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专业术语翻译摘要
本文对饮用水及其生产所用天然水源中微塑料与纳米塑料（MNPs）的赋存状况与性质，以及饮用水处理厂（DWTPs）各处理单元对其去除效果进行了文献综述。多种类型的MNPs存在于进入DWTPs的原水中。供给DWTPs的淡水水源中MNPs浓度变化显著
专业术语翻译摘要
本文对饮用水及其生产所用天然水源中微塑料与纳米塑料（MNPs）的赋存状况与性质，以及饮用水处理厂（DWTPs）各处理单元对其去除效果进行了文献综述。多种类型的MNPs存在于进入DWTPs的原水中。供给DWTPs的淡水水源中MNPs浓度变化显著，约从0至数千个颗粒/升不等。用于饮用水生产的水源（包括海水、河水甚至地下水）中，这些污染物的最常见形态为纤维（fibers）、碎片（fragments）、薄膜（film）、泡沫（foam）和颗粒（granules）。原水中检出的MNPs聚合物类型反映了塑料生产量及聚合物密度。研究表明，在原水净化及输送至DWTPs的过程中，MNPs会释放进入处理水中。研究显示，常规/典型DWTPs处理系统对MNPs的去除效果不佳，因此自来水和瓶装水中均存在MNPs，浓度范围从数个至数千个颗粒/升不等。MNPs对人体健康构成新的风险，必须考虑暴露途径、毒理学数据及不良健康影响的可能性。饮用水是MNPs暴露的主要途径之一，尽管关于其对人体不良影响的数据仍有限，但研究已表明其具有毒性效应。此外，MNPs作为其他毒素（如添加至塑料或吸附于塑料表面的化学物质）的载体，构成了另一项挑战。未来研究需求包括：（i）地表水、地下水及饮用水中MNPs的定量测定与表征（尺寸、形状、聚合物组成）应成为各类水质监测计划的重要组成部分；（ii）研究可用于水处理的各种单元工艺对MNPs的去除效果，并开发去除MNPs的新工艺；（iii）消除一次性塑料制品，制定合理的塑料回收规则，并加大开发可替代塑料的可生物降解材料的力度。
论文主体内容专业总结
1. 引言
塑料因其弹性、韧性、柔韧性、低密度、耐久性、易加工性、耐腐蚀性和低成本等特性，已广泛替代玻璃和金属，用于包装、建筑、交通、医药、农业、电信、家具和纺织等行业。2024年全球塑料产量达4.309亿吨，其中回收塑料占15.4%，生物基塑料占1.5%。环境中的塑料制品经物理、化学和生物降解作用形成微塑料（MPs，尺寸范围为5 mm至1 μm）和纳米塑料（NPs，尺寸小于1 μm）。MNPs按来源分为原生和次生两类：原生MNPs主要存在于药物、个人护理产品、磨料和3D打印粉末中；次生MNPs则由塑料袋、瓶子和轮胎等较大塑料制品经降解产生。MNPs具有大比表面积和疏水特性，可作为重金属、药物、多环芳烃（PAHs）、多溴联苯醚（PBDEs）和农药等有毒污染物的载体。MNPs进入淡水环境的主要途径包括：经处理和未经处理的工业及市政废水、道路和农田地表径流、大气沉降以及下水道溢流。此外，塑料垃圾填埋场产生的含微塑料有毒渗滤液会渗入土壤、地下水和地表水。
2. 饮用水处理厂（DWTPs）供水水源
