武汉城市污水中微塑料的分离、鉴定及其微观特征分析

徐舟影， 陈奥飞， 赵胤祺， 张中戬， 班宜辉， 王锦一， 黄思唯， 刘 昊

1.武汉理工大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430070 2.武汉理工大学化学化工与生命科学学院， 湖北 武汉 430070

微塑料通常被定义为尺寸小于5 mm的塑料粒子，被科学家形象地比作水中的“PM2.5”[1]. 微塑料污染已成为与全球气候变化、臭氧耗竭等并列的重大全球环境问题[2]. 研究[3-5]表明，微塑料既是水体中污染物质的来源，也是有毒污染物质的传播载体. 目前，有关微塑料污染的研究主要集中在海洋环境，城市污水中微塑料的研究尚处于起步阶段. 城市污水中微塑料污染现状及如何实现微塑料的高效净化已受到国内外学者的广泛关注.

污水处理厂是微塑料的一个重要汇聚地. 污水处理厂污水中的微塑料主要来源于含有个人护理品、洗涤衣物脱落纤维的生活污水、纺织厂和服装制造厂等产生的工业废水以及携带轮胎碎片和塑料胶片的雨水等[6-8]. 而目前污水处理厂对污水的处理工艺主要针对水中氨氮、总氮、总磷、COD、BOD等指标，并未对微塑料这一新型污染物有针对性的处理，污水处理厂成为微塑料进入淡水与海洋环境的一个重要途径[9-10]. 在国外，Mason等[11]对美国17个污水厂出水的微塑料颗粒含量进行研究，发现这些污水厂平均微塑料排放量超过400×104个d. 朱莹等[6,12-14]对比分析国内外多个污水厂进、出水微塑料数量及其去除率后发现，与国外污水处理厂相比，我国污水处理厂进、出水中微塑料含量处于较高水平，而污水处理工艺对微塑料的去除率较低. 因此，目前对微塑料有高排放量的污水处理厂迫切需要以微塑料去除为目标的处理技术，以避免其大量排放到生态系统中.

据《武汉市环境状况公报》显示，2015年武汉市废水排放量为9.24×108t，其中生活污水排放量最大，达7.69×108t，其次是工业废水，达1.55×108t. 武汉市污水排放呈现出以生活污水为主，工业污水为辅的特点. 污水处理厂被认为是微塑料进入自然环境的重要转输中心，因此分析了解污水处理厂微塑料的类型、成分和特征是追溯和有效控制其微塑料来源的重要途径. 微塑料形貌、组成特征直接关系到微塑料的环境行为和效应，因此明确武汉城市污水中微塑料污染现状及基本理化特征，对于后期开展微塑料污染的有效治理具有重要意义.

水体微塑料主要通过过滤收集或浮选分离等方法进行提取，但这些方法还存在步骤繁琐、回收率不稳定、提取效率不高等问题. 该文在周倩等[15-16]发明的土壤中微塑料颗粒的连续浮选分离装置的基础上进行了相关改进，使之能够对污水样品中的微塑料颗粒进行连续分粒径分离浮选. 同时，利用该装置从武汉城市污水样品中分离和提取微塑料，观察其类型、丰度及基本形态特征，并采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)[17-18]、扫描电镜-X射线能谱分析联用(SEM-EDS)[19]等方法研究微塑料的组成成分、表面形貌特征和元素组成等，以明确污水微塑料的表面形貌特征及赋存特征，以期为武汉城市污水中微塑料来源分析及未来污水微塑料的高效处理提供理论依据和技术支持.

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

65%HNO3溶液购于信阳市化学试剂厂，30%H2O2溶液、NaCl购于国药集团化学试剂有限公司，所有药品均为分析纯. 玻璃纤维滤膜(孔径1 μm)、氧化铝滤膜(孔径20 nm)、聚氯乙烯微球(5.0～15.0 μm)、聚丙烯微球(20～35 μm)、聚苯乙烯微球(5.0～5.9 μm)、聚丙烯酸微球(15～20 μm)、聚乙烯微球(0.05～1.5 μm)均购于阿拉丁试剂有限公司.

FA2004分析天平，上海精密科学仪器有限公司；GZX-9030MBE电热鼓风干燥箱，上海博讯实业有限公司医疗设备厂；85-2控温磁力搅拌器，江苏金怡仪器科技有限公司；54-03002体式显微镜，德国Bresser公司；2XZ-1旋片式真空泵，临海市谭氏真空设备有限公司；BT100S-1蠕动泵，保定雷弗流体科技有限公司；300、600、1 000目(100目=0.147 mm)不锈钢筛网，绍兴市上虞华丰五金仪器有限公司；NexusNexus智能型傅里叶变换红外光谱仪，美国Themo Nicolet公司；X-Max 50 X射线能谱仪，德国蔡司公司.

