废水处理过程中产生的气溶胶是空气中微塑料的潜在来源

废水处理厂（WWTPs）是人为水循环的重要环节，承接了家庭和工业活动产生的微塑料（MPs），同时被视为环境中微塑料的汇和源。 尽管传统废水处理厂可以去除超过90%的进水微塑料，但相当数量的微塑料仍随出水排放进入环境。

废水处理厂已被广泛研究为生物气溶胶和有机污染物（等气溶胶颗粒的主要潜在来源之一。 作为陆地生态系统中微塑料集聚区域，废水处理厂也可能通过气溶胶化过程将微塑料释放到空气中。

然而，目前关于废水处理过程产生的气溶胶中微塑料的数据仍然显著缺乏。

因此， 本研究旨在调查废水处理厂气溶胶中微塑料的污染特征。 基于对一套分散式废水处理系统各单元采集的气溶胶样品，本研究：

（i）通过激光直接红外光谱（LDIR）测定废水处理过程中产生的气溶胶中微塑料的丰度，并分析潜在影响因素；

（ii）采用热解气相色谱–质谱联用（Py-GC-MS）量化排放微塑料的质量浓度；

（iii）识别气溶胶中微塑料的形态特征，探讨其水–气转运机制。本研究结果有助于深化对废水处理厂气溶胶中微塑料的认识，并为微塑料在废水处理厂的防控提供有价值的参考。

 

微塑料在气溶胶中的丰度

图?1 展示了各处理单元气溶胶样品中微塑料的检测丰度及相应处理单元废水中的微塑料丰度。

气溶胶中微塑料的丰度范围为?0.83–28.03?颗·m?3，平均丰度为?13.97?±?10.05?颗·m?3。

各处理单元废水中微塑料的丰度范围为?133.14–573.79?颗·L?1，进水平均浓度为?236.83?±?16.63?颗·L?1。

废水处理过程中排放的气溶胶微塑料可能会导致周边环境空气中微塑料浓度升高。

 

图?1. 废水处理各单元气溶胶与废水中微塑料的丰度。

TSP：总悬浮颗粒；BA：环境空气空白样品。

排放微塑料的质量浓度

热解气相色谱–质谱联用（Py?GC/MS）技术可同时识别不同聚合物，并通过特征碎片定量微塑料质量，且不受粒径（包括纳米塑料）的影响。

在 WWTP 日常运行条件下，AnaT、AnoT 和 AerT 三个生化单元长时间向大气开放,计算得三单元气溶胶中微塑料总质量浓度为?0.453?μg·m?3，高于环境空气（0.003?±?0.002?μg·m?3）。其中 PE 和 PVC 的质量浓度分别为?0.359?μg·m?3 和?0.094?μg·m?3。

微塑料的形态特征

本研究聚焦于激光直接红外光谱（LDIR）检测方法可覆盖的 20–500?μm 范围内的微塑料。WWTP 气溶胶中检测到的微塑料粒径介于 20.34–372.49?μm 之间。膜生物反应器（MBR）样品中微塑料平均粒径最大，其次为 AnoT，而 AnaT 样品中微塑料平均粒径最小（图?2a）。

按照粒径将微塑料分为 20–50?μm、50–100?μm、100–200?μm 和 200–500?μm 四组，结果显示，气溶胶中微塑料以小于 100?μm 的组别为主，其中 20–50?μm 组在所有样品中占比最高（58.1–83.0%）（图?2b）。

薄膜/碎片是所有气溶胶样品中最常见的形状，占比 60.3%；其次为颗粒（pellets，31.9%）和纤维（fibers，7.8%）（图?2c）。

 

图?2. 气溶胶中微塑料的形态特征：(a, b) 粒径分布；(c) 形状分布。图?2(a) 中不同字母（a–d）表示样品间存在显著性差异（Dunn 多重比较检验，p?<?0.05）。(b) 中圆圈周围的数字为各样品的微塑料丰度（颗/m3）。

微塑料的聚合物组成

根据 LDIR 识别，本研究在所有气溶胶样品中共鉴定出 31 种不同的聚合物（图?3a）。

总体而言，聚氯乙烯（PVC）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是所有样品中最常见的聚合物，分别占 21.5% 和 21.4%，其次为化学改性纤维素（CCM；12.5%）、聚砜（PSF；9.4%）、聚酰胺（PA；7.8%）、聚氨酯（PU；5.7%）及其他聚合物（21.8%；各自占比均低于 5%）。

不同处理单元气溶胶样品的微塑料聚合物组成存在差异（图?3a）.采用 Upset 图可视化不同样品聚合物组成的交集，结果显示 PA 和 PET 在所有样品中均有检测到（图?3b）。

将废水处理单元产生的气溶胶微塑料与环境空气中的微塑料聚合物类型进行比较发现：各单元气溶胶中聚合物种类更多。WWTP 气溶胶中还出现了多种环境空气中未检出的聚合物。

 

图?3. 不同样品中微塑料的聚合物组成。

(a) 基于相对丰度的聚合物类型分布；

(b) Upset 图展示不同样品聚合物组成的交集，柱状图表示各单集合集大小，柱长对应集合中元素个数；下方矩阵展示集合交集情况，实心点表示该行所示交集中包含该集合，不同填充色用于区分不同集合。

气溶胶中微塑料的存在及外部影响因素

图?4a 显示了 Spearman 相关矩阵及 Mantel 检验结果，结果表明，各气象参数（温度、相对湿度、风速和辐照度）与气溶胶中微塑料的丰度或多样性均无显著相关性，图?4b 展示了不同 WWTP 单元及各聚合物类型的 AF 分布。结果显示，格栅单元（GrT）、厌氧池（AnoT）和生物接触氧化池（AerT）的气溶胶化程度较高（图?4b），表明微塑料的气溶胶化程度受不同单元运行条件影响。

 

图4 (a) 气溶胶中微塑料与选定影响因子的相关性分析：Sobs：气溶胶中观测到的聚合物种类数；Sobs?wastewater：废水中观测到的聚合物种类数；图中同时展示了 Spearman 相关系数矩阵及 Mantel 检验结果。(b) 各 WWTP 单元气溶胶化微塑料的气溶胶化因子（AF）：外圈为圆形柱状图，表示不同处理单元的 AF 值分布；内圈为雷达图，展示各处理单元内不同聚合物类型的 AF 值变化。

该研究首次基于激光直接红外光谱（LDIR）和热解气相色谱–质谱联用（Py?GC/MS）方法，系统调查了废水处理过程气溶胶中微塑料的污染特征。

结果表明，各处理单元气溶胶中均普遍存在微塑料，丰度范围为?0.83–28.03?颗·m?3。LDIR 识别出共 30 种聚合物，其中聚氯乙烯（PVC）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）最为常见。形状以薄膜和碎片为主，粒径主要集中在?20–50?μm?范围。

微塑料的气溶胶化程度不仅受单元曝气强度和水动力条件的影响，也因聚合物自身特性而异。

这些发现表明， 废水处理过程中的微塑料气溶胶化是空气中微塑料的重要潜在来源。

该研究为深入认识废水处理过程产生气溶胶中微塑料的分布与机制提供了全新视角。

（来源：微塑料研究 ）