污水处理工艺对微塑料赋存特征的影响——以豫北四座污水处理厂为例

《Toxics》：Impacts of Wastewater Treatment Processes on the Occurrence Characteristics of Microplastics—Taking Four Wastewater Treatment Plants in Northern Henan Province as Examples

　　

作为一种新兴持久性污染物，微塑料（MPs）广泛存在于水环境中。污水处理厂（WWTPs）既是微塑料的重要汇，也是其释放源，其对微塑料的去除效率深刻影响水生态安全。为探究不同工艺配置对微塑料赋存特征及去除性能的影响，研究人员选取四座配备不同生物处理与深度处理工艺的城镇污水处理厂进行采样分析。采用密度浮选联合过氧化氢（H₂O₂）消解的方法提取微塑料，并利用体视显微镜和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对其形貌特征和聚合物组成进行鉴定。结果表明，不同处理工艺对微塑料的去除效率存在显著差异：在实际运行条件下，WWTP4的综合去除效率最高，达63.89%；其次为WWTP1（56.25%）和WWTP3（51.61%）；WWTP2的去除能力最弱，仅为28.12%。研究还发现，上述差异主要受生物吸附作用和深度过滤单元的影响。同时，碎片状和颗粒状微塑料的去除效率高于纤维状和薄膜状微塑料，而聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚四氟乙烯（PTFE）和聚丙烯（PP）等聚合物则较难被去除。较长的水力停留时间（HRT）以及稳定且充足的污泥停留时间（SRT）有利于促进微塑料与活性污泥的结合，而过度的曝气则会导致微塑料的破碎和再悬浮。优化运行参数并升级深度过滤设施，有助于加强对微塑料的调控与管理。该研究为减少城镇污水处理厂微塑料的排放提供了理论依据。

**论文解读：污水处理工艺对微塑料赋存特征的影响——以豫北四座污水处理厂为例**

**一、研究背景与科学问题**

微塑料（MPs）通常指粒径小于5 mm的塑料颗粒。作为一类新兴持久性污染物，MPs广泛分布于海洋、河流、湖泊及地下水等水环境中。由于其粒径微小、化学稳定性高、迁移能力强且具有潜在生物累积性，MPs不仅可通过生物摄食、污染物吸附和物理堵塞等途径破坏水生生态系统的结构与功能，还可经食物链传递对人体健康构成潜在威胁。污水处理厂（WWTPs）作为环境微塑料迁移转化的重要节点，一方面通过物理拦截、生物吸附和沉降作用截留并去除MPs；另一方面，残留在出水及剩余污泥中的MPs仍可能在污泥处置过程中进入自然水体或农田土壤，造成二次污染。

已有研究多聚焦于单一城镇污水处理系统中MPs的赋存特征和去除效率，例如上海大型市政污水处理厂进出水MPs丰度介于171.89~226.27 n·L?1，平均总去除率约60%；而部分乡镇污水处理厂的MPs去除率仅为18.8%~54.4%。不同处理工艺段对MPs的去除贡献存在差异：一级处理设施可去除40%~60%的MPs，二级生物处理单元可再去除残余MPs的20%~40%，而三级深度处理贡献有限。尽管已有研究为理解城镇污水处理厂中MPs的分布与去除机制奠定了基础，但针对典型区域污水处理厂在不同工艺路线下MPs污染特征的系统性研究仍较为缺乏。基于此，研究人员选取豫北地区四座污水收集来源相似但处理工艺路线存在差异的城镇污水处理厂作为研究对象，系统探讨不同处理工艺对MPs赋存特征和去除机制的影响，以期为优化运行参数、提升MPs去除效率及减少环境MPs排放提供科学支撑。

