污水廠污水中微塑料的消解方法

許煥征， 解清杰*， 尹海龍， 蘇 潔， 周君立

(1.江蘇大學環(huán)境與安全工程學院,鎮(zhèn)江 212013;2.同濟大學環(huán)境科學與工程學院,上海 200082)

近年來，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，水環(huán)境中存在著大量的微塑料，通常認為粒徑小于5 mm的塑料顆粒為微塑料[1-2]。近年來，相關研究發(fā)現(xiàn)中國內(nèi)陸水體中普遍存在微塑料污染[3-5]。值得注意的是，微塑料會經(jīng)食物鏈富集進入人體，最小的微塑料能進入血液、淋巴系統(tǒng)甚至肝臟，并對人體產(chǎn)生一系列不利的影響[6-8]?，F(xiàn)有研究結果已充分說明微塑料污染在中國淡水環(huán)境中的普遍性和嚴重性，如不加以重視，很可能給淡水生態(tài)系統(tǒng)的健康及其服務功能帶來不利影響。

污水處理廠作為城市水循環(huán)中的過濾器，也是城鎮(zhèn)水污染防治的最后一道防線[9]，如果要對城市水體中的微塑料進行降解處置，那么在污水處理廠中對微塑料進行集中處置是一種較為可靠與經(jīng)濟的方式。然而目前對于污水廠污水中微塑料的相關研究方興未艾，相關研究監(jiān)測標準尚不統(tǒng)一，檢測方法也不成熟。因此對于污水廠污水中微塑料問題的研究，首先要解決的是確定一種適用于污水中測定微塑料豐度的方法與技術[10-11]。而污水廠污水中含有大量的雜質，包括微生物體等會對檢測計數(shù)造成很大的干擾，因此有必要在檢測污水中微塑料豐度前對水樣進行消解前處理。

由于相關研究對常規(guī)水樣中微塑料檢測的前處理方法不盡相同，其結果也大相徑庭。如Cole等[12]的研究發(fā)現(xiàn)使用酸和堿消解對微塑料的回收率相差較大，其中HCl消解的回收率達72.1%±9.2%，而NaOH回收率可達91.3%±0.4%。Claessens等[13]的研究發(fā)現(xiàn)使用硝酸消解微塑料回收率僅為65.8%～77.0%。為探究不同消解方法對模擬污水廠污水中消解效果微塑料回收率的影響，本文參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》[14]以及相關文獻[12-17]，根據(jù)水樣的前處理中常用的有酸消解方法、堿消解方法和氧化消解方法。選用其中常用的5種不同的消解方法并使用正交實驗進行研究分析，對實驗中的模擬污水進行消解，評價每種方法對微塑料回收率以及表面形態(tài)的影響，并確定其中消解效果最好、回收率高且對微塑料形態(tài)影響小的一種消解方法及其最優(yōu)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與儀器

實驗所涉及的材料主要是KOH、NaOH、H2O2、HNO3和HCl均為分析純，購自國藥集團。微塑料選用100 μm的聚乙烯(polyethyene，PE)、聚丙烯(polypropylene，PP)以及聚苯乙烯(polystyrene，PS)微球。3種塑料微球參數(shù)見表1。

表1 3種塑料微球參數(shù)

實驗儀器主要包括：金相顯微鏡(CX40MRT，SUNNY)、掃描電子電鏡(JSM—7001F，JEOL)。

1.2 實驗設計

1.2.1 模擬污水的配制

實驗所涉及的污水為模擬污水廠內(nèi)污水的水樣特征，其中主要包括水源與微塑料，具體采用100 mL掛膜廢水(下文所有加藥量均為每100 mL的加藥量)與總數(shù)為1 000顆的3種塑料微球相組合。

首先水源既要考慮到模擬污水廠污水中含有的大量生物體成分，同時也要保證其帶入的微塑料盡可能少，減少實驗誤差，以免影響后期回收率的測定。所以，擬采用生物膜實驗的掛膜廢水作為模擬污水的水源。因掛膜實驗的水源是取自膜處理后的去離子水，填料為無紡布(不含顆粒狀塑料成分)，這就能排除微塑料會由水源中帶入的問題，同時又保證水源中含有大量微生物體成分。

其次，微塑料考慮到污水廠污水中微塑料的種類繁多，而實驗中不可能將所有種類的材料都添加到模擬污水中。因此本研究選擇日常生活中3種常見的、且使用量較大的塑料作為微塑料的組成成分，分別是聚乙烯、聚丙烯以及聚苯乙烯。為控制實驗中的變量，故統(tǒng)一3種微塑料的尺寸大小為100 μm(便于顯微鏡下計數(shù)觀察的有利尺寸)，并且通過計數(shù)定量地添加到模擬污水中。

