污水处理厂中微塑料的赋存、迁移及归趋研究进展

刘发欣 程 文 任杰辉

(西北旱区生态水利国家重点实验室，西安理工大学水利水电学院, 陕西 西安 710048)

近年来，微塑料[1]污染状况日益严峻，在各种水环境和陆地都有发现，而且在饮用水、海鲜、食盐等食品中也被广泛检出，甚至有研究在人类新生儿胎盘和婴儿粪便中发现了微塑料[2]。进入环境的微塑料会被动植物摄食，进而产生生态毒性和基因毒性[3]，并最终在食物链中积累，威胁人类健康[4]，因此，微塑料作为一种新型污染物受到越来越多的关注[5]。

污水处理厂被认为是微塑料在人类环境和自然环境之间转移的重要枢纽，是控制微塑料进入地球物质循环的一个重要环节[6]1,[7]。污水处理厂被证明可以有效截留污水中大部分微塑料，但是仍有一部分微塑料通过污水处理厂出水进入河流、湖泊等自然水体，且污泥因截留了大部分微塑料而成为微塑料进入陆地环境的重要途径[8]84,[9]。目前关于污水处理厂中微塑料的研究主要集中在单个污水处理厂中微塑料的类型、粒径、浓度及去除率等方面[10]178-179,[11]，部分研究中污水处理厂对微塑料的去除率高达98%[12],[13]5804，而有些研究却不到60%[14]8，去除率差距较大，但是原因不明晰。LIU等[15]6运用荟萃分析得到不同处理技术的风险率(RR)值，通过比较RR值的大小来对比分析不同工艺对微塑料的去除率。总体而言，开展国内外多个污水处理厂微塑料赋存和去除率对比分析及原因识别的综合性研究较少。

本研究旨在通过分析国内外多个污水处理厂污水和污泥中微塑料的来源、类型、丰度，比较不同工艺对微塑料的去除率，识别影响微塑料去除率的主要因素，探究微塑料在污水处理厂中的迁移和归宿，为塑料制品的使用管控和污水处理厂中微塑料污染的去除提供理论支撑。

1 污水处理厂中微塑料的研究进展

在Web of Science(WOS)检索污水处理厂中关于微塑料的文章，日期涵盖2011年1月至2021年4月，发现2013年开始陆续有专门针对污水处理厂中微塑料的研究，而且WOS检索结果的柱状图显示近3年该领域发文呈快速上升趋势。VOSviewer聚类分析结果显示：中国研究者近几年在该领域发文较多；污水处理厂二级处理和三级处理及微塑料去除技术的分析较多；微塑料的影响、暴露及其与重金属耦合等方面的研究日益受到关注；关键词“纤维”“微珠”“洗衣”显示出较高的出现频率；地表水及土壤作为微塑料的最终受体在文献中提及较多。

WU等[16]1-2对232篇文章进行分析后认为二级处理是污水处理过程中最有效的工艺阶段；RUAN等[17]研究了二级处理和三级处理对微塑料去除率的影响，发现两者结果差异较为显著；LARES等[18]236发现采用膜生物反应器(MBR)工艺出水中微塑料含量显著低于传统活性污泥工艺出水中微塑料含量；而MASON等[19]则认为三级过滤对微塑料的去除作用非常有限；还有研究认为并不能确定高级水处理工艺比传统水处理技术对微塑料具有更好的去除效果[20]。目前污水处理厂一级处理、二级处理和三级处理微塑料去除率的研究结论差异较大，因此本研究将作进一步探讨分析。

2 污水处理厂中微塑料的类型、形态及丰度

本研究从WOS以及中国知网(CNKI)数据库中以关键词“微塑料”和“污水处理厂”进行检索，通过阅读摘要和正文内容进行了文献筛选，筛选原则：取样和测量方法描述准确且数据信息较为完善，共计筛选出文献中的39个污水处理厂，对其进出水及污泥中微塑料种类、形态、丰度及不同处理工艺的去除率进行综合对比分析。

