中国典型城市污水处理厂出水中的微塑料及塑料添加剂的存在情况、排放量与风险

《Journal of Hazardous Materials》：Occurrence, emissions, and risks of microplastics and plastic additives from typical municipal wastewater treatment plants effluents in China

　　

摘要

城市污水处理厂是微塑料、塑料添加剂及其他相关污染物进入水体的重要途径，但目前这些污染物在广阔地理区域内的污染状况及风险仍缺乏有效控制。本研究调查了中国31个省级行政区46家典型污水处理厂出水中的微塑料和塑料添加剂情况。所有样本的出水均含有微塑料，含量为6.0–589.0件/升，其中以碎片为主，95.6%的微塑料尺寸小于1毫米，聚苯乙烯是最常见的聚合物类型。全国范围内的微塑料年排放量约为2.35×101?件/年，相当于552年的排放量，且排放量与服务人口规模呈正相关。此外还检测到了64种塑料添加剂及相关污染物，其总有机浓度为799.54–5534.19纳克/升，其中双酚类、邻苯二甲酸酯类和有机磷酸酯类占有机污染物的58.9%、26.5%和11.4%。有机污染风险主要由双酚类物质引发，部分地区的锌含量过高则增加了金属相关的污染风险。微塑料与添加剂之间存在特定的共现模式，表明可能存在共同暴露风险。通过结合CRITIC模型评估结果与专家判断权重得出的生态风险指数显示，所有研究点的风险均为中高程度。这些研究结果为了解典型污水处理厂中的微塑料、塑料添加剂及相关污染物的分布情况提供了重要依据，也为其综合管理提供了参考。

引言

微塑料污染已成为全球范围内备受关注的环境问题。这类污染物可通过城市径流、大气传输以及污水排放等多种途径进入水体，对生态系统和人类健康构成威胁[1]、[2]。[3]、[4] 污水处理厂是水资源循环中的关键环节，也是微塑料进入水体的重要通道[5]。根据最新统计，截至2024年底，中国共有约4950座城市和县级污水处理厂，每年处理的污水量超过800亿立方米。而污水中的微塑料难以被完全去除[6]，因此会随污水排入自然水体，威胁水生生态安全。因此，准确掌握污水处理厂出水中微塑料的排放特征对于控制微塑料污染至关重要。2022年，高等人[7]对中国贵阳6家污水处理厂的出水进行了检测，发现其中的微塑料含量为3.1–8.8件/升，据此估算中国污水处理厂出水的微塑料年排放量为2995.7件/年。2021年对陕西省48家污水处理厂的研究显示，其出水中的微塑料含量在0.9–40.9件/升之间[8]。另有研究探讨了微塑料在污水处理过程中的迁移与变化情况，发现微塑料主要在二级和三级处理阶段被去除，去除效率可达90%[8]、[9]、[10]、[11]。2018年对韩国50家污水处理厂的调查则显示，其出水中的微塑料浓度为0.004–0.51件/升[12]。目前大多数研究仅局限于特定地区或针对某种特定的处理工艺对微塑料的去除效果，而从全国范围、多地区角度出发，系统研究污水处理厂出水中微塑料的排放特征及其环境影响的文献仍然较少。

塑料添加剂是在塑料制造过程中为改善塑料的柔韧性、耐热性、抗老化性能等而有意添加的化学物质[13]。常见的塑料添加剂包括邻苯二甲酸酯类、有机磷酸酯类、双酚类，以及一些金属基稳定剂或颜料。此外，微塑料还能吸附来自各种来源的有机污染物，如多环芳烃和多氯联苯，从而充当污染物的载体。因此在迁移和转化过程中，微塑料往往会释放或携带多种污染物。有研究指出，塑料添加剂会从塑料中渗出到环境中，进一步加剧微塑料的负面影响[14]、[15]。李等人研究了一次性餐具中的双酚B、双酚D和邻苯二甲酸二丁酯向饮用水中的迁移情况[16]，检测结果显示，这两种物质的渗出浓度分别为10.13微克/升和5.83微克/升，均超过了我国《生活饮用水卫生标准》（GB 5749–2006）规定的限值，即双酚D的限值为8微克/升，邻苯二甲酸二丁酯的限值为3微克/升。污水处理厂出水也是塑料添加剂进入自然水体的重要来源。2009年，一项在西班牙某大型城市污水处理厂进行的研究发现，该厂出水中存在微塑料与塑料添加剂、邻苯二甲酸酯、多氯联苯和多环芳烃等污染物的共存现象，其中出水中的邻苯二甲酸酯浓度高达60.7纳克/升[17]。

