑料的去除现状

  2.1污水厂处理工艺

  污水处理厂现有处理工艺多针对水中的氮、磷、COD、BOD5等,对于微塑料这一新型污染物无特定 处理环节,且因污水处理厂进水来源复杂、出水微塑料含量大,使得污水厂成为水体中微塑料的一大来源。

  列举了国内外几个典型污水厂中微塑料的丰度和去除率。城市污水处理一般分为三级:一级为机械处理,通过物理方法去除污水中的悬浮物;二级为生物处理,去除水中胶体和溶解态有机污染物;三级为深度处理,进一步去除水中的污染物。调查发现,现有污水处理工艺对原水中微塑料的总去除率可达到88%以上,其中对微塑料去除贡献较大的是一级处理环节,该阶段约去除微塑料总量的50%~98%。

  这一阶段主要通过一级澄清池等表面去除工艺去除浮在水面上的微塑料,及在一级澄清池的除砂和重力分离过程去除沉淀于固体絮体的高密度微塑料〔25〕。 在生物处理或深度处理阶段,常用的圆盘过滤器(DF)、快速砂滤(RSF)、溶气气浮(DAF)和膜生物反应器(MBR)等对微塑料表现出不同去除效果〔26〕。

  圆盘滤池对微塑料的去除率为40%~98.9%,快速砂滤的去除率在97%,膜生物反应器的去除率高达99.9%,这是因为MBR的滤膜孔径最小为0.4mm,绝大多数微塑料会被过滤去除。溶气气浮利用浮力将微塑料送到水体表面,通过撇渣设备去除表面悬浮物,去除率可达95%。浮选主要去除低密度的杂质,而绝大多数塑料密度均小于水,因此可达到较好的去除效果。相比于大粒径微塑料需通过生物吸附或裂解等方式去除,粒径较小的微塑料可被絮体吸附沉降,更易通过常规水处理工艺去除〔21〕。

  不同于常见的处理工艺,苏格兰格拉斯哥的污水处理厂采用特有的除脂装置,可更好地去除微塑料。该工艺利用曝气气浮原理使微塑料上浮至油脂层,再通过撇油器去除油脂〔24〕。虽然污水处理厂能通过撇渣、沉淀和三级处理去除废水中的微塑料,但这些工艺最初均不是为去除微塑料而设计,因此污水处理厂每天排入水体中的微塑料数量仍处于高位水平,达到2×106片/d〔25〕。不同污水厂处理水平不一,且微塑料取样和检测的技术尚无统一规定,该数值还存在一定误差,微塑料的去除措施需进一步优化。

  2.2给水厂处理工艺

  2014年M.Wagner等〔27〕呼吁对饮用水主要水源的淡水环境开展微塑料污染情况研究。2018年Oβmann等〔28〕对32个瓶装饮用水样进行检测,其中超过90%的水样检测出微塑料,引发人们对饮用水安全的担忧。有关给水处理工艺对水中微塑料的去除研究相继展开。ZhifengWang等〔29〕研究了中国长三角地区某给水处理厂各处理单元的微塑料特性,探讨了微塑料去除率与处理工艺之间的关系。

  常规处理工艺对微塑料的去除率约为58.9%~70.5%,混凝沉淀和颗粒活性炭过滤均能很好地去除微塑料:与原水相比,混凝沉淀的去除率约为40.5%~54.5%,其中去除的微塑料中纤维占比达到50.7%~60.6%;颗粒活性炭过滤工艺的去除率约为56.8%~60.9%,对1~5μm小粒径微塑料的去除效果最佳,占去除量的73.7%~98.5%。臭氧氧化后的颗粒活性炭能够通过物理吸附和生物降解的协同作用去除污染物〔30〕,与单一颗粒活性炭滤池相比,微塑料去除率提高了17.2%~22.2%。水厂出水中以1~5μm的微塑料为主,>50μm的微塑料几乎没有,因此针对小粒径微塑料的去除将是研究的重点。不同水处理工艺对微塑料的去除影响较大。

  M.Pivokonsky等〔31〕对常规砂滤池、沉淀池与砂滤池组合、浮选与砂滤工艺组合的微塑料去除效果进行分析,3种工艺的去除效果分别为:浮选与砂滤工艺组合(83%)>沉淀池与砂滤池组合(81%)>常规砂滤池(70%),原因在于气浮工艺可使轻质微塑料漂浮到表面,更易去除。在微塑料去除成分方面有所差异,常规砂滤池对纤维状微塑料的去除率只有25%,远低于沉淀池+砂滤池以及浮选+砂滤工艺的去除率(80%~90%)。混凝剂的种类和投加量对微塑料去除可发挥较大作用。BaiwenMa等〔32〕对比了铁基和铝基混凝剂对聚乙烯微塑料的去除率,铝基混凝剂的去除效果优于铁基混凝剂。

