淨水技術 | 某水廠中微塑料的賦存及去除特性

微塑料(microplastics)通常是指尺寸小於5 mm的塑料顆粒。1972年，研究者首次報導了微塑料在海洋環境中的賦存。近年來，全球範圍內的海洋環境、河流湖泊等淡水環境、極地環境均有不同尺寸和豐度的微塑料檢出，甚至在海產品、食鹽、啤酒、瓶裝水以及飲用水中檢出。由於比表面積大、吸附能力強、化學性質穩定等特點，微塑料可吸附多種持久性有機汙染物，並作為有機物載體廣泛遷移擴散，造成嚴重的環境汙染。同時，環境中的微塑料易被各種營養級的生物誤食而進入食物鏈，造成更大的生物危害。微塑料汙染日益受到關注。

最近的研究表明，飲用水可能是人體中微塑料的來源之一。水廠中的各級水處理措施可以去除濁度、有機物、微生物等汙染物，為飲用水安全提供保障。

為了解水廠中微塑料汙染現狀及其處理效果，本文以江蘇某飲用水深度處理廠為例，研究該水廠進出水中的微塑料特性，並分析了各處理工藝對不同特性微塑料(尺寸、形狀以及材料)的去除規律。

Part 1 材料和方法

1.1 試驗水樣

該水廠日處理量為20萬m3/d，工藝流程如圖1所示。對原水及每個工藝出水採樣進行微塑料檢測。採樣日當天的原水常見水質數據如表1所示。

圖1 處理工藝流程

表1 採樣日原水水質參數

1.2 樣品預處理

在水樣中添加30%過氧化氫(H2O2)並消化24 h，以去除有機物。消化後的水樣分別通過0.2 μm的Al2O3膜(47 mm，Whatman，UK)和0.22 μm的聚四氟乙烯(PTFE)膜(47 mm，Merck Millipore，USA)過濾，以對顆粒進行定性和定量分析。隨後，將濾膜保存在玻璃培養皿中，並在30 °C的烘箱中乾燥24 h。

1.3 檢測方法

用LabSpec 6軟體(Horiba Scientific, France)操作的XploRa Plus型顯微拉曼光譜儀(HoribaScientific, France)對微塑料進行定性分析。

採用掃描電子顯微鏡(SEM，Hitachi S-4800，Japan)對微塑料進行定量分析。

1.4 質量控制

試驗過程儘量避免使用塑料製品，以減少樣品與塑料之間的直接接觸。此外，3個空白樣(超純水)與實際水樣進行平行分析。空白樣中檢測到的微塑料含量低於實際水樣的5%，因此，背景汙染忽略不計。

Part 2 結果和討論

2.1 水廠中微塑料汙染現狀

在所有水樣中均檢測到微塑料，表2總結了原水和出廠水中檢測到的微塑料的詳細信息。

表2 該水廠原水及出廠水中的微塑料特性

原水及出廠水中均檢測到聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)以及聚氯乙烯(PVC)。原水中，PET含量最高，而PS的含量最低。與原水相比，出廠水中不同成分微塑料的佔比沒有顯著變化。

2.2 水廠中微塑料的去除

該水廠微塑料的總體去除率為80.1%,與國外其他水廠原水和出廠水中的微塑料含量及水廠中微塑料的去除率數據對比如表3所示。活性炭濾池對微塑料的去除效果詳見2.3.2節。

圖2為原水及出廠水中不同特性(尺寸、形態及化學成分)微塑料的去除效果。總體而言，水廠對不同形狀及不同成分微塑料的去除率未表現出明顯的差異性。

表3不同水廠對微塑料的去除率（註：a所有水樣的微塑料濃度為0～7個/L，平均濃度為0.7個/L；b文獻中未統計）

圖2 原水及出廠水中的微塑料分布 (a) 尺寸；(b) 形狀；(c) 成分

2.3 各工藝單元對微塑料的去除

分析各工藝單元對微塑料的去除率以及每個工藝單元對不同特性微塑料的去除效果差異。混凝沉澱、O3-BAC以及砂濾3個工藝單元對不同特性微塑料的去除率如圖3～圖5所示。

圖3 各工藝單元對不同尺寸微塑料的去除率

圖4 各工藝單元對不同形狀微塑料的去除率

圖5 各工藝單元對不同成分微塑料的去除率

2.3.1 混凝沉澱

如圖5所示，混凝過程中不同成分的微塑料同樣表現出不同的去除率。去除率的差異可能與不同成分微塑料的沉降性有關。例如，密度高的微塑料在混凝沉澱過程中表現出更高的去除率（表4）。此外，混凝沉澱過程中不同成分微塑料的去除差異同樣受到其形狀的影響。

表4 不同成分微塑料的密度及去除率

簡而言之，混凝沉澱中微塑料的去除效果受其物理特性的影響，例如尺寸、形狀及密度。此外，對混凝沉澱過程中微塑料去除效果的優化應關注對小尺寸微塑料的去除，例如調整混凝劑的種類、投加量等參數，以提高小尺寸微塑料的去除率。

2.3.2 O3-BAC工藝

如圖6所示，對於不同成分的微塑料，活性炭濾池均表現出較高的去除率。

圖6 沉澱池、臭氧接觸池以及活性炭濾池出水中不同尺寸微塑料的濃度

2.3.3 砂濾

砂濾工藝被廣泛應用於顆粒物的去除，其去除率受多種機制影響，如阻力截留、重力沉降、接觸絮凝等。此外，濾料粒徑、濾床孔隙率、濾速等都會影響砂濾池對顆粒的去除率。未來的研究應致力於改善其運行參數以提高微塑料的去除率。

Part 3 結論

江蘇某飲用水廠原水中微塑料的含量高達5 652個/L，以小尺寸微塑料(1～50 μm)、纖維狀微塑料及PET為主。出廠水中的微塑料含量為1 125個/L，其中，1～10 μm微塑料佔比為99.6%。該水廠對微塑料的去除率達80.1%，且不同特性微塑料的去除率受其物理性質(如尺寸、形狀、密度)的影響。

混凝沉澱對微塑料具有良好的去除效果，去除率為40.8%。混凝沉澱更易去除大尺寸、纖維狀微塑料，且對PET和PVC表現出較高的去除率。O3-BAC工藝單元去除率最高，約為50.2%,且對小尺寸、球狀的微塑料表現出更高的去除率。砂濾對微塑料的去除率最低，約為32.8%。其中，1～10 μm微塑料的去除率僅為14.8%。

更多信息

許 龍1，王志峰2

(1.上海市政工程設計研究總院〈集團〉有限公司，上海 200092;2.河海大學環境學院，江蘇南京 210098)

註：本文發表在《淨水技術》2020年第7期水源與飲用水保障欄目，有刪減，長按下列二維碼可閱讀文章原文。

編輯：阮辰旼

排版：張蕾

校對：黃如詩

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