**二、研究方法概述**

研究人员选取位于河南省北部地区的四座城镇污水处理厂（WWTP1~WWTP4），均以处理城镇生活污水为主，但生物处理和深度处理工艺配置存在差异：WWTP1采用卡鲁塞尔氧化沟工艺，WWTP4采用序批式CASS工艺，WWTP2和WWTP3分别采用SPND生化池和一体化生化池工艺，深度处理单元涵盖深床滤池、纤维转盘滤池及臭氧消毒等配置。样品于2024年10月至11月采集，每月4次，每个监测点最终数据为8次测量的平均值。微塑料提取采用饱和氯化钠溶液（ρ=1.2 g/cm3）密度浮选法联合30% H?O?消解（60 °C、24 h），经真空抽滤后使用体视显微镜（100×）进行丰度（n·L?1）、形状、颜色和粒径的计数与记录，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）仪（iN10 MX型）在675~4000 cm?1波数范围内鉴定聚合物类型，当匹配度超过60%时确定聚合物种类。水质指标（COD、TN、NH?-N、TP）由各污水处理厂依据国家标准方法提供。实验全程实施严格质量控制，包括使用非塑料容器、空白对照实验校正背景污染及全滤膜扫描以避免分布不均带来的分析误差。

**三、主要研究结果**

**3.1 聚合物组分鉴定**

通过FTIR光谱分析，四座污水处理厂各工艺单元中MPs颗粒占总计数颗粒的比例分别为88.00%（WWTP1）、90.91%（WWTP2）、87.25%（WWTP3）和80.83%（WWTP4）。共检出13种不同的MPs聚合物类型。出水MPs的聚合物组成在四座污水处理厂间差异显著：WWTP1出水以聚乙烯醇（PVA，29.5%）为主，其次为聚苯乙烯（PS，17.8%）和聚四氟乙烯（PTFE，13.2%）；WWTP2中PS占比极高（41.8%），其次为PVA（11.9%）和聚氯乙烯（PVC，10.4%）；WWTP3以PS（28.6%）和PVA（25.0%）为主，另有PVC（14.3%）和聚丙烯（PP，10.7%）；WWTP4聚合物分布较为均衡，PVA和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）各占17.9%，另有PS（16.4%）和聚乙烯（PE，14.9%）。总体而言，PVA、PS、PET和PVC是四座污水处理厂出水MPs的主要聚合物类型。这一分布差异主要受进水污染源组成和聚合物固有物理化学性质影响：PVA强亲水性及部分水溶性使其难以被常规沉淀和过滤单元完全截留；PS密度低、浮力大，在水力剪切下易碎裂为细颗粒；PET、PVC和PTFE化学惰性高，生物处理阶段难以降解转化。

**3.2 各工艺单元微塑料丰度与去除效率**

研究揭示了污水处理过程中MPs的去除依赖于生物处理单元与深度处理单元的协同作用，生物处理是MPs截留的基础阶段，深度处理则是提升总去除效率的关键把关环节。以WWTP1为例，经格栅后MPs丰度为480 n·L?1，经厌氧区（430 n·L?1）和好氧区（420 n·L?1）处理后累积去除效率升至12.5%。WWTP3的一体化生化池在好氧区表现出优异的MPs去除能力，MPs丰度从厌氧出水的280 n·L?1急剧降至150 n·L?1，去除效率达51.6%，表明好氧环境在增强MPs截留方面的核心作用。WWTP2的SPND生化池对MPs去除贡献中等，总生物去除效率为21.9%，可能与其进水中低密度、易浮的PS占比高有关。在深度处理阶段，WWTP4（CASS工艺）经好氧处理后MPs丰度为200 n·L?1，经二沉池、混合反应沉淀和反硝化深床滤池处理后降至130 n·L?1，总去除效率由44.4%提升至72.2%，深床滤池对截留残余细颗粒MPs起主导作用。WWTP1的深度处理将总去除率从12.5%提升至56.3%，纤维转盘滤池通过物理筛分和表面吸附增强了MPs去除。然而，WWTP3的深度处理未能进一步降低MPs丰度，可能与磁混凝和转鼓过滤机运行中水力剪切增强引发的MPs二次释放和再悬浮有关；WWTP2的深度处理仅将总去除效率从21.9%提升至28.12%，进一步验证了进水聚合物特征对后续处理性能的调控作用。