微塑料带来的环境风险早已得到广泛认可。一旦被生物摄入，微塑料会在多个生物学层面造成不良影响[17]、[18]。这些危害既源于微塑料本身的机械磨损作用，也源于其所携带的有毒污染物的化学毒性[19]。污水处理厂出水中的微塑料通常体积较小、表面磨损严重且易被生物吸收；当这些微塑料进入自然水体后，更容易被水生生物摄入，进而可能引发生物毒性[1]、[20]。潜在生态风险指数是一种常用的评估微塑料生态风险的模型[21]、[22]。虽然该模型同时考虑了微塑料的浓度和不同聚合物的特定危害值，但并未考虑颗粒形态可能带来的影响[18]、[23]、[24]。在此基础上，常等人[25]提出了多特征潜在生态风险指数，该指数结合了微塑料的形态特征和聚合物的毒性，用于评估水体中微塑料的生态风险。不过，该指数仍仅针对微塑料本身，未能考虑塑料添加剂、与塑料相关的有机污染物以及金属/类金属等共存的其他化学物质带来的影响。对于污水处理厂出水而言，这一局限性尤为重要，因为其中的微塑料会与多种有机和无机污染物一同被排放，这些污染物可能在迁移和转化过程中发生相互作用，从而导致生物面临共同暴露的风险[26]、[27]、[28]，进而给水生生物带来物理损伤和化学毒性双重威胁。因此，本研究结合CRITIC模型得出的客观权重与专家判断，全面评估了微塑料及其相关污染物的生态风险。这种混合评估方法既避免了单纯依赖主观权重带来的随意性，又保持了评估结果与毒理学规律及环境管理需求的关联性。尽管此前已有研究探讨过微塑料的存在、添加剂的渗出以及化学毒性等问题[29]，但很少有研究能在全国范围内同时分析污水处理厂出水中微塑料、多种类别的添加剂以及与塑料相关的污染物的情况，对其共现规律和综合生态风险的了解更为有限。为填补这一空白，本研究开展了综合风险评估，旨在识别风险较高的区域，为污水处理厂出水中微塑料及相关化学污染物的综合管理提供科学依据。

本研究从中国31个省级行政区中选择了46家典型的污水处理厂作为研究对象，确保每个省、自治区、直辖市都至少有一个采样点，且所选污水处理厂在处理能力、处理工艺和服务人口规模方面具有多样性。我们系统分析了这些污水处理厂出水中微塑料的丰度、质量浓度、形态和聚合物组成，以及塑料相关化学物质和金属/类金属的污染水平。同时，我们还估算了微塑料的年排放量，并建立了综合生态风险指数，用于评估微塑料及其添加剂的综合环境风险。这些研究结果为控制污水处理厂出水中微塑料和塑料添加剂的污染提供了科学依据。

内容节选

采样地点与样品采集

为实现对中国各地城市污水处理厂出水的全面覆盖，本研究选取了全国31个省级行政区中的46家污水处理厂作为研究样本（见图S1）。在采样设计上，首先确保每个省级行政区都至少有一家污水处理厂被纳入研究范围。在此基础上，进一步挑选不同处理能力、处理工艺和服务人口规模的污水处理厂作为样本。在这46家污水处理厂中，有50%的污水处理厂的处理能力为

污水处理厂出水中的微塑料丰度

所有污水处理厂的出水样本中都检测到了微塑料（见图1a），其丰度在6.0–589.0件/升之间，平均值为55.0件/升，中位数为26.5件/升。将微塑料的质量换算后，中国污水处理厂出水中微塑料的质量浓度在7.3×10??至2.3×10?1克/立方米之间，平均值为2.1×10?2克/立方米（见图1b）。微塑料的丰度与质量浓度之间存在显著的正相关关系（R2=0.70，p<0.01），这说明污水处理厂出水中的微塑料

结论

通过对中国31个省46家典型污水处理厂出水的系统研究，本研究揭示了微塑料和塑料添加剂的共同污染特征及生态风险。这些污水处理厂的出水普遍存在微塑料，其丰度在6.0–589.0件/升之间，平均值为55.0件/升。这些微塑料以碎片和小于1毫米的颗粒为主，其中聚苯乙烯是最常见的聚合物类型。全国范围内的微塑料年排放量约为

研究意义说明

城市污水处理厂出水是微塑料和塑料添加剂进入水体的重要途径。本研究提供了中国范围内微塑料存在情况、排放量、共现现象以及潜在生态风险的相关证据。研究结果表明，经过处理的污水中仍含有多种塑料相关污染物，需要加强对其的系统性监测，尤其是当综合考虑微塑料、有机添加剂和金属污染物时。这些研究结果有望为

作者贡献说明

王立章：负责原始稿撰写、方法设计、数据收集与研究构思。刘建超：负责稿件审阅与编辑、资源协调以及数据整理工作。李一平：负责稿件审阅与编辑、项目管理以及方法研究。陈乐：负责稿件审阅与编辑、研究构思工作。卢光华：负责稿件审阅与编辑、数据整理工作。侯军：负责稿件审阅与编辑以及数据可视化工作。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了国家关键技术研究发展计划（项目编号：2023YFC3208901）、国家自然科学基金（项目编号：U23A2058）以及西藏自治区科学技术计划（项目编号：XZ202501ZY0015）的支持。

Lizhang Wang|Jianchao Liu|Le Chen|Yiping Li|Jun Hou|Guanghua Lu

中国南京210098，河海大学环境学院，水循环与水安全国家重点实验室