飲用水中微塑料的檢測(cè)及去除方法分析

楊恩暖，李世杰，張敏杰

（河南黃淮檢測(cè)科技有限公司，河南駐馬店 463000）

“微塑料”的概念最早于2004年被提出，當(dāng)時(shí)很多研究人員對(duì)海洋環(huán)境的關(guān)注度較高，2019年世界衛(wèi)生組織對(duì)微塑料進(jìn)行了明確定義，即長(zhǎng)度在5 mm以下的塑料顆粒，可分為原生微塑料和次生微塑料。前者指的是專門被制造成微觀尺寸的塑料，多見于化妝品、洗面奶；后者主要是由大型塑料物品變化產(chǎn)生而來(lái)，如生活用品、樹脂顆粒、漁網(wǎng)等。由于塑料具有很強(qiáng)的耐腐蝕性特點(diǎn)，可以長(zhǎng)久存在于自然環(huán)境中，給空氣、土壤、水資源帶來(lái)巨大危害，因此，需要對(duì)飲用水中微塑料的檢測(cè)以及去除方法進(jìn)行分析。

1 微塑料概述

1.1 微塑料的特點(diǎn)

1.1.1 物理性質(zhì)

根據(jù)微塑料的形狀，可以分為球形、纖維狀、卵形等，黑色、白色、灰色、透明色是常見的顏色。從化學(xué)成分來(lái)看，可以細(xì)分為聚苯乙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚氯乙烯等。微塑料具有耐腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn)，且不溶于水，以顆粒物的形式漂浮在水中。

1.1.2 化學(xué)性質(zhì)

微塑料具有十分穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，在自然環(huán)境中可存在數(shù)百年至上千年，會(huì)在水生生物體內(nèi)積累。①微塑料降解過(guò)程中，會(huì)釋放有毒有害物質(zhì)，如化合物、塑料添加劑等；②微塑料具有體積小、表面積大的特點(diǎn)，飲用水中的有機(jī)化合物會(huì)被吸附在表面。

1.2 微塑料的來(lái)源

1.2.1 淡水環(huán)境中微塑料的來(lái)源

生活廢水、雨水徑流、大氣遷移是淡水環(huán)境中塑料制品的主要來(lái)源，有關(guān)研究人員在三峽水庫(kù)、鄱陽(yáng)湖等水域中都發(fā)現(xiàn)了微塑料的存在。我國(guó)每年直接排放到淡水環(huán)境中的初級(jí)微塑料量十分驚人，且由于我國(guó)的廢塑料回收利用率較低，因此環(huán)境污染問題比較嚴(yán)重。

1.2.2 海水環(huán)境中微塑料的來(lái)源

人類生活、城市河流以及工業(yè)生產(chǎn)是海水環(huán)境中微塑料的主要來(lái)源，其中纖維、小尺寸微塑料、聚乙烯、人造絲占比最高。很多塑料垃圾都會(huì)在河口、海灣處堆積，在風(fēng)化、海水侵蝕、化學(xué)反應(yīng)等作用下成為微塑料，隨后長(zhǎng)期存在于海洋環(huán)境中，并通過(guò)水流不斷擴(kuò)散其覆蓋范圍。

1.3 微塑料的危害

1.3.1 對(duì)水生生物的危害

①塑料自身的危害。烏龜、蝦、魚類以及哺乳動(dòng)物等體內(nèi)都已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有微塑料的存在，這些動(dòng)物會(huì)在自然環(huán)境中攝食。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水生生物體內(nèi)微塑料含量達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)影響其生長(zhǎng)、發(fā)育以及繁殖，而且這種危害是永久的、不可逆的，嚴(yán)重破壞了自然生態(tài)。②塑料添加劑的危害。主要是指熱穩(wěn)定劑、著色劑、發(fā)泡劑以及增塑劑等，這些添加劑耐熱性突出，有助于延長(zhǎng)塑料使用壽命，其成分大多有毒有害。如果浸出到自然環(huán)境中，會(huì)對(duì)甲殼動(dòng)物、兩棲動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育造成影響，具有一定的致死性。③吸附污染物的危害。微塑料的比表面積大，更容易吸附有毒有害物質(zhì)，由于廣泛存在于水環(huán)境中，會(huì)被水生生物以及人類攝入，破壞自然環(huán)境的同時(shí)，也給人類健康帶來(lái)了巨大威脅。水性金屬、持久性的有機(jī)污染物等都是常見的附著污染物，有毒物質(zhì)會(huì)隨著水體流動(dòng)而擴(kuò)散，影響范圍會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大[1]。

