十座饮用水处理厂及管网系统中微塑料（>2μm）的去除效能与机制解析

《npj Clean Water》：Microplastic removal across ten drinking water treatment facilities and distribution systems

本研究针对微塑料（MPs）在饮用水处理中的去除效能评估方法不一、可比性差的难题，系统评估了十座采用不同工艺（包括常规处理和超滤/微滤）的水厂对≥2μm MPs的去除效果。研究发现所有水厂均能实现>97.5%的高效去除，超滤（UF）表现尤为优异；MPs在管网中未显著增加，且传统水质参数（如浊度）与MP浓度无显著相关性。该研究为制定MPs监测指南及评估人体暴露风险提供了关键数据支撑。

　　

在当今社会，塑料制品无处不在，它们在使用和废弃过程中产生的微塑料（Microplastics, MPs）已成为全球性的新兴污染物。这些尺寸小于5毫米的塑料颗粒通过各种途径进入水环境，最终可能出现在我们的饮用水源中。饮用水中微塑料的存在不仅引起了公众的广泛担忧，也向水处理行业提出了新的技术挑战。更令人关切的是，尺寸较小的微塑料（尤其是<30μm的颗粒）被认为可能穿透人体肠道屏障，在体内迁移，从而带来潜在的健康风险。然而，目前关于饮用水处理工艺对微塑料去除效果的研究却面临着一个尴尬的局面：由于不同研究采用的采样、分离和分析方法千差万别，导致结果难以直接比较，无法为水处理实践提供统一、可靠的指导。

为了填补这一知识空白，由多伦多大学Robert C. Andrews教授团队领导的研究小组开展了一项规模空前的调查，系统评估了十座饮用水处理厂对微塑料的去除效能。这项发表在《npj Clean Water》上的研究不仅涵盖了从水源到用户水龙头的完整流程，还创新性地采用了标准化的采样和分析方法，为微塑料在饮用水系统中的行为提供了迄今为止最为全面和可靠的数据。

研究人员采用了多项关键技术方法开展本研究。他们使用封闭式在线过滤装置收集水样，有效避免了空气微塑料污染；通过芬顿氧化和酶消化（纤维素酶和胰蛋白酶）去除样品中的非塑料颗粒干扰；利用拉曼显微光谱对≥2μm的颗粒进行定量、粒径测量和聚合物类型鉴定；研究样本来自加拿大安大略省南部十座饮用水处理厂，涵盖多种水源（河流和湖泊）和处理工艺（常规处理和超滤/微滤高级处理）。

Microplastic Concentrations in Untreated Source Waters

对未处理水源水的分析显示，微塑料浓度存在显著的空间和时间变异性。来自同一水源但在不同日期采集的样品，其微塑料浓度可从2,521±64 MP/L变化至4,574±64 MP/L。湖泊水源的微塑料浓度通常比河流水源表现出更大的变异性且具有更高的最大值，这可能与湖泊作为微塑料“汇”的特性有关。研究还发现，微塑料浓度与总有机碳（TOC）呈显著负相关，但与浊度或总颗粒数无显著相关性，表明传统水质参数不能可靠预测水源水中的微塑料污染水平。

Microplastic Removal in Drinking Water Treatment Facilities

对处理厂出水浓度的分析表明，所有十座水厂均能有效去除微塑料。出厂水中的微塑料浓度从不可检出（设施G和H）到64±64 MP/L（设施C）不等。统计分析确认，从水源水到出厂水，微塑料浓度显著降低。特别值得注意的是，采用超滤（UF，孔径0.02μm）的水厂（G、H和I）其出厂水微塑料浓度显著低于采用微滤（MF，孔径0.1μm）或常规颗粒介质过滤的水厂。总去除率分析显示，常规处理厂（A-F）的去除率为98.7%至99.4%，微滤厂（J）为97.5%，而超滤厂（G、H和I）则达到99.3%至100%。超滤厂的去除率显著高于微滤厂和常规处理厂，这主要归因于其更小的膜孔径。