  YongliZhang等〔33〕研究了混凝剂对不同粒径聚乙烯微塑料的去除效果,结果表明,仅投加20mg/L硫酸铝时其对不同粒径微塑料的去除率均<2.0%,且不同粒径微塑料的去除率相差较大。添加聚二烯丙基二甲基氯化铵作为助凝剂后,对45~53μm微塑料的去除率由(0.3±0.3)%提高到(13.6±6.8)%,但对其他粒径微塑料的去除率仍不足5%。

  N.K.Shahi等〔34〕采用明矾和明矾结合阳离子聚胺涂层(PC)作为药剂,结果显示:微塑料的去除率随着明矾投加量的增加而提高,但投加量继续增加会导致微塑料去除量急剧减少;明矾和PC联合使用可提高微塑料去除率,达到92.7%,较单独使用明矾时的去除率提高26.8%。常规投加量下不同混凝剂对微塑料的去除率均较低,但提高混凝剂用量会增加水的浊度,选择合适的助凝剂可以提高微塑料去除率,是很好的处理手段。

  综上,虽然在一定条件下水处理工艺可高效去除微塑料,但由于微塑料数量基数相对较大,导致出水中微塑料仍然较多。目前大多数水处理工艺仍未针对微塑料去除进行工艺调整,亟需开展微塑料性状及深度去除技术研究,为工艺调整提供理论依据及技术支撑。

  3微塑料去除技术

  目前微塑料的去除主要采用化学法、物理法。物理法有混凝、过滤和浮选,化学法以化学吸附和光催化降解为主。笔者对部分微塑料去除方法进行总结,并对比其优缺点。

  4前景与展望

  目前的研究仅停留在微塑料去除率、水工艺迁移规律等表象,且因方法差异,研究成果的横向可对比性较差。未来水环境中微塑料的去除研究可从以下方面展开:(1)微塑料的定性与定量。微塑料的去除研究因取样和检测方法差异较大,研究结果难以比较。在微塑料的定量和定性方面需进一步统一和规范化。(2)小粒径微塑料的去除。小粒径微塑料在水环境中具有更高的丰度及更严重的生物毒性,但目前的研究主要集中在毫米或微米级大粒径微塑料,对于纳米级微塑料的研究极少,需开展相关探索。(3)微塑料特性对现代水处理技术的影响。微塑料对给水和废水处理工艺性能的影响,及对出水水质影响方面的研究较少,作用机理尚不清楚。后续应研究微塑料特性对不同处理工艺性能的影响,进一步调整工艺结构,以去除微塑料。

  参考文献

  [1]DerraikJG.Thepollutionofthemarineenvironmentbyplasticdebris:Areview[J].MarinePollutionBulletin,2002,44(9):842-852.

  [2]JambeckJR,GeyerR,WilcoxC,etal.Marinepollution.Plasticwasteinputsfromlandintotheocean[J].Science,2015,347(6223):768-771.

  [3]ThompsonRC,MooreCJ,vomSaalFS,etal.Plastics,theenvironmentandhumanhealth:Currentconsensusandfuturetrends[J].PhilosophicalTransactionsoftheRoyalSocietyofLondon.SeriesB,BiologicalSciences,2009,364(1526):2153-2166.

  [4]SighicelliM,PietrelliL,LecceF,etal.MicroplasticpollutioninthesurfacewatersofItalianSubalpineLakes[J].EnvironmentalPollution,2018,236:645-651.

  [5]陈彪,汪羚,李达,等.水环境中的微塑料及其生态效应[J].生态毒理学报,2019,14(1):30-40.

  [6]BaldwinAK,CorsiSR,MasonSA.Plasticdebrisin29greatlakestributaries:Relationstowatershedattributesandhydrology[J].EnvironmentalScience&Technology,2016,50(19):10377-10385.

  [7]SongYK,HongSH,JangM,etal.CombinedeffectsofUVexposuredurationandmechanicalabrasiononmicroplasticfragmentationbypolymertype[J].EnvironmentalScience&Technology,2017,51(8):4368-4376.

  作者:薛婷婷1,刘海成1,2,JosephAcquah1,陈国栋1

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