城市自然水体及下水系统中微塑料的分布、来源与风险评估研究

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新兴污染物是全球水环境安全领域备受关注的问题,而微塑料(Microplastics,MPs)污染问题则是其中的重要焦点,并已成为与气候变化相当的最重要的环境问题之一。我国是世界上最大的塑料生产国,近年来随着我国塑料产品的进一步扩大生产、不合理使用及低效管理,现有监测数据表明,MPs污染已广泛分布于我国各类河湖海洋水体及陆地等环境中,产生巨大的环境生态风险。
  城市是MPs污染的最主要来源,对城市MPs污染输出的研究是MPs污染防控的首要关键。上海市作为特大城市,是长三角城市群的中心城市和中国第一大金融城市,人口的增长及其经济和工业的发展对水生环境质量产生了巨大影响。同时,上海市地处长江三角洲冲积平原,连接大型高密度人口聚集区与太湖流域平原河网、长江三角洲河口海岸,是MPs污染发生与迁移分布的典型地区,MPs污染风险严峻,对上海地区MPs污染的研究具有十分重要的意义。但当前,对此问题的认识与相关的监测仍然不足,也尚未根据区域的地理环境及人类活动特点进行系统全面的普查与针对性的风险评估,因而难以更加有效地提出MPs污染防控的关键技术、政策与措施。
  因此,本研究针对城市饮用水水源地、主干河道及下水系统,主要是泵站雨季溢流与污水处理厂,基于对MPs浓度、类型、粒径等特征及相关分布情况的表征,解析各类城市水体中MPs的来源与环境因子相关性,以及不同类型排水泵站雨季溢流MPs动态量值及其对河道MPs的影响关系。同时,明晰城市污水处理厂各级处理工艺中MPs的去除效率与归趋。在此基础上,建立MPs污染风险熵评估方法体系,并对城市自然水体及下水系统各源排放MPs污染进行风险评估。本研究能明确城市自然水体及下水系统中MPs的分布情况,追溯城市水体中MPs的来源,可为后期MPs的管控工作提供参考。同时,MPs风险评估方法的建立,为量化水体中MPs造成的生态风险提供了依据。
  研究结论如下:
  (1)苏州河、黄浦江和金泽水源地水体中MPs浓度分别为14.39±5.14个·L-1、26.21±9.63个·L-1和28.28±4.06个·L-1,苏州河沉积物MPs浓度为6233.38±1890.40个·kg-1;总体而言,这些水体中MPs的类型以PET为主,形状均以纤维状为主,颜色以无色透明为主,小粒径(80~500μm)占比最大。
  (2)泵站雨季溢流过程会释放大量MPs进入到水体中。其中,芙蓉江泵站溢流污水及排口河水MPs平均浓度分别为4337.78±2703.12个·L-1和4623.78±2855.11个·L-1;华阳泵站则为1965.56±819.23个·L-1和1221.11±437.71个·L-1;宜昌泵站为3137.00±1371.54个·L-1和1955.25±1025.17个·L-1;广肇泵站为1804.29±817.56个·L-1和1535.71±346.30个·L-1;成都北泵站为3158.00±2328.55个·L-1和2347.00±974.97个·L-1;福建中泵站为949±447.83个·L-1和1581±511.18个·L-1。溢流污水和排口河水中MPs类型以PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)为主,溢流污水颗粒状MPs占比最大,排口河水纤维状MPs占比最大。泵站溢流过程中MPs的浓度与降雨过程相关,泵站溢流释放MPs随时间的变化规律与降雨强度基本一致。根据排水公司及《2017年上海统计年鉴》统计数据计算,苏州河沿岸42座泵站MPs年排量约为0.99×1014个/年,而上海市56座污水处理厂MPs年排量为1.39×1014个/年。
  (3)污水处理厂中含有大量MPs,进水MPs平均浓度为199.08±27.19个·L-1,类型以PET、PA(聚酰胺)、PE(聚乙烯)和PP(聚丙烯)为主,对MPs的整体去除效率约为60%。两个污水处理厂一级处理工艺对MPs的去除率均占整个处理工艺的70%~80%。污水处理厂中MPs的归趋显示最终有38.82%±1.55%MPs随出水进入受纳水体,剩余61.18%±1.55%MPs则进入剩余污泥。
  (4)基于MPs与采样点常规指标数据PCA统计显示,生活源是苏州河MPs的主要来源,其中泵站溢流可能是输送生活源MPs的重要途径;黄浦江中MPs来源较为复杂,水体中的MPs主要受到不同用地类型的影响;另外,大气沉降影响也是城市河道MPs的影响因素,特别是黄浦江水体受大气沉降的影响更大。
  (5)基于MPs风险熵风险评估方法体系,数据显示,城市自然水体中的MPs不会构成生态风险,而城市污水处理厂出水也不会形
  成生态风险;但是泵站溢流会构成显著的生态风险。且生态风险的动态变化与溢流的水动力变化过程一致,不同的泵站风险程度不同。
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