2.1 污水处理厂进水中微塑料的类型

统计分析39个污水处理厂中占比第一的微塑料类型，包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、甲酸乙二醇酯(PET)、尼龙(PA)、聚醚砜树脂(PES)、人造丝、醇酸树脂，部分污水处理厂中占比第一的微塑料类型及占比见图1。39个污水处理厂中PE、PP、PET占比第一的污水处理厂数量较多。对比国内外污水处理厂中微塑料主要类型，国外污水处理厂中PE占比第一的数量最多，如文献[18]报道在芬兰某污水处理厂发现PE在纤维微塑料中的占比达到96.3%，在微塑料总量中的占比也达到了79.1%；这个结果与欧洲塑料制造商协会(PlasticEurope)微塑料消费数据一致[28]，即2017年欧洲的塑料消费中以PE为原材料生产的塑料制品最多，约占总塑料制品的29.8%，其次为PP(占19.3%)；近5年我国PE产能、产量、消费量也持续增长[29]。而国内污水处理厂中PET和PP占比第一的数量最多，和文献[21]报道的上海两个污水处理厂中PET的占比都在50%以上一致。分析认为，PET广泛用于制作衣料和容器(如饮料瓶)[30]，我国合成纤维产量上PET纤维占比超过90%[31]，而且有研究发现洗衣废水中含有大量的微塑料PET，很有可能来源于居民的洗衣废水[32]；此外，PP也广泛应用于服装、毛毯等纤维制品生产[33]。因此，未来PE、PET以及PP的使用和管控政策中应考虑其使用后产生的微塑料对环境造成的影响和危害。

注: “中国上海1”和“中国上海2”为文献[21]中的两个污水处理厂，“中国上海3”为文献[22]中的污水处理厂；“中国钦州1”和“中国钦州2”为文献[23]中的两个污水处理厂;“中国北京1”为文献[10]中的污水处理厂，“中国北京2”为文献[24]中的污水处理厂；“中国厦门1”为文献[25]中的污水处理厂，“中国厦门2”为文献[26]中的污水处理厂;“中国武汉1”为文献[27]中的污水处理厂；“芬兰米凯利1”为文献[18]中的污水处理厂。

2.2 污水处理厂进出水和污泥中微塑料主要形态

污水处理厂中微塑料的形态总共有9种[15]4，有研究证明微塑料的形态会影响其去除率[34]。39个污水处理厂中占比第一的微塑料形态包括纤维、碎片、薄膜、球形4种。对污水处理厂进出水中占比第一的微塑料形状进行对比分析(见图2)，发现国外至少一半的污水处理厂进水或出水中微塑料以纤维为主，且数量占比全部超过40%，甚至有研究超过70%。国内大部分污水处理厂进水或出水也以纤维微塑料为主。总体来说，大部分污水处理厂出水微塑料以纤维为主，而且纤维微塑料在出水中的占比高于进水，即纤维微塑料的去除率较低。文献[36]也证实：纤维微塑料经过高级处理后也没有完全去除，且纤维微塑料在污水处理过程中较其他形态微塑料更难去除；文献[37]研究证明污水处理厂的进水和出水中的纤维微塑料与合成纤维洗涤产物相吻合，因此家庭洗衣被证明是纤维微塑料产生的一个重要源头。

注：“1”代表进水，“2”代表出水，“3”代表污泥。“韩国M市”“韩国Y市”“韩国S市”分别为文献[35]中位于这3个城市的污水处理厂。

污泥中微塑料的赋存形态以纤维为主(见图2)，与欧洲多项研究结果一致[18]242,[38]814,[39]。MURPHY等[13]5804发现污泥中检测到的微塑料尺寸大于其污水中的尺寸，说明污水中去除的部分较大尺寸微塑料被截留在了污泥中；而LEE等[35]4发现韩国3个污水处理厂污泥中微塑料的主要赋存形态为碎片，同时发现长于300 μm的纤维微塑料也可以通过106 μm的筛子，因此纤维微塑料的数量可能被大大低估。总体而言，大多数污水处理厂污泥中微塑料形态仍然以纤维为主，部分以碎片为主，基本与其进水中微塑料形态保持一致。

2.3 污水处理厂进出水和污泥中微塑料的丰度

2.3.1 进水和出水中微塑料丰度

39个污水处理厂进水中微塑料的丰度最高可达到290.87个/L(见表1)，而其他研究中的均值可达567.80个/L[49]，甚至达到7 216个/L[50]；中国哈尔滨3个污水处理厂、上海3个污水处理厂以及西班牙马德里某个污水处理厂进水中微塑料的丰度偏高，超过了100个/L；中国污水处理厂进水中微塑料丰度总体较其他国家偏高。文献[26]发现厦门污水处理厂进水微塑料丰度与该污水处理厂服务区域内塑料工厂的数量呈正相关关系；文献[13]、[18]、[49]发现污水处理厂中赋存的微塑料丰度与季节和降雨有一定关系；有研究还发现污水处理厂中赋存的微塑料丰度与周围的农业生产有一定关系；综合来讲，污水处理厂进水中微塑料的丰度受很多因素影响，包括污水处理厂服务区域人口密度[42]3968、汇入的工业污水性质、农业生产情况、降雨等[8]81。