1.2.2 消解效果的確定

消解的目的主要是破壞有機物、溶解顆粒物，并將各種價態(tài)的待測元素氧化成單一高價態(tài)或轉換成易于分解的無機化合物[18]。對于消解方法效果的確定，主要通過計算抽濾時間以及顯微鏡下觀察濾膜表面特征來綜合判斷。由于經(jīng)過消解操作后，水樣中大顆粒物質分解為小顆粒物。因此，消解效果可以直觀地反映為抽濾時間較未消解處理時減少，此外還有顯微鏡下觀察濾膜表面除顆粒狀物質外的雜質少，借此可綜合判斷消解方法的消解效果的差異。實驗中，通過計算比較抽濾100 mL模擬水樣與15 mL消解液(空白實驗為15 mL去離子水)組成的消解后溶液抽濾完成所需時間，以及觀察濾膜抽濾后的表面特征，綜合判斷消解方法消解后對濾膜抽濾的影響。

1.2.3 微塑料的回收率

消解完成后，對消解實驗后水樣用布氏漏斗配合真空泵進行抽濾操作，濾膜采用5 μm的混合纖維膜，將過濾后附有微塑料的濾膜冷凍干燥3 d。對膜上被截留的顆粒物進行顯微鏡下計數(shù)，取得的總數(shù)為Pi，而實驗原先添加的微塑料總數(shù)P為1 000。則回收率S的計算公式如下：

(1)

為提高實驗數(shù)據(jù)的整體可靠性，需要對每組實驗進行大量重復，對最后結果取95%置信區(qū)間作為最后結果。對每組實驗重復進行若干次，回收率分別為S1，S2，Si(i≤n)。取Sq為它的95%置信區(qū)間。

最后用回收率95%置信區(qū)間Sq來評價消解方法對于污水中微塑料的降解影響效果。

1.2.4 單因素實驗方案

分別考察消解時間與加藥量這兩個因素對微塑料回收率的影響，其水平見表2。在實驗中消解方法選用酸消解方法、堿消解方法和氧化消解方法中的HNO3、KOH以及H2O2，每次改變一個因素(消解時間的固定值為60 min，加藥量的固定值為15 mL)進行實驗。

表2 單因素實驗參數(shù)

具體的，對配置好的模擬水樣密封保存，而后在超聲震蕩儀中超聲10 min使水樣中微塑料顆粒充分分散(若仍有少量團聚，可加入適量的酒精破團聚)。取100 mL模擬水樣放入250 mL帶蓋玻璃瓶中，要注意加蓋密封，防止污染。根據(jù)實驗表加入規(guī)定體積的消解溶液，然后將樣品放入恒溫水浴鍋中按規(guī)定時間進行消解。測定微塑料消解后回收率。

1.2.5 正交實驗實驗方案

根據(jù)文獻[12-17]以及現(xiàn)有水樣預處理的消解方法，選用5種消解方法作為研究對象，此外還有消解時間以及加藥量這兩個因素。以此確定一個三因素五水平的正交實驗，相關因素水平見表3。通過實驗研究消解方法對微塑料回收率影響最小的條件，具體實驗操作與單因素實驗中的相同。

表3 正交試驗因素水平

1.2.6 微塑料樣品的表征

對消解過后的微塑料干燥后，通過掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)，進行表面形態(tài)的觀察，采集相應的圖像進行比對判斷。結合先前消解效果與回收率的影響，并最終確定一種適用于測定污水中微塑料豐度的前處理方法。

1.2.7 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS2 5.0進行數(shù)據(jù)分析與比較，將每組的回收率代入正交實驗表中計算，最終得出最優(yōu)解。文中出現(xiàn)的圖均使用Excel 2016進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同種類消解方法消解后對抽濾時間的影響如圖14所示。

由圖1可知，通過酸消解方法(HNO3·HCl、HNO3)消解后，可大幅減少抽濾時間，抽濾時間均不足未消解抽濾時間的30%。通過氧化消解方法(H2O2)消解后，抽濾時間為未消解抽濾時間的33.4%。而通過堿消解方法(KOH、NaOH)在消解處理后，樣品會變得黏稠，抽濾時間分別占未消解抽濾時間的57%與69.3%，相較于酸消解方法與氧化消解方法的抽濾時間明顯更長。且經(jīng)堿消解方法消解后，濾膜易破損，不利于后續(xù)轉移到顯微鏡下計數(shù)，在操作上多有不便。濾膜抽濾時間的減少情況不同，可表明不同消解方法對水樣中的生物絮體有不同的降解效果，HNO3·HCl、HNO3與H2O2均能有效降解，其中HNO3方法的效果最顯著，僅占未消解前的24.0%。