1.2 水样采集

水样于2019年5月26日采集于武汉市某污水处理厂，该厂日进水量为2.00×106m3d，处理能力占武汉市污水处理能力的25%左右. 在该污水处理厂的两个进水口均采集2 L水样1份，分别标记为水样1、水样2，装入预先用蒸馏水润洗3次以上并烘干处理的样品瓶中，冷藏运回实验室后置于4 ℃冰箱中保存.

1.3 污水中微塑料颗粒提取

微塑料提取装置如图1所示.该装置在传统密度分离法的基础上进行改进，通过蠕动泵和管道的连接，将污水样品的预处理、消解、浮选、筛分和废液回收等过程紧密相连，从而实现对污水微塑料颗粒的连续分粒径分离提取. 该装置采用的300、600和 1 000 目不锈钢筛以及1 μm玻璃纤维滤膜、20 nm氧化铝滤膜可以将微塑料颗粒按照粒径(d)分为d≥48 μm、48 μm>d≥23 μm、23 μm>d≥13 μm、13 μm>d≥1 μm、1 μm>d≥20 nm等5种类别.

注： 1为6目不锈钢筛；2、19为液体收集杯； 3、6、8、13、15、20、22、24为蠕动泵； 4为液体消解杯； 5、12为磁力搅拌器； 7为消解液杯； 9为浮选杯； 10为溢流收集杯； 11为支架； 14为浮选液杯； 16为300目不锈钢筛； 17为600目不锈钢筛； 18为 1 000 目不锈钢筛； 21为1 μm玻璃纤维滤膜抽滤装置； 23为20 nm氧化铝滤膜抽滤装置； 25为废液收集杯.图1 不同粒径微塑料浮选分离装置Fig.1 Diagram of flotation device for separation of different particle size of microplastics

污水中微塑料颗粒提取过程如下： ①试验前打开蠕动泵分别向液体消解杯和浮选杯中泵入12的消解液(65%HNO3和30%H2O2混合液，体积比为1∶3)和浮选液(饱和NaCl溶液，密度为1.12 gcm3)，然后打开蠕动泵和磁力搅拌器. ②将每份样品的2 L污水缓慢倒入6目不锈钢筛中，以去除大体积杂质. ③通过蠕动泵将样品泵入消解杯中进行消解，利用磁力搅拌器充分混合样品和消解液，在常温(20 ℃)下将样品消解20 min. ④污水中大量杂质消解后，通过蠕动泵进入浮选杯中，同时向浮选杯中泵入浮选液从而得到样品悬浮液，悬浮液中密度较低的物质溢流至收集杯中. ⑤通过蠕动泵使悬浮液依次通过300、600、1 000 目不锈钢筛，然后再依次通过1 μm玻璃纤维滤膜抽滤装置和20 nm氧化铝滤膜抽滤装置对污水中的微塑料颗粒进一步提取. ⑥通过蠕动泵收集废液进入废液收集杯中，废液中可以加入NaCl充当悬浮液进行循环使用；将筛网和滤膜上的固体烘干，分组放入蒸发皿，编号后开展后续的鉴定与微观特性分析.

1.4 对比试验

使用制备好的不同种类、不同粒径的塑料微球进行提取，并计算其回收率. 所用塑料微球主要包括聚氯乙烯塑料微球(A,5.0～15.0 μm)、聚丙烯塑料微球(B，20～35 μm)、聚苯乙烯塑料微球(C，5.0～5.9 μm)、聚丙烯酸塑料微球(D，15～20 μm)、聚乙烯塑料微球(E，0.05～1.5 μm). 每一种塑料微球取1.000 g，加入1.0 L蒸馏水中，通过该装置对样品进行回收，用分析天平称量回收后的样品重量，并计算不同样品的回收率.

1.5 微塑料的鉴定与赋存特征分析

a) 显微鉴定分析：将分离浮选出的滤膜置于显微镜下，观察各类微塑料的外观及形态特征.

b) FTIR分析：将从筛网和滤膜上轻轻刮下并收集到的样品粉末置于智能型傅里叶变换红外光谱仪，测定样品的红外光谱图，放大倍数为10～10 000 倍，加速电压为10 kV.

c) SEM-EDS分析：对收集的样品进行处理后进行场发射扫描电子显微镜分析，获得微塑料的扫描电子显微镜图像；同时，利用扫描电镜附加的X-Max 50 X射线能谱仪，在微塑料样品上随机选取样点进行表面附着物的元素分析，扫描范围为20～4 000 cm-1，扫描次数32次.

