三、MPs现有处理技术

水厂和污水处理厂现有的水处理工艺主要针对悬浮固体和胶体物质的处理而设置，包括混凝、过滤和膜分离技术等，但上述处理技术对MPs尤其是纳米塑料的整体处理效果不佳。

3.1

混凝

混凝技术是指向原水中投加化学药剂，使水中的悬浮颗粒和胶体物质聚集为具有明显沉降性能的絮凝体，便于后续沉淀去除的方法。

混凝是水厂和污水厂常用的净水工艺，包括凝聚和絮凝两个过程。

凝聚是指胶体颗粒脱稳并发生初步聚集的过程；

絮凝是指添加絮凝剂使初步聚集的颗粒混凝聚成较大的絮体，加速分离的过程。

影响混凝过程中MPs去除效率的因素包括絮凝剂的类型和投加量、MPs的粒径、pH和温度等。

以PE的去除为例，铝盐是比铁盐更好的絮凝剂，在达到最佳絮凝剂投加量前，随着投加量的增加，PE的去除效率也逐渐提高，且PE粒径越小，去除效率越高，但最高的去除效率仅为36.89%±3.24%；当以硫酸铁作混凝剂时，PE的去除率会随着pH的升高而显著降低。除上述条件外，温度也会通过影响混凝剂的水解速度和MPs颗粒的布朗运动来影响MPs的去除。

在硫酸铝投加量一定的情况下，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的最佳絮凝温度为30℃：当絮凝温度低于30℃时，硫酸铝水解速度降低，PMMA颗粒布朗运动较弱，二者的接触效率降低使得去除效率下降；当絮凝温度高于30℃时，PMMA颗粒布朗运动加快，不易发生凝聚而导致去除效果较差。

值得注意的是，MPs可能会反过来影响其他胶体的混凝去除效果。研究表明，混凝剂的投加量较低(10～18mg/L)时，PS会抑制水体浑浊度的降低，这是因为PS会降低水中絮体表面的Zeta电位，使絮体提前处于相对稳定的状态，粒径不再升高，混凝效率相应下降；而混凝剂投加量升高到22～26mg/L时，PS会增加水中颗粒物的浓度，导致絮体间碰撞概率上升，同时脱稳后的PS絮体骨架会吸附带负电的小颗粒，使得混凝效率上升。

污水厂和水厂现有的混凝沉淀过程并不能完全去除小尺度的MPs和纳米塑料，实验室混凝条件下，大于500μm的PS去除率在90%以上，小于500μm的PS去除率仅为60%，且优化混凝条件后小于5μm的MPs仍难被去除。

水厂实际处理中，MPs的去除率更低。Zhang等通过模拟密歇根州一座典型水厂的混凝条件，研究了该厂混凝过程对0.18～125μm的MPs去除效率，发现未添加助凝剂时去除率低于2.0%，即使添加了助凝剂，也只对尺寸为45～53μm的颗粒有最高的去除率(16.5%)。以上研究表明，混凝对MPs尤其是小粒径MPs的去除效果有待提升。

3.2

砂滤

砂滤是指通过石英砂等颗粒介质层分离水中悬浮颗粒和胶体的方法，通常用在混凝沉淀之后，以便进一步去除悬浮物，属于深度处理工艺。

与混凝沉淀相比，砂滤对MPs表现出了更好的去除效果，但其去除效率与MPs尺寸密切相关，砂滤系统对大于20μm的MPs的去除率可达到70%～80%及以上，对小于20μm的MPs的去除效率有限，这也导致部分MPs会从砂滤系统中逃逸出来。研究表明单独的砂滤过程对100nm的PS去除效果较差，去除率仅为54.3%，而在砂滤后增加活性炭过滤工艺可使PS去除率提高到73.9%，这也意味着要去除小粒径的MPs，单靠砂滤难以达到很好的效果，必须与其他技术联用。

MPs在石英砂中的迁移受制于砂粒表面电荷和水质条件(离子强度、pH和溶解性有机质等)，例如未经修饰的PS表面带负电荷，会与带负电的石英砂产生静电排斥，导致迁移率上升；而经Fe/Al氢氧化物涂层的石英砂表面电负性降低，静电斥力下降，PS更容易被固定在砂子表面，使得迁移率下降。