圖1 五種消解方法抽濾時間對比

2.2 消解抽濾后濾膜顯微鏡下比較

通過顯微鏡(放大倍數(shù)為100倍)觀察經(jīng)消解后抽濾的濾膜可以觀察到如圖2所示結果。消解效果的好壞更直觀地反映在能否將原模擬污水中添加進去的生物體樣(紅色箭頭)消解徹底。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，堿消解方法(KOH、NaOH)對模擬污水的消解效果較差，消解后水樣中有絮狀沉淀物(綠色箭頭)，這些絮狀沉淀物略微偏黃，因此使得濾膜在顯微鏡視野中泛黃。H2O2、HNO3·HCl與HNO3這3種消解方法的消解效果都比較理想，其中酸消解方法(HNO3·HCl、HNO3)的效果更佳。這也能與下文中酸消解方法造成微塑料回收率的大幅降低相聯(lián)系，也即因強酸的腐蝕性強，其在對生物體進行消解的同時也會對微塑料進行腐蝕，但這并不利于酸消解方法作為一種適宜的微塑料前處理方法。

圖2 五種消解方法濾膜顯微鏡鏡檢對比

2.3 消解時間與加藥量對微塑料回收率的影響

圖3 消解時間與加藥量對微塑料回收率的影響

實驗結果如圖3所示，可以得到酸消解方法(HNO3)、堿消解方法(KOH)和氧化消解方法(H2O2)這3類消解方法的回收率存在顯著差異。其中H2O2無論是在消解時間或是加藥量的影響下，回收率均在95%左右，且其因消解時間或加藥量的增加，回收率均不發(fā)生顯著降低，即H2O2對微塑料回收率的影響具有很高的穩(wěn)定性。相比之下KOH對于微塑料回收率影響更大，其回收率在85%～90%。而HNO3對于微塑料回收率的影響最大，無論是消解時間或加藥量的增加均對微塑料回收率有很大幅度的降低，回收變化幅度最高可達15%，其回收率最低至70%左右。

2.4 不同消解方法、消解時間和加藥量對微塑料回收率的影響

因考慮到對于回收率測定的計數(shù)方法存在一定的誤差，為減小實驗誤差，研究中采用對正交實驗進行重復，每組實驗重復20次。取20次實驗值的均值作為該組實驗的回收率，實驗結果如圖4所示。可以得到5種消解方法的回收率存在顯著差異。H2O2、NaOH消解方法對于微塑料回收率的影響較為穩(wěn)定，不隨消解時間與加藥量變化太多。因此，單從數(shù)據(jù)直觀地可以判斷H2O2、NaOH消解方法對于回收率的不利影響更穩(wěn)定。

圖4 五種消解方法正交實驗結果分析

通過正交實驗研究不同因素相互作用下對回收率的影響，實驗結果如表4所示。根據(jù)實驗結果進行極值分析，通過對比極值的大小可以發(fā)現(xiàn)，3個因素對于微塑料回收率都有不同程度的影響，3種因素的顯著性影響的主次順序為A>C>B。對正交實驗結果進行直觀分析和極值分析，得到影響微塑料回收率的最佳水平組合為A3C2B3，即消解方法選擇H2O2，消解時間為60 min，加藥量為10 mL。

使用5種消解方法中綜合效果最佳的H2O2消解方法(60 min,10 mL)對模擬污水進行消解處理，后抽濾提取。結果顯示H2O2可以將模擬污水中的生物體成分充分消解，且對污水中微塑料微球具有較高的回收率，回收率可達到96.7%±0.3%。

表4 正交實驗結果

2.5 5種消解方法對微塑料微球表面形態(tài)的影響

用SEM觀察(放大倍數(shù)為500倍)經(jīng)不同消解方法處理后微塑料的表面形態(tài)，結果如圖5所示?？梢钥吹?，未經(jīng)消解處理[圖5(a)]的塑料微球球體規(guī)則、表面光滑。微塑料經(jīng)過H2O2[圖5(b)]消解后，表面未出現(xiàn)明顯的變化。微塑料經(jīng)過堿消解方法{KOH[圖5(c)]、NaOH[圖5(d)}消解后，表面發(fā)生輕微的形變現(xiàn)象(紅色箭頭所示)。而微塑料經(jīng)過酸消解方法{HNO3·HCl[圖5(e)]、HNO3[圖5(f)]}消解后，表面發(fā)生明顯的形變現(xiàn)象(紅色箭頭所示)以及破損現(xiàn)象(如綠色箭頭所示)。HNO3消解后微塑料表面還出現(xiàn)孔洞(如藍色箭頭所示)與深凹痕(如黃色箭頭所示)。相比之下H2O2消解后微塑料表面形態(tài)良好，與未經(jīng)消解處理[圖5(a)]的微塑料沒有明顯差別。

圖5 不同消解方法處理后微塑料的SEM表征

3 結論

綜合考慮消解方法對于生物體的消解效果、對微塑料回收率的影響和對微塑料表面形態(tài)的影響，最終確定了對于生物體的消解效果較好、對于微塑料回收率的影響最小且對微塑料表面形態(tài)幾乎無影響的H2O2方法應用于前處理，其最佳消解時間為60 min，其最佳加藥量為10 mL，回收率可達到96.7%±0.3%。說明H2O2消解方法能夠很好地應用在污水中測定微塑料豐度的前處理階段，用于對其中生物體成分進行消解處理，H2O2消解方法是一種高效可行的消解方法。