污水处理厂可以有效地去除城市污水中的微塑料，39个污水处理厂出水中微塑料丰度已显著降低，最低只有0.005个/L；国内污水处理厂出水中微塑料丰度总体高于国外污水处理厂。根据本研究国内出水微塑料丰度均值(19.69个/L)，按照中国污水处理厂2019年每天污水处理量1.44亿m3，可以估算得出：中国污水处理厂每天将有2.84×1012个微塑料排放到自然水体，高于文献[15]的估计结果。文献[19]通过对美国17个污水处理厂90个样品的分析，估计得出美国所有污水处理厂每天约有3.0×109～2.3×1010个微塑料排放到水环境，预计中国污水处理厂微塑料排放量超过了美国。因此，虽然污水处理厂出水中微塑料的丰度相对较低，但由于污水处理厂污水处理和排放量较大，仍有大量的微塑料伴随着污水处理厂出水进入自然水体。

2.3.2 污泥中微塑料丰度

污水处理虽然可以去除污水中大部分的微塑料，但这些去除的微塑料会积累在污泥中。多项研究表明，污水处理过程中超过90%的微塑料都会从水体中去除而保留在污泥中，致使每千克污泥中的微塑料丰度高达上万个[38]814,[51]。

比较国内外污水处理厂污泥中微塑料丰度(见表1)，总体上中国污水处理厂污泥中微塑料的丰度低于欧洲国家，广西钦州两个污水处理厂污泥中微塑料丰度(以干污泥计)都在1×103个/kg以下，LIU等[27]181研究的武汉污水处理厂污泥中微塑料丰度最高，达到了2.403×105个/kg；本研究统计的中国污水处理厂污泥中微塑料的丰度为1.8×102～2.403×105个/kg，均值为3.74×104个/kg，结合全国污泥产量粗略估算我国每年通过污泥进入环境中的微塑料将高达2.99×1014个，这与文献[8]的研究结果基本一致。因此，污泥成为微塑料在污水处理厂迁移过程中的主要聚集地，污泥是微塑料进入自然环境的重要途径。

表1 39个污水处理厂进出水、污泥中微塑料丰度及去除率1)

3 污水处理厂中微塑料去除率分析及影响因子识别

3.1 国内外污水处理厂微塑料去除率对比

国内外39个污水处理厂微塑料总去除率见表1。欧洲国家污水处理厂微塑料去除率普遍较高，而国内大部分污水处理厂微塑料去除率偏低，中国哈尔滨、上海、武汉等多个大城市污水处理厂出水中微塑料丰度明显较高，说明中国大部分污水处理厂微塑料的去除率仍有较大提升空间。国外污水处理厂中，土耳其3个污水处理厂微塑料的去除率均较低，其他欧洲污水处理厂微塑料去除率大体在90%以上。

分别对39个污水处理厂中采用二级处理工艺和三级处理工艺的微塑料总去除率进行对比分析，结果显示：采用二级处理的所有污水处理厂微塑料平均去除率为76.78%，而采用三级处理的所有污水处理厂微塑料平均去除率为86.77%，采用三级处理的平均去除率高于二级，但是差距不是非常明显，分析认为国内污水处理厂三级处理大多采用的是氯化消毒工艺，对微塑料的去除作用较小。

3.2 污水处理工艺对微塑料去除率的影响分析

3.2.1 一级处理

一级处理通常是采用过滤、沉淀和曝气等方式去除悬浮物，很多研究表明污水处理工艺中的预处理和一级处理可以有效去除废水中的大部分微塑料。39个污水处理厂一级处理微塑料的平均去除率为53.15%，与相关研究报道一致，35%～59%的微塑料可以在初期处理中去除，50%～98%的微塑料在一级处理中被去除[52]。MURPHY等[13]5804研究得出45%的微塑料的去除发生在格栅和沉砂阶段；贾其隆等[21]4109发现上海两个污水处理厂中采用旋流沉砂和曝气沉砂作为一级处理工艺，其微塑料去除率分别为49.72%和46.48%；宣立强等[42]3969在哈尔滨某污水处理厂发现微塑料的去除主要是依靠一级处理，因其曝气生物滤池工艺一级处理中设置了旋流沉砂池+平流沉淀池+高效混凝沉淀池，能够对微塑料进行多次沉淀，在一定程度上提高了去除率。这些研究进一步表明一级处理中格栅和沉砂等物理措施对大颗粒微塑料有较好的去除效果，因此预处理及一级处理对污水处理厂进水中较大颗粒微塑料的去除较为有利。