地表水和地下水是农业、工业和人类消费的主要水源，海水淡化也被用于饮用水生产。进入DWTPs的原水含有多种污染物，包括MNPs。地下水中MNPs含量通常低于地表水。废水处理厂（WWTPs）虽可去除大量MNPs（72%至98%），但处理后的废水中仍含有显著数量的MNPs；废水污泥用于农业时，MNPs会进入地表水和地下水。原水中MNPs的聚合物组成与全球塑料产量一致，主导聚合物类型为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET，一般占55–68%），其次为聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）。原水中MNPs的最常见形态为纤维、球体、碎片和薄膜，其中碎片占主导。研究表明，水库原水中碎片占所有MNPs的71–76%，河流原水中碎片占42–48%，纤维占37–61%。淡水环境中MNPs浓度变化显著，从约0至103颗粒/L不等，部分研究报道高达6614颗粒/L。这些差异取决于水源类型和来源、方法学条件、邻近区域人口密度和活动、塑料废物的存在和碎裂程度等因素。目前尚无MNPs分析的标准方法，各研究结果之间缺乏可比性。现有研究多聚焦于大于1 μm的颗粒，1–5 μm尺寸范围的MNPs占检测总量的54.6–58.0%。
3. 饮用水处理厂（DWTPs）中MNPs的去除
DWTPs通常通过混凝—絮凝—沉淀—砂滤—消毒等工艺去除污染物。由于MNPs与固体颗粒具有相似的尺寸、密度和表面电荷等性质，常规处理工艺可在一定程度上去除MNPs，但去除效率因工艺配置而异。混凝/絮凝加砂滤工艺的MNPs去除率为40–70%；在此基础上增加臭氧氧化和颗粒活性炭（GAC）过滤后，去除效率可超过80%；混凝/絮凝—脉冲澄清—砂滤和膜过滤工艺对含约18颗粒/L原水的MNPs去除率达84.6%。西班牙巴塞罗那的DWTPs采用深度处理系统，MNPs去除效率高达98.3%。值得注意的是，某些处理工艺可能导致处理水中MNPs浓度增加：混凝/絮凝/沉淀过程可使MNPs浓度增加114%，且新产生的MNPs化学组成不同于原水，如聚四氟乙烯（PTFE）和环氧树脂；聚合物膜也可能向处理水中迁移形成MNPs。
3.1 混凝、絮凝和沉淀
混凝/絮凝是饮用水处理中几乎普遍采用的方法，通过添加铝盐和铁盐使有机和无机固体及胶体结合成絮体，再经沉淀/气浮和过滤去除。溶解空气气浮（DAF）对密度低于水的MNPs和固体悬浮物去除有效，改进的DAF工艺可100%去除大于15 μm的MPs。研究表明，混凝/絮凝/沉淀（CFS）工艺对MNPs的去除率为40.4–61.5%。聚合氯化铝（PACl）对聚苯乙烯（PS）和PE的去除效果优于FeCl?·6H?O，PS去除率分别约为78%和64%，PE约为30%和17%。添加聚丙烯酰胺（PAM）可将PE去除效率提高至50–90%。MNPs的形状影响CFS去除效率，纤维状固体通常比其他形状更易被去除，这与纤维状MNPs通常为密度较高的聚合物（如尼龙1.15 g/cm3、PES 1.38 g/cm3、CA 1.30 g/cm3或PET 1.38 g/cm3）有关。小于10 μm的MNPs因与絮体结合力较弱而难以通过CFS去除。pH值高于7–9时形成较大絮体，有利于MNPs的捕获和沉降。天然有机物质（NOM）的存在可促进或阻碍MNPs的聚集和沉降。电絮凝通过电流原位生成Fe3?或Al3?离子，与污染物（包括MNPs）相互作用形成可通过沉降或过滤去除的较大颗粒或微絮体，去除效率超过90%，在pH 7.5时可达99.2%，可去除0.1至100 μm范围内的MNPs。
3.2 过滤
3.2.1 经典过滤