1.6 试验质控

在采样与试验过程中，试验操作人员穿戴棉质手套，以减少对微塑料及纤维测定的影响. 同时，试验使用玻璃容器替代塑料容器，在每次使用前用蒸馏水冲洗容器3遍，烘干后再使用[20]. 试验过程中使用玻璃培养皿保存所得玻璃滤膜，避免外界灰尘、空气对测定结果产生的干扰.

2 结果与讨论

2.1 不同粒径微塑料球的回收率

由表1可知，该装置对于不同粒径常见的聚氯乙烯塑料微球(A,5.0～15.0 μm)、聚丙烯塑料微球(B,20～35 μm)、聚苯乙烯塑料微球(C,5.0～5.9 μm)、聚丙烯酸塑料微球(D,15～20 μm)、聚乙烯塑料微球(E,0.05～1.5 μm)均有良好的回收效果，平均回收率分别达93.17%、92.92%、91.26%、92.13%和92.82%，平均回收率在92%以上，该值明显高于经典密度分离法[21]中39.8%的回收率；也高于Imhof等[22]采用淘洗管装置分离得到的回收率(最高为50%).

表1 不同粒径微塑料回收率

装置中采用的消解液为65%HNO3和30%H2O2混合液，体积比为1∶3，污水中大量的有机物杂质、沙石及金属颗粒均可以被消解，而且由于塑料颗粒均为有机高聚物，消解液不会对微塑料颗粒造成破坏. 装置采用饱和NaCl溶液作为浮选液，密度为1.12 gcm3(常温常压)，由于日常生活中常见塑料的密度均低于饱和NaCl溶液密度，例如聚丙烯密度为0.85～0.91 gcm3，聚乙烯密度为0.89～0.93 gcm3，天然橡胶密度为0.92～1.00 gcm3，尼龙12密度为1.01～1.04 gcm3，因此饱和NaCl溶液可以作为分离浮选液使用.

该装置对微塑料颗粒的提取率较高(在92%以上)，可以实现对纳米级微塑料颗粒的高效提取. 不同粒径的筛网和滤膜可以将微塑料颗粒按照粒径进行分类，有利于后续微塑料赋存特征及其对环境影响的研究. 另外，废液回收装置可以减少成本，降低对环境的污染. 可见，该装置具有高效性、易操作性、环保性等特点.

2.2 污水中微塑料颗粒赋存特征分析

2.2.1微塑料的含量与形貌特征

对污水样品中提取的微塑料进行计数，并用分析天平称量. 水样1提取出的微塑料颗粒有97个，共有 0.043 7 g，水样2提取出的微塑料颗粒有106个，共有 0.046 1 g. 经过换算，该污水样本中微塑料颗粒的个数为50.8个L，含量约为 0.022 5 gL. 该结果与白濛雨等[13]在污水处理厂提取得到的微塑料颗粒含量相近.

将提取出的微塑料颗粒置于体视显微镜下进行形貌观察，根据微塑料形貌进行分类并拍照(见图2).由图2可知，该污水厂出水中的微塑料类型主要有碎片类〔见图2(a)〕、薄膜类〔见图2(b)〕、纤维类〔见图2(c)〕和泡沫类〔见图2(d)〕等. 由表2可知，纤维类微塑料为21.0个L，占比最高(41.34%)；泡沫类微塑料为14.3个L，占比为28.14%；碎片类和薄膜类微塑料均为7.75个L，二者的占比近似相等(均为15.26%). 纤维被认为是水体、沉积物和生物体中检出的最普遍的微塑料类型[13,22-23]，在污水处理厂检出的微塑料中，纤维仍占最大比例[23-27].

图2 微塑料颗粒形貌图Fig.2 Morphology of microplastic particles

表2 水样中微塑料的类型、颜色和形状

经鉴定，水样1中微塑料颗粒粒径d≥48 μm的有13个，占13.40%；48 μm>d≥23 μm的有21个，占21.65%；23 μm>d≥13 μm的有37个，占38.15%；13 μm>d≥1 μm的有15个，占15.46%； 1 μm>d≥20 nm的有11个，占11.34%. 水样2中微塑料颗粒粒径d≥48 μm的有18个，占16.98%；48 μm>d≥23 μm的有25个，占23.58%；23 μm>d≥13 μm的有35个，占33.02%；13 μm>d≥1 μm的有13个，占12.26%；1 μm>d≥20 nm的有15个，占14.15%. 由此可见，所采污水样品中微塑料粒径主要集中在13～48 μm，其数量占到总数的12.