过滤过程（无论是颗粒介质过滤还是膜过滤）对微塑料去除的贡献最大，去除率从87.5%（设施B）到100%（设施G）不等。相比之下，混凝-絮凝-沉淀（CFS）过程并未表现出一致的微塑料去除效果，在某些设施中甚至出现了沉淀后微塑料浓度增加的情况。生物活性炭（BAC）、臭氧和紫外线（UV）消毒等工艺对微塑料的去除也没有表现出明显影响。

Impact of Particle Morphology, Size, and Plastic Polymer Type on Removal

在形态学方面，本研究发现在所有样品中，碎片是微塑料的主要形态（占93.1%），而纤维仅占6.9%，这一比例远低于先前的一些研究报告。这种差异可能与样品前处理过程中（芬顿氧化和酶消化）某些纤维的断裂有关。重要的是，从水源水到出厂水，碎片与纤维的相对比例没有发生明显变化，表明处理工艺对不同形态的微塑料没有选择性去除效应。

在粒径分布方面，研究发现81.1%±9.4%的微塑料小于20μm，50.6%±10.4%小于10μm。在部分水厂中，观察到>20μm颗粒的比例在处理后有所减少，但在其他水厂中则保持不变或增加。尤为重要的是，在所有的出厂水中，<20μm的微塑料占观察到的微塑料总量的75%以上，这表明以往只表征>20μm颗粒的研究可能无意中排除了饮用水中相当大一部分微塑料。

在聚合物类型方面，聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚酰胺（PA）和共聚物在所有样品中占主导地位，其中PP通常最为丰富（平均相对贡献为61.5±23.3%）。研究确认，无论是常规处理还是高级处理工艺，均未表现出对特定聚合物类型的选择性去除，这表明微塑料的去除机制可能与无机颗粒物类似，主要基于物理截留或吸附作用，而不受其化学组成的影响。

Microplastics in Distribution Systems

对管网系统的监测显示，出厂水与管网水中的微塑料浓度无统计学显著差异。管网输送距离与微塑料浓度变化之间也无显著相关性。同时，聚合物类型的相对丰度和粒径分布在出厂水和管网水中也相似。这些结果表明，在研究的管网段内，微塑料浓度没有显著增加，管道材料、水力停留时间等因素在本研究设置下未表现出明显影响。

Correlation with Surrogate Water Quality Parameters

相关性分析进一步证实，无论是水源水还是出厂水，微塑料浓度与传统水质参数（如浊度、总颗粒数、TOC）之间均无显著相关性。同样，总微塑料去除率与浊度、TOC或总颗粒数的去除率也无显著相关性。这一发现强调，要准确量化饮用水中的微塑料浓度、特定聚合物类型和粒径，必须实施专门的监测程序，而不能依赖传统水质参数作为替代指标。

本研究通过系统评估十座饮用水处理厂对微塑料的去除效能，得出了若干重要结论。首先，现有的饮用水处理工艺（包括常规处理和高级处理）能够高效去除（>97.5%）≥2μm的微塑料，其中超滤（UF）技术表现尤为优异。其次，粒径小于20μm的微塑料在出厂水中占主导地位，凸显了未来研究需要关注这一更小粒径范围的重要性。第三，处理工艺对微塑料的去除主要基于物理截留机制，而非化学组成，且不同形态（碎片与纤维）和聚合物类型的微塑料去除效率相似。第四，管网系统中未发现微塑料浓度的显著增加，表明处理后的饮用水在输送过程中能保持水质稳定。最后，也是极为重要的一点是，传统水质参数与微塑料浓度之间缺乏显著相关性，强调需要建立专门、标准的微塑料监测方法。

这项研究的发现对于饮用水安全保障具有深远意义。随着美国加利福尼亚州和新泽西州已立法要求监测饮用水中的微塑料，开发稳健、实用的评估方法变得尤为紧迫。本研究提供的全面数据可为未来法规和/或指南的制定和实施提供信息支持，帮助水处理行业更好地应对微塑料这一新兴挑战，最终保障公众饮水安全。