水體中不同粒徑微塑料的危害及去除研究進展

許赟赟, 張承龍, 王瑞雪, 馬 恩, 王景偉

(上海第二工業大學資源與環境工程學院,上海 201209)

0 引言

微塑料的第1 次提出可追溯到2004 年Science上的文章, Thompson 等[1]研究發現每年產生的數百萬噸塑料碎片堆積在世界各地的海洋棲息地,作者在普利茅斯周圍海灘河口等發現了大量塑料聚合物。自此微塑料逐漸進入人們視線,轉而成為研究熱點。自20 世紀第1 個合成樹脂發展以來,塑料在社會中體現出了舉足輕重的地位?；谄錈o限的創新潛力,塑料創造了世界,并繼續為快速變化的需求提供可持續的解決方案。在過去的50 年間,全球塑料生產產量顯著增加,由20 世紀50 年代的170 萬t增加到了2021 年的約4 億t[2]。塑料產量的劇增,同時帶來了巨大的污染,微塑料在最終進入淡水和海洋環境之前,會通過家庭或工業排水系統在廢水中傳輸[3-4],在一定的遷移轉化過程中與重金屬、有機污染物等結合成為復合污染物污染環境及各類動植物,最終通過食物鏈的富集影響人體健康。本研究的目的是通過分析不同粒徑微塑料對自然環境及人類社會的危害,對比污水處理廠三級處理對于微塑料的去除效率,為國家減排禁塑提供理論依據,促進微塑料動態監管政策推進,降低微塑料對于人類社會的危害。

1 微塑料定義

1.1 定義

微塑料主要指直徑在5 mm 以下的塑料顆粒。微塑料性質穩定、疏水性強、密度較小,容易因為風和洋流進行長距離遷移[5]。公眾對微塑料的關注不僅因為它們在環境中的無處不在和持久性,還因為它們有可能通過阻塞或破壞消化系統對水生動物造成物理和化學傷害[6],也是將危險化合物和重金屬轉移到水生生物群的潛在途徑。除此之外, 微塑料還可能通過食物鏈潛在危害人類健康[7]。

1.2 微塑料的來源

塑料產量高,且大多數塑料的物理特性如化學惰性及生物降解緩慢,導致塑料碎片在環境中堆積。微塑料的排放途徑也有很多, 廢物處理不當、管理不善或沿著城市徑流,都會導致微塑料向外排放[8]。根據微塑料形狀, 可將其分為碎片狀、薄膜狀、纖維狀等。根據來源, 微塑料一般分為初級顆粒和次級顆粒。初級顆粒主要是衣物和家具中的合成纖維、化妝品和個人護理產品中的微珠, 以及一些用于工業磨料的塑料顆粒和塑料制造業使用的樹脂顆粒[5]; 次級顆粒則是原本的塑料產品(包括初級塑料)因風化、紫外線輻射或物理磨損形成的碎片顆粒[9]。由于塑料本身難以分解,且密度相對較小,在自然環境中容易進行遷移和轉化,微塑料已成為較難解決的新型污染物。

2 微塑料粒徑研究

2.1 粒徑分布

微塑料粒徑普遍定義在5 mm 及以下, 但隨著研究的深入,5 mm 的劃分已無法滿足需求。1 mm 及μm 級別的微塑料在自然環境中豐度更高、分布更廣,也對環境影響更大。Liu 等[10]調查了上海郊區20 個菜田農田土壤中的微塑料和中塑料,淺層和深層土壤中< 1 mm 的微塑料占比分別為48.79%和59.81%,淺層土壤及深層土壤中微塑料的平均尺寸分別為1.91 mm 和1.48 mm; 水體中微塑料主要分布在湖泊、河流、河口、海洋水域中,Eriksen 等[11]調查了美國勞倫五大湖開放水域中的微塑料污染,粒徑在0.355～0.999 mm 的微塑料占比81%,粒徑在1.000～4.749 mm 的微塑料占比為17%,而粒徑> 4.75 mm 的微塑料僅占2%;Anderson 等[12]對加拿大溫尼伯湖等淡水湖中調查發現微塑料主要粒徑分布在333μm 以上,Fischer 等[13]在意大利博爾塞納湖和丘西湖中檢出水體和沉積物中微塑料主要粒徑在0.5 mm 以下。由此可見,在微塑料研究中可將5 mm 定義進一步細化。