图3 水样1的红外光谱图Fig.3 Infrared spectrogram of water sample 1

图4 水样2的红外光谱图Fig.4 Infrared spectrogram of water sample 2

2.2.2微塑料成分分析

分别将水样1和水样2中提取的微塑料进行红外光谱分析(见图3和图4)，2个红外光谱图中均出现聚乙烯、聚丙烯和聚酯类物质的特征峰，表明该方法可以实现对水体微塑料的有效提取. 分析发现，样品成分主要为聚乙烯、聚丙烯，同时也发现了羰基、聚酯类物质存在，说明提取到的微塑料中可能含有可降解的塑料颗粒，这与其他文献[18,28]所得结果一致. 另外，图4中还发现了碳酸盐的特征吸收峰(在 1 429、876、714 cm-1处)，碳酸盐(矿物填料)在塑料制品中起到提高塑料制品尺寸的稳定性、硬度和刚性的作用. 基于红外光谱的分析结果，微塑料样品中的主要成分有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等，同时也发现了可降解塑料颗粒的存在，而以上成分均为日常生活中最为常见的塑料成分，如塑料袋、塑料水瓶、衣物及塑料管等.

2.2.3微塑料形态和元素分析

微塑料在扫描电镜下的表面形态如图5所示，其中图5(a)～(d)为与图2(a)～(d)相对应的各类型微塑料颗粒局部表面微观结构图. 结果显示：碎片类微塑料表面的风化痕迹较明显，棱角突出，撕裂程度明显，裂纹结构复杂、粗糙且凸凹不平，微塑料颗粒破损程度高〔见图5(a)〕；薄膜类微塑料无固定形状、表面呈现不同程度的褶曲变形而且边缘破损明显〔见图5(b)〕；纤维类微塑料结构细长、表面粗糙且带有一定的分支〔见图5(c)〕；泡沫类微塑料表面凹凸不平且带有明显的裂纹，且呈现多孔结构，显著增加了微塑料的比表面积〔见图5(d)〕. 这4种微塑料类型均具有不同类型的微孔特征，Corcoran等[29]认为微塑料表面的微观特征可用于鉴别微塑料表面易氧化区，与线性裂纹平行的边缘具有优先氧化的特性.

图5 不同类型微塑料的电镜扫描图Fig.5 Scanning electron microscope diagrams of different types of microplastics

环境中微塑料由于风化、光氧化裂解和生物裂解等作用产生的这些多孔表面特性，能够在表面镶嵌或粘附一些外来物质，如土壤颗粒、有机物质、微生物等，使得微塑料表面结构和物质变得更为复杂. 该研究通过EDS能谱对微塑料表面的元素组成进行分析，证实污水处理厂出水中微塑料表面确实粘附了一些外来物质. 在水样1中选择A点进行EDS能谱分析，结果如图6所示；在水样2中选择B点和C点进行EDS能谱分析，结果如图7所示. 分析结果表明，在微塑料表层有Si、Cu、O、A1、Na、Ca、Ba等元素. Si元素主要以氧化物(SiO2)的形态存在，这表明微塑料的表面附着一些黏土物质，而Cu和A1等金属元素均以氧化物的形态存在[30]. 微塑料能够与Al、Fe、Mn、Cu、Zn、Pb、Ag、Cd、Co、Sr、Mo、Sb、Sn、Ni等金属离子相互作用，成为有毒金属的“传输载体”. 与原始微塑料相比，污泥微塑料对Cd等重金属污染物具有更强的吸附能力[31-32]. 由此可见，城市污水中微塑料的生态毒性可能更为严重.

图6 水样1的EDS能谱图Fig.6 EDS spectra of water sample 1

图7 水样2的EDS能谱图Fig.7 EDS spectra of water sample 2

3 结论

a) 该连续分离浮选装置对不同粒径微塑料回收率在92%以上，表明连续分粒径分离提取方法能够实现对污水中微塑料的高效提取.

b) 从武汉污水处理厂分离得到的微塑料颗粒分为碎片类、泡沫类、薄膜类和纤维类4种，其中，纤维类微塑料的占比最高，其次为泡沫类微塑料，碎片类和薄膜类微塑料的占比近似相等.

c) FTIR结果证实，提取的微塑料颗粒中有聚乙烯、聚丙烯等成分，且发现有羰基、聚酯类物质存在，说明微塑料颗粒中可能存在可降解的塑料颗粒.

d) SEM-EDS结果表明：碎片类微塑料表面风化痕迹较明显，撕裂程度明显，裂纹结构复杂，颗粒破损程度高；薄膜类微塑料无固定形状，表面呈现不同程度的褶曲变形而且边缘破损明显；纤维类微塑料结构细长，表面粗糙且带有一定的分支；泡沫类微塑料呈现一种多孔结构，表面凹凸不平且带有明显的裂纹.