就水质条件而言，随着离子强度的增加，PS的迁移能力降低，这是因为溶液中大量的阳离子和阴离子压缩了PS和石英砂表面的静电双层，二者表面的Zeta电位降低，静电斥力减小，能垒高度降低，PS更容易突破势垒滞留在砂粒表面；而随着pH的增加或当溶液中存在溶解性有机质如富里酸时，PS和砂粒表面负电荷会增加，静电斥力上升，能垒高度增加，PS不易突破势垒因而难以滞留在砂粒表面。这些吸附机理的研究对于改进砂滤工艺并提高其对MPs的去除能力具有重要意义。

3.3

膜分离技术

膜分离技术是指通过半透膜分离水中悬浮颗粒和胶体物质的方法，属于水厂的深度处理工艺，该技术能耗低，工艺简单，对MPs有很好的去除效果。影响膜分离技术对MPs去除效果的主要因素包括膜的特性(材料、厚度、孔径和表面特性)以及塑料的粒径和形状等。

颗粒粒径越大，去除效率越高，这是因为较大的颗粒可以沉积在膜表面导致孔隙被堵塞，提高对MPs的去除效率。而相比于颗粒状和膜状MPs，纤维状MPs由于横截面积小，容易穿透膜。

常用的膜分离技术有微滤(MF)、超滤(UF)和膜生物反应器(MBR)。MF和UF被广泛应用于去除胶体物质、大分子有机物和藻类等，膜孔径一般在0.1μm左右，可有效去除水中的MPs。Pramanik等研究发现，MF和UF对尺寸在75μm以上的MPs去除效率分别为91%和96%。Tadsuwan等研究了泰国一座污水处理厂各工艺对MPs(粒径在0.05～5mm)的去除效果，结果发现传统去除工艺的总体去除效率为86.14%，增加UF装置后去除效率可达到96.97%，但即使UF膜孔径很小，出水中仍存在有0.05～0.5mm的MPs。

MBR是将膜技术与生物处理技术相结合的新型污水处理工艺，一般用于去除水中有机物和氨氮等，但它也被证实对MPs具有较好的去除效果。在实验室条件下，MBR对大于0.1mm的MPs去除率可达到95%以上，但在实际水厂中，对1mmMPs的去除率为79.01%，与UF技术联用对尺寸在0.1mm以上的MPs的去除效率可达到99%以上。

膜污染是膜分离技术面临的主要问题，研究表明，MPs的存在会使膜污染的速率加快。污染的主要原因是MPs堵塞了膜孔隙或产生了MPs饼层(图1)，小于10μm的MPs的存在会导致MF和UF膜的膜通量下降，影响膜的工作效率，反冲洗是膜恢复过滤能力的关键步骤，化学清洗是常用的反冲洗方法，但长期的化学清洗会影响UF膜的性能，且膜老化后会产生MPs，影响出水水质。

图1  MPs造成的膜污染

3.4

其他技术

除上述主要处理技术工艺外，气浮法、活性污泥法和紫外消毒对MPs也有一定的去除效果。

气浮法是利用高度分散的微小气泡作为载体去黏附水中的悬浮颗粒，使其随气泡浮升到水面而加以去除的方法。MPs的高疏水性使之可以通过简单的气浮法得到去除。在实际水厂中，气浮与混凝技术联用一般可以达到很好的去除效果，例如在有溶解气浮工艺(DAF)的芬兰某污水处理厂中，添加絮凝剂后，对20μm的MPs的去除率可达98.5%。气浮法的去除效率受到MPs形状和密度的影响。一般来说，气浮法对片状MPs的去除效率要高于纤维状，对低密度MPs的去除效果更好。考虑到实际处理中MPs密度各异，选用高密度的浮选液对MPs进行去除或许是一个可行的办法。

活性污泥法是污水处理厂中以微生物絮凝体净化污水的处理工艺，主要被用于去除水中的溶解性有机物，对MPs甚至纳米塑料也有一定的去除能力。Frehland等合成了187nm的PS颗粒和长度为500μm、直径为30μm的塑料纤维，用于研究活性污泥工艺对MPs和纳米塑料的去除效率，结果发现活性污泥可以去除66.5%的PS颗粒和49.3%的塑料纤维。但研究表明，MPs对污泥中微生物活性有不利影响，其具体影响机理还需要深入研究。

紫外消毒属于污水处理厂和水厂的深度处理工艺，一般被用于去除水中的致病菌。研究发现，紫外消毒对MPs也有一定的去除作用，在意大利北部一座污水处理厂中，紫外消毒使MPs的去除率比三级处理后提高了9.1%。但也有研究指出，紫外消毒会使水中MPs浓度略有上升，这主要是因为紫外照射可破碎MPs，使小粒径MPs丰度增加。