中试规模过滤系统对饮用水中微塑料的截留效能评估及其环境健康意义

本研究针对地下水作为饮用水源中新兴污染物微塑料（MPs）的去除难题，评估了四种过滤介质（沙与无烟煤、锰氧化物涂层沸石、单层膨胀粘土及多层膨胀粘土）在不同流速（8、10、12 m/h）下的截留效能。结果表明，所有介质对MPs的整体去除率均超过74%，其中涂层沸石和单层膨胀粘土在10 m/h流速下去除率高达94%和98%，能有效将MPs浓度降至60.32–73.72 MPs/m3。该研究为饮用水处理厂（DWTPs）优化过滤工艺提供了关键数据，对保障饮用水安全及应对欧盟2024/1441指令具有重要实践意义。

　　

随着塑料制品在全球范围内的广泛使用，一种新型污染物——微塑料（Microplastics, MPs）逐渐成为环境和健康领域关注的焦点。这些尺寸小于5毫米的塑料颗粒不仅难以降解，还能吸附环境中的有毒物质，甚至通过饮用水进入人体，潜在危害生态系统和公众健康。尽管地表水中的微塑料污染已得到较多研究，但地下水作为重要饮用水源，其微塑料污染情况及处理技术仍缺乏系统评估。特别是在气候变化背景下，干旱和降雨事件可能进一步影响微塑料在水体中的迁移和浓度波动，使得这一问题愈加复杂。

欧盟最新颁布的指令（2024/1441）明确要求监控饮用水中的微塑料污染，然而目前大多数传统水处理工艺并非专为去除微塑料而设计，其去除效率差异较大（约40%–90%）。因此，开发高效、稳定的过滤技术，并评估其在真实环境下的表现，成为当前研究的重要方向。在这一背景下，来自西班牙加迪斯大学的研究团队开展了一项中试规模的研究，成果发表在《Journal of Hazardous Materials》上，为应对上述挑战提供了重要数据和解决方案。

本研究团队搭建了一套中试过滤系统，包含四个并联的过滤柱，分别填充不同介质：沙与无烟煤（F1）、锰氧化物涂层沸石（F2）、单层膨胀粘土（F3）及多层膨胀粘土（F4）。实验在8、10、12 m/h三种流速下运行，采集并分析进出水中的微塑料浓度。样品预处理采用湿式过氧化物氧化（WPO）去除有机物，再经氯化锌密度分离富集微塑料，最终通过微傅里叶变换红外光谱（Micro-FTIR）进行定性与定量分析，并结合siMPle软件进行物理形态分类。所有操作均严格遵循质量控制流程，包括环境空白与程序空白的设置，以降低背景污染。

研究结果显示， raw groundwater（原水）中微塑料浓度介于718.08–1235.09 MPs/m3之间，以纤维状颗粒为主（占比超80%），主要聚合物为聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）。经过滤处理后，所有介质在不同流速下均表现出较高的去除效率（74%–98%），其中F2（涂层沸石）和F3（单层膨胀粘土）在10 m/h流速时效果最优，去除率分别达94%和98%，出水中微塑料浓度显著降低。

3.1. 污染控制与质量保证：实验过程中高度重视背景污染控制，发现纤维是主要污染源，占68%。通过空白试验计算出碎片与纤维的检测限（LOD）分别为26 MP和58 MP，确保了数据的可靠性。

3.2. 微塑料截留效率评估：F2和F3表现出最优且稳定的去除性能，尤其在较高流速下仍保持高效，而F1（沙与无烟煤）和F4（多层膨胀粘土）则在不同流速下效率波动较大。统计分析（ANOVA）表明，流速对去除效率有显著影响（P<0.05），而过滤器类型及交互作用则不显著。

3.3. 微塑料类型分析：共检出14种塑料材质，其中PP和PE占主导，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）和聚乙烯醇（PVA）等检出率较低。值得注意的是，聚氯乙烯（PVC）仅在出水中检出，推测源自实验设备本身，提示管网材料可能成为微塑料的二次污染源。

3.4. 微塑料尺寸与形状：大于100微米的颗粒在原水中占比最高（38%–44%），各过滤器对不同尺寸颗粒的截留效率存在差异，例如F3对较大颗粒（>100 μm）去除效果极佳，而F1更擅长去除20–45 μm的细小颗粒。形态上，纤维占比极高，这为过滤工艺带来了特殊挑战。

3.5. 统计分析：通过双因素方差分析证实，流速是影响微塑料去除效果的显著因素，而过滤器类型及其与流速的交互作用则未呈现统计学意义。

本研究系统评估了四种过滤介质对地下水中微塑料的截留效能，证实了涂层沸石和单层膨胀粘土在10 m/h流速下具有最优且稳定的去除性能（>94%）。这一发现不仅为饮用水处理厂工艺优化提供了直接依据，也呼应了欧盟对微塑料管控的法规要求。此外，研究揭示了流速操作参数对过滤效率的重要性，以及地下水微塑料污染的高度变异性，强调在实际应用中需结合本地水质特征调整工艺。尽管纤维污染和背景控制仍是分析过程中的主要挑战，但本研究通过严谨的质量保证措施，为未来微塑料研究提供了方法论范本。总体而言，该成果推进了微塑料在环境中的行为理解，并为制定更有效的饮用水处理策略奠定了科学基础，对公共健康和环境保护具有长远意义。