1.3.2 對(duì)人體的危害

目前，世界范圍內(nèi)的塑料消耗量都呈持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，無(wú)論是在生活用品生產(chǎn)還是食品加工方面，都存在著大量的微塑料，包括飲用水。人體可能會(huì)在皮膚接觸、飲水、呼吸等過(guò)程中接觸有毒有害物質(zhì)，微塑料進(jìn)入人體后會(huì)不斷累積，并埋下嚴(yán)重的健康與安全隱患。此外，水生生物誤食的微塑料也會(huì)隨著食物鏈進(jìn)入到人體，具有一定的致癌性。

2 飲用水中微塑料的檢測(cè)技術(shù)

2.1 定性檢測(cè)方法

2.1.1 光譜分析法

光譜分析法是目前應(yīng)用比較普遍的定性分析方法，常見的有傅里葉變化紅外光譜分析法、拉曼光譜法[2]等，原理大致相同，就是用不同的光譜對(duì)樣品特征、分子骨架進(jìn)行分析，以此作為判斷依據(jù)。

2.1.2 形狀辨析法

形狀辨析法是指通過(guò)辨別微塑料的尺寸、形狀、顏色、類型等，對(duì)其進(jìn)行定性檢測(cè)與分析。①尺寸方面多為mm級(jí)。②一般用嚴(yán)重腐蝕、輕微腐蝕、被風(fēng)化、未被風(fēng)化等對(duì)微塑料的腐蝕程度進(jìn)行表述。③形狀主要為圓柱形、細(xì)長(zhǎng)形、不規(guī)則外形、片狀等。④微塑料多為藍(lán)色、紫色、白色、黑色、紅色、半透明和黑色等。如果樣品中雜質(zhì)含量較高，利用形狀辨析法得到的結(jié)果準(zhǔn)確性也會(huì)受到一定影響，因此，需要使用純度高的樣品，并對(duì)其進(jìn)行預(yù) 處理[3-4]。

2.2 定量檢測(cè)方法

2.2.1 目檢法

相關(guān)研究表明，人類肉眼能夠看到的最小直徑為1 mm，在微塑料的檢測(cè)中，很少通過(guò)人眼直接進(jìn)行觀察鑒別，一般都會(huì)應(yīng)用光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡。在專業(yè)儀器設(shè)備的輔助下，可以大致觀察到微塑料的表面特點(diǎn)，從而為定性評(píng)價(jià)提供一定的參考。目檢統(tǒng)計(jì)法的優(yōu)勢(shì)在于直觀，缺點(diǎn)也比較明顯，即主觀性比較強(qiáng)，易受到檢測(cè)人員專業(yè)能力、工作經(jīng)驗(yàn)等各方面因素的影響。而且即便在檢測(cè)之前確定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際操作起來(lái)也很難統(tǒng)一，因此該方法的應(yīng)用并不普遍。

2.2.2 熱分析法

熱分析法是將定量與定性進(jìn)行結(jié)合，從原理上看，就是通過(guò)高溫讓微塑料中的物質(zhì)揮發(fā)，將這部分物質(zhì)收集起來(lái)，以質(zhì)譜分析、色譜分析等手段進(jìn)行定性檢測(cè)，可同步開展熱分析定量。微塑料樣品在揮發(fā)前后的質(zhì)量會(huì)發(fā)生變化，但由于其體積、質(zhì)量本來(lái)就比較小，很可能出現(xiàn)一定誤差。將熱分析法與傅里葉紅外光譜結(jié)合起來(lái)使用，這種方法對(duì)檢測(cè)技術(shù)、儀器設(shè)備并沒有太高的要求。但該方法仍然處于初步發(fā)展階段，還應(yīng)當(dāng)在實(shí)踐中積累經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)研究，不斷改進(jìn)，以保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性[5]。

2.2.3 熒光法

與目檢法相比，熒光法的客觀性更強(qiáng)，不會(huì)受到人為主觀因素的影響，原理在于對(duì)微塑料進(jìn)行標(biāo)記，使其擁有更高的辨識(shí)度。但是該方法對(duì)人工添加劑有很強(qiáng)的依賴性，不適用于所有微塑料物質(zhì)的鑒別與檢測(cè)，因?yàn)椴糠治⑺芰显谧贤夤庀虏⒉粫?huì)呈熒光狀態(tài)。因此，目前熒光法多用于部分特定物質(zhì)的檢測(cè)與研究。

3 飲用水中微塑料的去除方法分析

3.1 物理處理技術(shù)

3.1.1 混凝

將凝結(jié)劑添加到混凝單元中，可以形成堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，通過(guò)沉淀、撇除的方式，可以有效去除飲用水中的微塑料。有關(guān)研究調(diào)查顯示，混凝在微塑料去除方面的效果比較理想，去除效率在50%左右，經(jīng)過(guò)處理之后的水源中纖維含量明顯降低。