2.2 不同粒徑微塑料的危害

2.2.1 對動植物的危害

Alomar 等[14]在海洋和淡水中捕獲的大量魚類物種中觀察到微塑料的存在。據報道,微塑料(直徑為1～5 μm 的聚乙烯球) 可顯著降低普通蝦虎魚幼體的乙酰膽堿酯酶活性,并伴有氧化損傷[15]。An等[16]對北京一條高度城市化的河流進行微塑料污染情況研究,發現10～100μm 的微塑料可以在蝸牛和水螺中被攜帶, 相比之下, 200～500 μm 的塑料微粒在蝸牛中被攜帶的比例更小。Liu 等[17]研究不同粒徑微塑料對磷蝦誘導防御的抑制作用,相較于1μm 的微塑料,0.7μm 微塑料對縮短存活時間、延遲成熟時間和減少后代數量的影響更強。Jeong等[18]選取了4 種粒徑聚苯乙烯(1、6、10 和25μm),測量斑馬魚幼魚腦電圖信號、癲癇相關基因表達和神經化學濃度變化后發現, 10μm 的微塑料對其神經毒性影響更大。Lu 等[19]報告稱,丹尼奧魚的鰓、腸道和肝臟中存在直徑為5μm 的微塑料,聚苯乙烯微珠僅在魚的鰓和腸道中積累, 直徑為20 μm。聚苯乙烯微塑料的積聚引起了魚肝的炎癥和脂質積聚。Mao 等[20]研究證實微塑料會抑制水體中藻類植物生長,其與浮游植物相互作用會從水體中遷移至沉積物,擴大的聚合物促進底棲動物為塑料微粒的吸收,導致更多的微塑料進入食物鏈。

2.2.2 對人體的危害

如表1 所示,本文綜述了已知的微塑料及其對人體潛在毒性的研究[21]。由表1 可知,主要是粒徑為納米級別的微塑料顆粒易對人體造成健康威脅,包括胃腸道、腎臟、呼吸道、血液、大腦神經、胎盤和皮膚等多個器官、組織及生理系統。

表1 微米塑料(MPs)和納米塑料(NPs)對人體器官和細胞培養的毒性作用Tab.1 Toxic effects of microplastics(MPs)and nanoplastics(NPs)on human organs and cell cultures

2.3 不同粒徑微塑料的去除

由于包括風和洋流在內的運輸現象,微塑料可以在世界各地的沿海地區和水生生態系統中被發現。微塑料主要來源是家庭污水排放,包括化妝品和清潔產品中的聚合物顆粒,用于制造塑料產品的原料以及用于空氣噴射的塑料顆?；蚍勰36]。污水處理廠作為微塑料排放主要來源之一[37],長期以來受到研究者們的關注。

污水處理廠既可作為微塑料進入水環境的屏障, 又可作為微塑料進入水環境的通道。采用1 級和2 級處理工藝的常規廢水處理可以從廢水中去除絕大多數微塑料,并且主要在預處理階段就被去除[38]。雖然去除能力很高,但考慮到污水的排放量巨大,且污水處理技術并不是專為去除微塑料而設計,所以微塑料在污水中的賦存特征依然值得關注。

微塑料的粒徑影響沉降效果, 1 級處理對于大粒徑的微塑料去除效率更高,粗網格和細網格可以阻擋大部分尺寸大于3 mm 的顆粒,Petroody 等[39]通過對里海南部污水廠的研究發現, 粒徑在500μm 以上的塑料可以被初沉池輕易去除, 當粒徑從0.08～0.55 mm 提高到1.7～5 mm 時, 去除率從19.6%提高至96.4%。

污水的2 級處理主要為生物處理,目的是去除膠體和一些有機物,微塑料在經過1 級處理之后會被進一步去除,在2 級處理過程中,被微生物及相關絮體吸附,在后續沉淀過程中隨著絮體一起從污水中分離出[39]。

由于一二級處理去除了絕大多數微塑料顆粒,導致了3 級處理進出水微塑料賦存變化較小,Talvitie 等[40]認為污水處理廠對微塑料的總截流能力超過99%,但是在2 級處理后便能達到,3 級處理并沒有對微塑料去除產生有效作用。此外, 還檢測了剩余污泥、干污泥和廢水中的微凋落物含量。根據平衡分析,從工藝中去除的約20%的微垃圾與廢水一起回收,而80%的微垃圾包含在干污泥中。需要注意的是, 3 級處理若使用紫外消毒可能會降解或者老化較大塊微塑料進一步裂解,從而增加微塑料自2 級處理后在第3 級處理后的濃度[41]。表2 是我國部分地區污水處理廠進出水微塑料濃度以及總去除率[42-44]。由表2 可知,不同地區污水進水和處理水中的微塑料濃度相差較大,造成這一結果與多個因素相關,包括污水來源,處理廠服務人口和當地居民衛生習慣等等,工業廢水尤其是紡織廢水的污水處理廠,其污水的微塑料含量明顯高于其他污水處理廠,約為54100 個/L[45]。

表2 我國部分污水處理廠進出水微塑料豐度及其去除率Tab.2 Abundance and removal rate of microplastics in inlet and effluent water of some wastewater treatment plants in China