**3.3 不同工艺对各类形状微塑料的去除性能**

微塑料的形貌特征显著影响其去除行为。纤维状MPs主要通过污泥吸附和深度过滤设施中的物理截留被去除。配置CASS工艺耦合深床滤池的WWTP4实现了59.3%的纤维去除效率，而WWTP2因截留能力不足仅获得8%的纤维去除率；WWTP3中水力扰动和滤池反冲洗引发了纤维状MPs的再悬浮。高密度碎片状MPs倾向于通过重力沉降去除，WWTP1（卡鲁塞尔氧化沟+转盘滤池）实现了83.3%的碎片去除效率；尽管WWTP2和WWTP3发生曝气诱导的颗粒再悬浮，其深度处理设施仍截留了大部分碎片状MPs，WWTP4深床滤池对残余碎片实现了75%的去除。低浮力薄膜状MPs难以在常规生物处理系统中独立沉降，WWTP1~WWTP3通过混凝或深床过滤实现了薄膜状MPs的完全去除；然而WWTP4因进水浓度波动和滤层堵塞，薄膜状MPs未观察到明显去除——超薄膜颗粒在高流速下易于穿透滤层。总体而言，碎片和颗粒主要在二沉池中被去除，而纤维和薄膜则依赖强化混凝和深度过滤实现有效去除。

**3.4 不同工艺对各类颜色微塑料的去除性能**

MPs颜色差异反映了其来源特征和密度差异，进而影响去除效率。深色MPs方面，蓝色MPs在WWTP3中通过污泥吸附和后续深度过滤实现了约90%的最高去除效率；黑色MPs因密度较高、沉降性能良好，在四座污水处理厂中均保持稳定去除，其中WWTP1和WWTP2的去除效率超过50%。浅色MPs表现出明显的工艺依赖性差异：源自包装材料的低密度、易浮黄色MPs在WWTP3和WWTP4中实现近完全去除，但WWTP1和WWTP2仅获得30%的去除效率，凸显了深度过滤对此类MPs不可或缺的作用；透明MPs在WWTP1中达到80%去除率，但曝气剪切力在WWTP2和WWTP3的好氧区诱导其破碎和累积；含化学稳定工业染料的红/紫色MPs在水力扰动下易于再悬浮，在WWTP3和WWTP4中甚至出现净释放现象。研究表明，致密深色MPs主要通过生物沉降去除，而低密度浅色MPs易碎且需依赖深度处理的物理筛分与过滤实现有效消除。

**3.5 不同工艺对各类粒径微塑料的去除性能**

MPs粒径是控制其去除行为的核心因素之一。细粒径MPs（<0.5 mm）在所有水样中占主导地位且最难截留：WWTP3通过好氧絮凝结合深床过滤实现了约90%的去除效率，而WWTP1和WWTP2对细粒径MPs的截留能力较弱，WWTP4中污泥回流引发了小颗粒浓度的再悬浮和升高。中粒径MPs（0.5~1 mm）呈现类似趋势，WWTP1~WWTP3通过沉淀和过滤获得良好去除，WWTP4去除效率较低。大粒径MPs（1~1.5 mm）在WWTP3和WWTP4中几乎被完全去除，但曝气诱导的破碎导致其在WWTP1和WWTP2好氧区出现浓度波动。超大粒径MPs（>1.5 mm）易于在二沉池沉降，WWTP1实现了优异去除，WWTP2和WWTP3生物阶段的不稳定浓度变化被后续深度处理所抵消。细粒径MPs（<0.5 mm）因其占比高、迁移能力强，应作为优先控制对象，其去除高度依赖深度过滤和强化絮凝措施；大粒径MPs（>1 mm）虽易于沉降但面临曝气剪切下的破碎风险，仍需优化曝气强度与过滤器运行参数以避免MPs二次释放。