3.2.2 二级处理

目前国内外污水处理厂普遍采用的二级生物处理工艺包括：厌氧/缺氧/好氧(A2O)、缺氧/好氧(AO)、循环式活性污泥法(CAST)、氧化沟(OD)、序列间歇式活性污泥法(SBR)、生物滤池等。生物处理中污泥絮体或胞外聚合物可以吸附、诱捕和截留微塑料；化学物质如硫酸铁或其他絮凝剂也对去除微塑料有积极的影响。YANG等[10]180研究发现高碑店污水处理厂、刘俊勇等[23]6研究发现广西钦州污水处理厂以及LEE等[35]1研究发现韩国的污水处理厂中采用A2O作为二级处理工艺，对微塑料的总去除率在90%以上；但是TANG等[43]1研究发现武汉某污水处理厂和贾其隆等[21]4109研究发现上海某污水处理厂采用A2O作为二级处理工艺，其微塑料总去除率却较低，仅60%左右；由此推断微塑料的去除效果受A2O的影响不大。TANG等[43]4研究发现，AO对微塑料的总去除率为62.7%；LIU等[27]182发现CAST的微塑料总去除率为64.40%；刘俊勇等[23]3发现CAST对微塑料的去除率仅为35.6%，总去除率为71.7%；这几项研究采用CAST作为二级处理工艺，但是对微塑料的去除率都不高。LEE等[35]7发现韩国的3个污水处理厂二级处理工艺分别为A2O、SBR、膜处理，3种工艺对微塑料的总去除率基本都在98%以上，相差不大，而且3种处理工艺对微塑料去除率的一致性甚至高于水中悬浮固体(SS)。综上推测，采用何种二级生物处理工艺对微塑料的去除率影响不大。

3.2.3 三级处理

通常污水处理厂的出水需要再循环或再利用时，才会设置三级处理工艺。MBR是典型的三级处理工艺[53]，它综合了膜分离和传统活性污泥法的共同优点。WU等[16]4对三级处理的各种工艺进行了比较，认为与膜有关的三级处理工艺的微塑料去除率较高。LV等[44]研究发现MBR对微塑料的去除效果(99.5%)要优于OD系统(97%)；TALVITIE等[46]研究发现，芬兰4个污水处理厂二级处理全部采用CAST，三级处理分别采用反硝化生物滤池、快速砂滤、溶气浮选、MBR(膜加超滤)，MBR对微塑料的总去除率最高，达到99.9%；MICHIELSSEN等[54]也发现MBR对微塑料的去除率最高。分析认为，MBR因具有过滤、截留和捕获等多种功能，对微塑料的去除效果较好。

3.3 污水处理过程中微塑料去除的影响因子识别

基于一级处理、二级处理、三级处理中微塑料去除效果综合比较，分析认为微塑料的去除效果受工艺中物理功能的影响较大，而受生物处理功能的影响较小，即主要是吸附、截留、絮凝、过滤、沉淀等物理作用发挥去除效能。刘梦瑶[24]对北京某下沉式污水处理厂各工艺单元中微塑料去除率进行详细调查分析，发现一级处理微塑料去除率为27.1%，二级处理为60.0%，三级处理为71.4%，总去除率达到91.7%，二级和三级处理中都设置了双层平流沉淀池，三级处理设有高效沉淀池和超滤池，这也可以证明，高效沉淀、超滤等以物理作用为主的工艺对微塑料的去除发挥了主要作用。

多项研究证明，污水处理厂的运行负荷和水力停留时间会影响微塑料的去除率。AKARSU等[14]8发现土耳其3个污水处理厂2、8、11月微塑料去除率都明显降低，尤其是8月去除率最低，主要是因为夏季降雨增加，地表径流增大，污水处理厂运行负荷较大；LONG等[26]也发现出水中微塑料丰度与污水处理厂运行负荷正相关，超负荷运行会缩短水力停留时间，增加废水流速，降低絮凝、积聚及生物降解时间。刘俊勇等[23]3研究认为A2O水力停留时间高于CAST，使微塑料上积累了更多的微生物，导致微塑料的去除率更高；NGO等[6]5发现生长期的污泥絮凝物或细菌胞外聚合物会在微塑料表面生长和积累，导致微塑料质量增加，从而增强了沉淀过程中的去除效果。因此，合理的运行负荷及停留时间有利于微塑料的去除。