從微塑料形態特征上, Talvitie 等[40]選定芬蘭和北歐國家最大的廢水處理廠進行研究,經過2 次處理后其對微塑料的總體保留能力超過99%, 第2級處理降低了7%～20%的微塑料濃度,其中粒徑在0.1 mm 以上的微塑料得到有效去除, 而第3 級處理對微塑料無明顯截留能力, 即0.02～0.1 mm微塑料無法被截留。Liu 等[46]發現小粒徑微塑料(0.02～0.3 mm) 在不同處理工藝的出水中濃度占比逐漸增大, 表明在處理過程中可能存在微塑料的次生過程; L¨u 等[47]在研究氧化溝系統對微塑料的去除時發現, 質量去除率為97% 時, 數量去除率只有53.6%, 說明污水處理廠對極小尺寸的微塑料去除并不理想。Magni 等[48]提出隨著微塑料粒徑的增加, 總去除率隨之升高, 將微塑料粒徑劃分為5～1 mm、1～0.5 mm、0.5～0.1 mm和0.1～0.01 mm 時, 微塑料去除率分別為94%、94%、77% 和65%。Azizi 等[49]通過分析匯總比較得出, 粒徑小于125 μm 以及375～600 μm在污水處理過程中占比最高, 豐度分別為26% 和15%。較大的顆粒容易沉淀在下方,被常規工藝顯著去除。

3 微塑料治理政策

水體中微塑料含量雖然不會對人類構成直接威脅,但是極小微塑料在污水處理廠被大量排放之后進入城市體系,通過食物鏈的傳遞富集最終進入人體,始終是一個較大的隱患。對此,需對塑料制品進行全生命周期管控[50],從源頭開始,減少塑料制品的使用。2020 年,國家發展改革委和生態環境部發布了《關于進一步加強塑料污染治理的意見》,意見明確禁止生產、銷售厚度小于25μm 的超薄塑料購物袋、厚度小于0.01 mm 的聚乙烯農用地膜。禁止以醫療廢物為原料制造塑料制品。全面禁止廢塑料進口。到2020 年底,禁止生產和銷售一次性發泡塑料餐具、一次性塑料棉簽;到2022 年底,禁止銷售含塑料微珠的日化產品; 禁止、限制使用不可降解塑料袋、一次性塑料餐具、快遞塑料包裝等[51]。該意見從各方面嚴格控制塑料生產使用,減少微塑料產生并危害環境。2022 年8 月30 日歐盟委員會發布了限制蓄意添加微塑料的提議草案[52]。該限制將包括所有尺寸均低于5 mm 的合成聚合物微粒和顆粒長度低于15 mm 且長徑比大于3 的纖維狀顆粒,這些顆粒用于產品之中, 并可能在環境中釋放。加拿大政府出臺了一次性塑料禁止條例(SUPPR)[53],到2030 年實現塑料零廢物目標并幫助減少溫室氣體排放的全面計劃的一部分。該條例禁止制造、進口和銷售一次性塑料結賬袋、餐具以及有問題的塑料制成品或含有問題的食品服務器皿、環形托架、攪拌棒和吸管。除此之外, 加拿大倡導制定《海洋塑料憲章》[53],致力于在陸地和海上采用更具資源效率和生命周期的塑料管理方法。美國國家環保局于2021 年發布的《國家回收戰略》重申到2030 年將美國的廢塑料回收率提高到50%的目標[54]。英國自2020 年3 月起征收新的塑料包裝稅[55]、同年9 月發布條例禁止在英格蘭使用塑料吸管、棉簽和攪拌器。韓國環境部則在2021 年2 月發布了《促進資源的節約及再利用相關法律實施令》部分修改草案[56],本修訂草案限制了塑料和其他一次性物品的使用,規定禁止在咖啡館和其他餐館內使用紙杯、塑料吸管和攪拌器。種種政策的發布都證明了微塑料污染到了亟需控制的地步,以源頭減排為始[57]、在提升資源化循環利用的同時減少塑料垃圾的排放。

4 結論

微塑料以其分布廣泛和難以去除的特點成為自然環境中不可忽視的重要污染問題。由于其生物危害性,在控制污染的同時也需要對其在環境中的豐度和粒徑大小進行監測,本文表明,微米級別的微塑料會對動植物直接造成毒理性損傷,納米級別微塑料顆粒會對人體諸多器官及生理系統產生危害。而目前微塑料主要去除方式基于污水處理廠的3 級處理,該處理雖然能去除絕大多數微塑料,其對粒徑在0.1 mm 及以下的塑料顆粒去除效率相對較低。鑒于大量污水不斷排放到水生環境中,即使是3 級污水處理廠也可能構成微塑料的重要來源,納米級塑料顆粒更經由出水口流入地表河流,最終在食物鏈的富集作用下對人體造成傷害。希望建立健全微塑料日常監管模式,對于其豐度和粒徑進行動態監管,及時預防其對社會環境造成影響,保障人民群眾健康生活。