**3.6 工艺运行参数对微塑料去除效率的影响**

进水水质分析显示，四座污水处理厂的污染负荷存在显著差异。WWTP3的NH?-N浓度最高（26.1 mg/L），高氨氮环境降低了絮体密实度，削弱了对MPs的吸附和沉降效率；WWTP2的TP浓度最高（4.37 mg/L），过量磷可能引发污泥膨胀，损害污泥沉降性能；所有进水pH介于7.18~8.0之间，WWTP1 pH最稳定，WWTP3波动明显（标准误=0.6），pH变化影响微生物代谢和胞外聚合物（EPS）分泌，进而影响MPs絮凝和包裹效率。归一化雷达图显示，WWTP4在NH?-N、TN和TP方面均呈现较高归一化值且整体波动温和，水质组成均衡，为活性污泥系统创造了相对稳定的运行环境，有利于形成密实污泥絮体并提升对MPs的生物吸附和沉降能力，这与其63.89%的最高总MPs去除效率相对应。WWTP2的TP和TN波动较大，进水条件不稳定破坏了污泥沉降性能，与其较低的MPs去除效率（28.12%）相符。WWTP3承受最高氨氮负荷且多项水质指标波动明显，频繁的污染物负荷冲击损害污泥絮体结构并引发吸附态MPs的再悬浮或二次释放。

**3.7 不同处理工艺间微塑料去除性能差异的机制分析**

综合四座污水处理厂中不同聚合物类型、颜色和粒径MPs的迁移与去除行为可知，MPs去除受其自身物理化学性质与污水处理系统运行条件的协同调控。化学稳定性高、疏水性强或密度低的聚合物（如PS、PTFE、PP）在常规生物处理单元中表现出较强的穿透性，去除效率普遍低于密度大且与污泥结合亲和力强的高密度聚合物。低密度聚合物易漂浮且对水力扰动敏感，降低了其沉降和吸附概率。深色MPs通常因密度较高、与污泥絮体亲和力强而获得比浅色MPs更高的去除效率；浅色MPs在曝气剪切力下易破碎为细颗粒，进一步增加了截留难度。粒径方面呈现去除效率随粒径增大而升高的普遍趋势，细粒径MPs对生物絮凝和初沉响应弱，其去除严重依赖深度处理单元的物理截留能力；大粒径MPs因密度高、沉降性能佳可在生物处理阶段实现高去除率，但面临高强度曝气下的破碎风险。深度处理单元作为强化截留屏障，对细粒径MPs的去除起决定性把关作用：基于过滤原理的深度处理技术（如纤维转盘滤池、深床滤池）相比仅依赖沉淀的工艺，对细粒径MPs实现了更优的物理截留效果。

**四、总结与结论**

研究结果表明，不同工艺配置下四座污水处理厂的MPs综合去除性能存在明显差异，该差异受生物吸附作用与深度过滤单元协同调控。去除效率受MPs形状、颜色、粒径和聚合物类型影响显著，碎片状和颗粒状MPs的去除效率高于纤维状和薄膜状，深色致密MPs比浅色低密度MPs更易去除，粒径越大去除效率越高，而PVC、PS、PTFE和PP等聚合物表现出较强的抗去除性。稳定且均衡的进水水质、较长HRT及稳定充足的SRT有利于增强MPs与活性污泥的结合，过度曝气则会诱导MPs破碎和再悬浮。工艺运行参数的优化与深度过滤设施的升级是提升MPs去除效率的关键路径。研究结论如下：WWTP4（CASS工艺+反硝化深床滤池）通过生物处理与深床过滤的联合作用实现了63.89%的最高总MPs去除效率，在去除碎片状、大粒径及部分纤维状MPs方面显示出显著优势；WWTP1依托稳定运行和纤维转盘滤池的强化截留呈现良好的综合去除性能；WWTP3在好氧池中实现了对细粒径MPs的出色去除，但受进水水质不稳定和深度处理能力有限的影响，总体性能逊于WWTP4；WWTP2受高磷负荷和剧烈水质波动制约，总MPs去除效率最低（28.12%）。上述结果证实，稳定生物处理耦合高效深度过滤的组合系统是当前城镇污水处理条件下控制微塑料排放的有效策略，与已有研究中深床滤池和精细过滤对强化微塑料去除具有优势的结论一致。