砂滤（CF）、快速砂滤（RSF）和颗粒活性炭（GAC）过滤用于去除悬浮固体、病原体及其他污染物（包括MNPs）。研究表明，混凝和沉淀阶段后采用CF可去除高达99%的MPs。过滤效率受滤床类型、高度和孔径、过滤速率、MNPs尺寸和浓度及工艺参数的影响。小于50 μm的MNPs在CF出口通常占主导，其去除效率较低；10–20 μm尺寸的MNPs去除效率最低。纤维状MNPs比其他形状的去除程度更高。滤床孔隙率影响去除效果：孔隙率较低的滤床MNPs去除效率为96.4–99.2%，孔隙率较高的滤床为90.5–96.5%。GAC过滤对1–5 μm颗粒的MNPs去除率为74%，对较大MPs的去除率超过55%；热活化GAC可将20–50 μm较大颗粒的去除效率提高至90%以上。快速砂滤、慢速砂滤和GAC过滤因生物膜的形成对NPs具有较高去除效果，NPs截留率为22%至60%，流速越高去除效率越低。CF和GAC对NPs的去除效率为88.1%，在CF中引入混凝后效率可提高至99.2%。
3.2.2 膜过滤
膜工艺包括微滤（MF，孔径0.05–10 μm）、超滤（UF，孔径1–100 nm）、纳滤（NF）和反渗透（RO）。MF可用于去除MPs，UF可同时去除MPs和NPs。在大多数研究中，由于MPs大于膜孔径，实现了完全去除。混凝—UF混合系统中，常规混凝剂量下PE去除率为86.14%，采用UF后显著提高。膜污染是影响MNPs去除效率的主要因素，其直接效应是水通量降低、跨膜压差（TMP）增加以及能源和维护成本上升。尺寸为膜孔径0.1至10倍的MNPs导致膜污染，大于孔径10倍的颗粒形成滤饼层。约1 μm的MNPs比0.1、1、10和18 μm直径的MNPs导致更严重的膜污染。MF和UF去除MNPs的机制为尺寸排阻，此外还包括膜表面和孔内的吸附以及疏水-亲水和静电相互作用。
3.3 吸附
吸附工艺使用活性炭、生物炭、金属氧化物和氢氧化物、磁性纳米颗粒、碳纳米管、咖啡渣和烟蒂、纤维素生物聚合物等吸附剂去除MNPs。GAC过滤对低浓度PE、PP和PAM MNPs的去除效率可达60.9%。生物炭基吸附剂可去除超过75%的MNPs，改性生物炭的去除效率可达99%。生物炭和砂过滤柱系统可实现大于10 μm MPs的90%去除。铁改性生物炭可在10分钟内完全去除约1 μm的PS NPs，并可通过外部磁场实现磁性分离。镁（Mg）和锌（Zn）改性磁性生物炭对1-μm PS微球的去除效率分别为98.75%和99.46%。金属基吸附剂如CuFeCo可去除超过83%的PE-MNPs，Co/Mn-高岭土对PVC、PS、PET和ABS的吸附效率（22 mg/g）高于Fe-高岭土（13.7 mg/g）。磁性碳纳米管（M-CNTs）对PE、PET和PA MNPs的吸附容量分别为1650、1400和1100 mg CNT/g，经四次使用后去除效率仍约为80%。气凝胶吸附剂具有高比表面积、机械强度、孔隙率、生物可降解性和低成本等特性，对PS MPs的去除效率为89.8%，对PS-COOH和PS-NH?分别为72.4%和88.9%。壳聚糖气凝胶对PET MPs的吸附率高达91.6%。
3.4 离子交换
离子交换用于水的软化，通过阳离子或阴离子交换树脂实现。评估点-of-use（POU）系统（结合GAC过滤、离子交换（IX）和微滤（MF））的研究显示，对PVC和PET碎片的去除效率分别为78–100%，而单独使用GAC的装置去除率显著较低。采用离子交换和物理方法（包括膜过滤）的POU装置可能是去除MNPs的最佳解决方案。