3.1.2 沉降

沉降是一種比較常見的物理處理手段，是通過(guò)重力從液體中去除懸浮的固體顆粒物的過(guò)程，這也是目前全國(guó)各地污水處理廠中普遍使用的工藝。經(jīng)過(guò)沉降處理后，水源中懸浮顆粒物會(huì)大大減少，便于后期對(duì)水資源進(jìn)行過(guò)濾、消毒。數(shù)據(jù)顯示，沉降單元的微塑料去除率可達(dá)到90%。這種方法適用于去除比重和水有著很大差異的微塑料，處理效果十分明顯。

3.1.3 過(guò)濾

超濾、納濾、快速砂率和分滲透等都是常見的過(guò)濾技術(shù)，膜孔徑大小決定了微塑料的去除效率，這種方式既能夠用于傳統(tǒng)處理，也可用于水資源的深度處理。快速砂率多用于給排水處理，能以較低的運(yùn)營(yíng)成本來(lái)處理水中的污染物，通常在污水處理廠的第三階段使用[6]。在一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)處理完成后，可進(jìn)行反滲透處理，無(wú)論是超濾、納濾，還是快速砂率、分滲透，每種工藝都有其各自的優(yōu)勢(shì)與缺陷。過(guò)濾的原理比較簡(jiǎn)單，只要體積比膜孔徑大的微塑料都能夠被濾掉，阻隔作用十分明顯，這也是該方法去除率比較高的主要原因。但是不同孔徑的膜的成本比較高，后期維護(hù)花費(fèi)很大，而且會(huì)出現(xiàn)膜污染的問題。

3.2 化學(xué)處理技術(shù)

3.2.1 光催化

光催化技術(shù)是由國(guó)外一所大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出的，可以降解微塑料的納米涂層，通過(guò)可見光誘導(dǎo)的氧化鋅納米棒活化的異質(zhì)光催化，羰基指數(shù)增加了30%，即聚合物殘留物降解了30%，處理過(guò)后的微塑料脆性更高，裂縫明顯增多。

3.2.2 臭氧

絕大多數(shù)污水處理廠中都有臭氧發(fā)生器，依靠羥基自由基的強(qiáng)氧化能力，與普通的物理處理方式相比，其效率更高。為了提高其微塑料的去除效果，一般會(huì)和固體活性炭、生物活性炭工藝等結(jié)合起來(lái)進(jìn)行應(yīng)用。

3.3 生物處理技術(shù)

3.3.1 生物降解

微塑料的物理屬性比較穩(wěn)定，在飲用水中可以存在數(shù)百年之久，生物降解可以加快其礦化的速度，提高降解速率。很多學(xué)者對(duì)此展開了研究和分析，分別用塑料薄膜A、塑料薄膜B作為食物來(lái)源，飼養(yǎng)黃粉蟲，探究黃粉蟲是否能夠降解微塑料中的部分物質(zhì)。塑料薄膜A含有30%淀粉和70%聚乙烯和助劑，塑料薄膜B的95%以上都是聚乙烯和少量助劑。數(shù)據(jù)顯示，黃粉蟲完全消耗塑料薄膜A用了 25 d，塑料薄膜B花費(fèi)了60 d，主要原因在于前者含有淀粉，而后者不含淀粉。此外，也有學(xué)者對(duì)其他生物在降解微塑料中的表現(xiàn)展開了研究和分析，部分生物降解的速度快，未來(lái)還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)這方面的研究，尋找更高效、更綠色的生物降解手段。

3.3.2 活性污泥法

國(guó)內(nèi)外污水處理廠都會(huì)引進(jìn)活性污泥法，好氧池中的污泥絮凝物會(huì)加快微塑料的積累速度，在沉淀環(huán)節(jié)就徹底去除。數(shù)據(jù)顯示活性污泥法的去除率在66%左右。活性污泥法是我國(guó)部分城市污水處理廠的主流工藝，其處理效率和效果會(huì)受到水質(zhì)、水廠運(yùn)行方式等因素的影響。雖然該方法的去除率比較高，但是只能將微塑料保留在固體廢棄物中，而不能完全將其從飲用水中去除，甚至還會(huì)產(chǎn)生二次污染，需要其他方式方法的輔助。

3.3.3 膜生物反應(yīng)器

膜生物反應(yīng)器的去除能力很強(qiáng)，因其具有生物降解與膜過(guò)濾的雙重功能，有效去除率可以高達(dá)99.9%。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了深入分析，發(fā)現(xiàn)影響去除效果的因素主要為生物膜的厚度、膜堵塞、液體分布等[7]。膜生物反應(yīng)器的過(guò)濾器孔徑是最小的，能夠去除絕大多數(shù)微塑料以及污染物，去除效率有保障，但是由于成本高，目前還不適合全面推廣 應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

飲用水與人們身體健康、自然環(huán)境等都有著十分密切的聯(lián)系，應(yīng)當(dāng)完善飲用水中微塑料的檢測(cè)程序與標(biāo)準(zhǔn)，采取合適的檢測(cè)與去除手段，解決微塑料污染的問題。