最新Total：污水处理厂微塑料排放的环境影响量化剖析-生命周期评估视角

文摘 2025-01-11 09:27 浙江

编辑寄语“这篇论文通过生命周期评估，首次对污水处理厂微塑料排放的环境影响进行全面量化分析，不仅明确微塑料在淡水生态毒性影响中占据主导地位，且其危害程度较重金属、营养物质等常规污染物高出至少两个数量级，为制定精准有效的微塑料污染治理策略和完善环境监管体系提供了关键的数据支撑与科学依据。”

摘要

本研究旨在运用生命周期评估（LCA）量化污水处理厂（WWTPs）排放微塑料（MP）所造成的环境影响。该研究全面评估了微塑料对污水处理厂整体中点和终点影响的贡献，详细分析了颗粒大小、形状、聚合物类型的影响，以及各个污水处理工艺对微塑料去除的环境成本和效益。LCA模型通过SimaPro软件构建，影响评估采用USEtox框架和IMPACT World+方法进行。结果显示，在中点水平，微塑料的影响为1.24×10⁵CTUe（占污水处理厂总影响的94%），这代表了每立方米排放污水对水生物种的潜在危害，其影响程度比其他污染物（如重金属、营养物质）至少高出两个数量级。在终点水平，微塑料造成的损害为8.39×10⁻² PDF·m^2·yr（占总影响的1.7%），表明其对物种多样性的潜在损失，与其他污染物的贡献相当。聚乙烯、聚苯乙烯和聚丙烯被确定为影响最大的聚合物类型。在环境成本和效益方面，二级、三级和初级处理所带来的环境效益呈递减趋势，这与它们各自的微塑料去除效率直接相关。这些研究结果强调了微塑料排放在污水处理厂生命周期清单中的关键作用，并凸显了制定针对性环境政策和采用先进处理技术以解决自然和人工水生系统中微塑料污染问题的迫切需求。

亮点

MP 排放在 WWTP 淡水生态毒性影响中占主导地位。

MP 的影响大于典型的 WWTP 污染物。

最大的毒性影响来自大尺寸碎片 PE 颗粒。

三级处理的环境成本超过了去除 MP 的好处。

研究背景

1. 塑料污染现状：塑料在现代社会广泛应用，2019年全球产量达4.6亿吨，预计2060年将升至13.21亿吨。因其不易降解，易形成微塑料（MPs），对环境和人类健康构成威胁。MPs来源广泛，包括初级和次级来源，其特性影响在环境中的命运和毒性。

2. MPs在淡水中的污染情况：MPs在日常消费品和淡水中广泛存在，与废水排放密切相关，污水处理厂是MPs进入水生环境的重要途径。尽管现有处理技术能去除部分MPs，但仍有大量MPs随污水排放，对环境和人类健康构成潜在风险。

3. 研究目的：量化污水处理厂MP排放的环境影响；对比MP排放与其他常见污染物的环境影响；评估各污水处理工艺在MP去除方面的环境成本与效益。

研究方法

1. 目标与范围定义：选取哈萨克斯坦阿斯塔纳市污水处理厂，其日处理能力为254,000 m^{3}，处理工艺包括机械、初级、生物、UV消毒及额外处理等阶段，处理后污水排入伊希姆河。系统边界为“从摇篮到坟墓”，以1 m^3处理后排放的污水为功能单位，排除维护和设施拆除等影响。

2. 生命周期清单

- 建设清单：建设数据源于Ecoinvent 3数据库，考虑其对金属和化石资源消耗、人类毒性及气候变化的影响，按30年寿命和处理能力分配影响。

- 运行清单 - 排放：污水和污泥中的污染物分为氮、磷、碳等多组，通过多种检测方法获取污染物浓度数据。温室气体排放依据IPCC指南，考虑甲烷和氧化亚氮排放。

图 1.输入/输出在系统边界内流动。

3. 生命周期影响评估

- MP排放环境影响评估：采用IMPACT World+方法，通过特定公式计算MP排放对环境的影响，将MP浓度从颗粒/L转换为kg/m^{3} 。

- 处理工艺环境成本与效益评估：依据MP去除率计算各处理阶段的环境效益，环境成本直接从SimaPro软件获取，排除部分对MP去除无显著影响的阶段。

研究结果

1. MP排放的环境影响

- 中点与终点水平影响：在中点水平，MP排放对淡水生态毒性影响占比达94.73%，远超其他污染物；在终点水平，MP排放影响占比为5.40%，虽低于部分阶段，但仍显著。

- 与其他污染物对比：与其他污染物相比，MP在中点水平的影响比传统污染物高出至少两个数量级，在终点水平影响也较为突出。

2. MP的LCA影响描述

- 不同特性MP的影响：大尺寸（1000 - 5000μm）MP占总影响的79.4%，碎片形状MP占97%，聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）和聚丙烯（PP）是主要影响聚合物类型。

图 2.按尺寸、形状和聚合物类型组划分的 MP 影响分布：a）尺寸（中点）;b）大小（终点）;c）聚合物类型（中点）;d）聚合物类型（终点）;e）形状（中点）;f）形状（端点）。

3. 不确定性分析：蒙特卡罗模拟显示，MP排放影响在中点和终点水平均存在较大不确定性，反映出完善MP影响评估的必要性。

4. MP去除的环境成本与效益：初级处理环境效益最大，其次是二级和三级处理，与MP去除效率一致。现有去除技术存在选择性、预处理需求等局限。

图 4.在装置处理过程中去除 MP 的环境成本和效益：a）中点;b）终点。

研究结论

1. MP排放影响：MP排放对淡水生态毒性影响显著，在中点和终点水平的环境影响高于其他典型污染物。

2. MP特性影响：MP的环境影响因尺寸、形状和聚合物类型而异，大颗粒和特定聚合物类型的MP贡献更大。

3. 研究建议：研发高效MP去除技术，加强MP排放监测与监管，关注MP对人类健康和生态系统的长期影响。

Alibekov, A., Meirambayeva, M., Yengsebek, S., Aldyngurova, F., & Lee, W. (2025). Environmental impact of microplastic emissions from wastewater treatment plant through life cycle assessment. Science of the Total Environment, 962, 178378. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2025.178378

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