3.5 化学氧化
化学氧化使用臭氧、过氧化氢、氧化性酸和高级氧化工艺（AOP）去除MNPs。臭氧氧化通过形成高活性自由基（主要是羟基自由基）氧化含不饱和键和芳香环的聚合物物质，对PE、PP和PET MNPs的降解程度超过90%，优于膜过滤（79.4%）和RSF及GAC（73.8%）。经典Fenton工艺对PE、PP和PVC MNPs的氧化效果有限，但电-Fenton法对PVC MNPs实现了56%的质量损失和75%的脱氯效率；UV辅助Fenton工艺可实现对PS泡沫MNPs超过99%的矿化。光催化过程中，光催化剂吸收UV或可见光能量形成电子-空穴对，进而产生羟基自由基和超氧阴离子等活性物种，有效氧化包括聚合物在内的有机污染物。ZnO纳米棒催化剂可使PE MNPs表面出现不规则性、裂纹、脆性和斑点等形态变化；氮掺杂TiO?（N-TiO?）光催化剂在可见光照射18小时内实现了高密度PE MNPs 6.40%的质量损失。
3.6 消毒
消毒工艺分为化学消毒（氯、氯胺、二氧化氯、臭氧）和物理消毒（UV辐射和高温）。氯消毒是饮用水处理中最常用的消毒剂，但MNPs可作为保护性基质，使细菌对消毒过程产生抗性，并可能导致消毒副产物（DBPs）的形成。UV消毒通过损伤微生物遗传物质使其失活，但悬浮固体会遮蔽微生物从而降低UV消毒效率。研究关于UV消毒对MNPs浓度的影响存在矛盾结果：部分研究表明UV消毒导致水中MNPs浓度增加，也有报道显示MNPs被去除。臭氧消毒具有优异能力，但MNPs会消耗臭氧分子，减少可与细菌反应的臭氧量。MNPs对饮用水消毒过程具有不利影响，其在消毒过程中的去除机制尚不明确，需进一步研究消毒剂类型和浓度、接触时间、pH和温度对MNPs去除和性质的影响。
3.7 饮用水配水系统（DWDS）中的MNPs
饮用水配水系统（DWDS）由相互连接的管道、泵、阀门和储水罐组成。管道和其他设备常用塑料（PVC、PE、PP）或铸铁制成，铸铁罐和管道涂覆聚合物以防腐蚀。DWDS可因管道腐蚀和配件磨损释放MNPs。研究在压力站、消防栓、家用水表、配水管道和配件中检测到约1 μm尺寸的MNPs。管道沉积物中MNPs浓度为570至750颗粒/kg，主导颗粒为50–100 μm，尼龙和PVC占主导，多为碎片形态。聚乙烯管道表面在ClO?和NaClO作用下变得粗糙，后者腐蚀性更强。DWDS运行期间，管道表面会形成生物膜，包括MPs和NPs表面。DWDS释放的MNPs直接进入自来水，对人体健康构成威胁，但其对整体污染的贡献程度仍不明确。
4. 饮用水中的MNPs
4.1 自来水中的MNPs
世界各地的自来水中均检测到MNPs，浓度从约400颗粒/L至低至0.01颗粒/L不等。大多数研究报告的MNPs水平低于10颗粒/L，最常在0.01至9.24颗粒/L范围内。中国家庭自来水中MNPs浓度达到1250颗粒/L（平均440颗粒/L）。捷克共和国的研究中，处理水中MNPs平均值分别为443颗粒/L、338颗粒/L和628颗粒/L。自来水中MNPs的聚合物类型主要为PP、PE、PS、PET（29.6%）和PVC。MNPs尺寸范围为小于1至5000 μm，最常检测到的MPs为83–400 μm，小于100 μm的小尺寸MNPs在自来水中尤为占主导。碎片和纤维是最常见的形态，碎片占比超过70%，有时甚至达99.2%。MNPs的颜色为透明/白色、黑色、蓝色、红色、黄色和绿色，透明和白色通常占主导。