4 污水处理厂中微塑料的迁移和归宿分析

本研究39个污水处理厂微塑料的总平均去除率为82.41%，其中：一级处理平均去除率为53.15%，二级处理平均去除率为18.70%，三级处理平均去除率为10.56%，微塑料在整个污水处理厂中的基本迁移过程见图3。

图3 微塑料在污水处理厂中的迁移

污水处理厂中微塑料的最终归宿即出水和污泥。出水中仍有大量微塑料(17.59%)伴随着出水进入自然水体，因此只有提高污水处理厂微塑料的去除率，才能减少其最终进入自然水体的量。污泥是微塑料的主要归宿(82.41%)，因此其处理方式决定了微塑料进入陆地环境的途径和数量，目前主要处理方式包括填埋、焚烧、农业利用以及资源化利用。世界范围内污水处理厂产生的污泥主要用于农业生产，据估计污泥农用导致欧洲和北美的农田中每年分别会输入6.3万～43万、4.4万～30万t微塑料，这个量甚至超过了海洋表层水中微塑料的估算量[55-56]；基于前面分析的污泥中微塑料的丰度，估算出我国每年通过污水处理厂污泥进入环境的微塑料高达2.99×1014个。已有研究证实，连续施用污泥的土壤中微塑料丰度显著高于周围未施污泥的土壤[57]，塑料纤维在进入土壤很多年后仍然能够保持原有特征[58]；进入土壤的微塑料会导致土壤理化性质的改变，对植物生长和幼苗发育产生一定的抑制作用[59]，并且可以进入植物可食用部位[60-61]，最终通过食物链进入生态环境，对人类产生危害。2021年农业部明确规定污泥不能作为农用有机肥原料，此举可大大降低微塑料通过污泥农用进入食物链对生态环境和人类造成的危害，但是随着全国污水处理厂污泥产量的日益增长，污泥中微塑料的去除仍刻不容缓。CHEN等[62]采用超高温堆肥技术生物降解微塑料，降解率可达44%，污泥中微塑料降解等关键技术将成为解决微塑料污染问题的核心。

5 总结及展望

(1) 污水处理厂进水中微塑料的丰度受很多因素影响，包括污水处理厂服务区域人口密度、汇入的工业污水性质、农业生产情况、季节等，研究这些因素与污水处理厂进水中微塑料的种类、浓度、形态的关系，对于微塑料的源头污染控制具有一定的指导意义。

(2) 中国污水处理厂进水中微塑料的丰度明显高于欧洲国家，而污泥中微塑料的丰度低于欧洲国家，欧洲国家微塑料的总体去除率在90%以上，可见中国污水处理厂微塑料的去除率还有较大的提升空间。

(3) 国内外污水处理厂进水中PE、PET、PP类微塑料种类数量占比第一的情况居多。大部分污水处理厂中进水以纤维微塑料为主，而且它在出水中的比例更高，说明纤维微塑料较其他类型更难去除，因此减少纤维微塑料的产生以及研究去除纤维微塑料的关键技术也是未来的研究重点之一。

(4) 微塑料的去除效果受物理方法影响较大，受生物处理方法影响较小，主要是吸附、截留、絮凝、过滤、沉淀等物理作用发挥去除效能。MBR因结合了过滤、截留和捕获等多种物理功能，被大多数研究证明是微塑料去除率最高的三级处理工艺。

(5) 污水处理厂微塑料去除效果的影响因素较多，包括进水性质、水力负荷、工艺、停留时间等。建议检测进水中微塑料的类型、形态和含量；加入高效混凝沉淀池等物理工艺提高一级处理的微塑料去除率；在二级处理中调整优化水力负荷和停留时间；在三级处理中根据出水指标需求可考虑加入MBR等膜相关工艺。

(6) 随着污泥农用的禁止，微塑料通过污泥农用途径进入食物链的危害会有所降低，但是大量污泥中微塑料的去除仍然刻不容缓，超高温堆肥等技术的成功研发及应用将是未来解决污泥微塑料污染的重要途径之一。