4.2 瓶装水中的MNPs
瓶装水中的MNPs来自包装材料和处理水中存在的MNPs。饮用水通常包装在PET塑料瓶和玻璃瓶中，瓶盖主要由PP和PE制成。瓶装水中MNPs浓度因品牌和国家而异，从0.73至高达5.42×10?颗粒/L不等，大多数瓶装水中低于400颗粒/L。一项研究分析了259瓶瓶装水，93%的样品显示MNPs污染，平均浓度为10.4颗粒/L，最常见为碎片（66%），其次为纤维。可重复使用塑料瓶中的MNPs平均浓度为118颗粒/L，是一次性瓶子的8倍，主要归因于可重复使用瓶子的材料磨损更大。玻璃瓶装水中的MNPs浓度与一次性塑料瓶相当，但聚合物类型不同：塑料瓶中PET颗粒占主导（超过70%），而玻璃瓶中主要为PE（46%）和PP（23%）。瓶装水中的MNPs浓度主要与水源有关，但包装类型也具有重要意义。
5. 饮用水中MNPs对人体健康的影响
MNPs进入人体的主要途径为摄入、吸入和皮肤接触。据估计，美国人类通过食物和饮料每年摄入MNPs总量为39,000至52,000颗粒，主要通过海鲜和瓶装水；通过吸入的MNPs为每年35,000至62,000颗粒。通过饮用水摄入的MNPs每日量因国家而异：意大利为0，美国为61颗粒/升，中国为2.8至1787颗粒，英国为每天0.068至20.8颗粒。MNPs进入人体后可导致毒性效应，主要包括氧化应激、组织损伤和慢性炎症，以及消化系统紊乱。此外，已发现自身免疫性疾病、细胞毒性、致癌性、心血管疾病、皮肤刺激和呼吸系统紊乱等健康影响。MNPs还可在人类生殖系统中检测到，导致激素紊乱和女性不孕。研究表明MNPs对精子具有毒性作用并对神经系统产生负面影响，可与大脑中的蛋白质相互作用，导致痴呆和帕金森病。在健康个体血液中检测到PS、PET和PE（>700 nm）MNPs（1.6 μg/mL），表明其在人体血液中的生物可利用性。MNPs进入血液/淋巴系统后可被转运至远端器官系统。较小颗粒转运效率更高，而较大颗粒（>2 μm）倾向于滞留在肠道中；NPs可穿透生物体细胞膜。MNPs不仅聚合物本身，其吸附的化学添加剂和污染物也构成严重健康风险。塑料生产中添加的添加剂可导致癌症、影响免疫反应和酶活性、引起生殖障碍。MNPs可吸附镉、锰、铅、砷、铜、锌、铬等金属/类金属，并可作为有害细菌（如弧菌属Vibrio spp.）的载体。
6. 总结、最终结论和未来研究方向
多种类型的MNPs存在于进入DWTPs的原水中，最常见的形态为纤维、碎片、薄膜、泡沫和颗粒。常规/典型DWTPs处理系统不能有效去除饮用水中的MNPs，具有更多处理阶段（首先是膜工艺或高级氧化工艺）的DWTPs在MNPs去除方面将比简单处理系统更有效。世界各地的自来水和瓶装水中均存在MNPs，数量从数个至数千个颗粒/升不等，差异源于分析方法、地理位置、水管理实践、基础设施状况和环境污染水平。塑料瓶的使用会增加饮用水中MNPs浓度，但玻璃瓶装水中也确认存在显著数量的MNPs。MNPs对人体健康构成新的风险，饮用水是MNPs暴露的主要途径之一。未来研究需求包括：将MNPs的定量测定和表征纳入水质监测计划；研究各种单元工艺对MNPs的去除效果并开发新工艺；调查处理和水运输过程中自来水MNPs的二次污染可能性；消除一次性塑料制品并制定塑料回收规则；实施循环经济理念和3R原则以减少进入地下水和饮用水的塑料量。
