让污水中的微塑料无影踪

微塑料细密地分散于水、土壤和空气中。然而，这些微塑料究竟从何而来，真正的污染“重灾区”又在哪里呢？初创公司Wasser 3.0开发了一种简单、快速且经济实惠的方法，能够对微塑料进行检测与清除。

 

制造、加工和回收行业目前面临着水、废物、能源、化学品和工厂维护的高成本。城市污水处理厂则对日益复杂的污染情况产生抱怨，并且它们的净化效果正日益达到极限。作为欧盟《城市污水处理指令》修订内容的一部分，未来将要增设的第四处理阶段，仅聚焦于特定的污染物类别，包括微量污染物。该修正案未包括降低环境中微塑料水平的措施。

 

图1：城市污水处理厂中的微塑料：需要注意的是，百分比值并不能代表污水处理厂污水中微塑料的实际数量（来源：Wasser 3.0；图：© Kunststoffe）

目前，增设的“强化第四处理阶段”（指针对微塑料处理），已经在经济高效地实施中。但是，其重点不应放在“污水处理厂能够在三个处理阶段中去除高达95%的微塑料负荷”这一说法上，而有必要用绝对值量化剩余的5%。据预测，每个污水处理厂每年可去除200-500kg的微塑料。仅德国就有10,000个污水处理厂，采用合适的强化第四处理阶段（附加微塑料处理）能够防止大量微塑料通过处理过的污水进入环境（图1）。此外还可以在工业层面采取直接行动。

微塑料的多种进入途径

微塑料是指在我们的环境中发现的小于5mm的塑料颗粒。它们通常不可见并且具有许多不同的特性。通过三个细分类别，我们可以清楚地了解各种微塑料的不同之处及其来源。

原生微塑料是直接释放到环境中的微塑料，它可分为两种类型：

◆ 原生A型微塑料被直接添加到个人护理或清洁产品等产品中。
◆ 原生B型微塑料是由塑料制品（例如：人造草皮、合成服装、汽车轮胎、油漆和清漆）的使用和加工产生的。

次生微塑料是陆地、海洋和河流中的塑料垃圾在紫外线、细菌或摩擦的作用下随着时间的推移分解成越来越小的碎片而产生的。据估计，每年有多达1200万吨的塑料流入海洋，相当于每分钟就有一辆垃圾车的塑料被排放到海里。

从化学角度来看，塑料是合成聚合物；通俗地说，塑料这个术语是同义使用的。它们被用于数不清的工业过程中，甚至是看起来根本不像塑料的产品中，如卫生纸。因此，我们谈论的是虚拟微塑料，它们是在工业生产和加工过程中使用合成聚合物产生的。这些微塑料与工业废水一起被排入周围的水域或污水系统。

 

图2：微塑料进入环境的途径概述 © Wasser 3.0

塑料进入环境之后就很难被去除，而微塑料几乎不可能被去除（图2）。它们可能需要几百年才能被降解，导致随着时间推移出现越来越多的微塑料积聚。规避策略从产品设计层面开始。检测、去除和回收策略最好从工业和城市废水流中的热点区域开始。识别这些热点区域是微塑料标准化和比较分析的任务。

 

让不可见变为可见

仔细研究微塑料的检测可以发现，它分为三个主要步骤：样品采集、取样和检测（分析）。其中很重要的一点是要意识到微塑料分析中的误差来源和挑战不仅可能出现在检测阶段，而且可能出现在从样品采集到检测的每一个步骤中。误差会影响测量结果。因此，在制定检测标准时，明确微塑料分析的要求并对多种方法进行比较尤为重要。很多传统的微塑料检测方法——例如用于微塑料化学鉴定的FTIR和拉曼光谱或显微镜都很复杂、耗时且昂贵。其分析结果可能需要一到数周的时间才能出来，因此不太适用于（废水）水处理过程中的连续过程监测和控制。

未来，人工智能辅助的交叉评估模型可能有助于数据管理，但这需要一个极其完善的数据库，该数据库还要能记录导致微塑料含量规律性和暂时性波动的外部影响。需要数天工作时间、大量人力和专业知识的测量方法，将不太可能在这一应用领域发挥作用。相反，易于使用且可靠的微塑料快速检测方法将变得更加重要。这些方法不仅可以提供潜在重点区域的即时指示，还有助于实现简单且经济高效的过程控制。

使用荧光标记进行检测

针对工业和城市废水流中特定的过程控制和数据收集，每升微塑料颗粒总量的测定已被证明是有效且有意义的。满足该标准的其中一种方法是基于荧光标记的应用。分析从标准化采样开始。水采样使用的玻璃采样瓶、城市废水采样使用的移动颗粒采样装置（PSU）以及工业过程和废水使用的过程集成采样都是易于使用的方法，它们可被用作标准化程序并提供可比较的样本。

使用采样瓶时应注意，这是一个非代表性样本，因为样本量相对较小。因此，微塑料的不均匀性可能导致微塑料负荷出现较大的偏差。因此，该方法非常适合水分析，因为可以在多个地点采集样本而无需花费太多成本或时间，而且可以对微塑料负荷进行全面分析。

用采样瓶采样时，城市污水处理厂获得的结果既不具有代表性，也不具有可比性。样品量（通常为5升）太小，无法进行有意义的微塑料分析，而且错误率太高。为了获得这一应用的代表性结果，建议使用PSU，其优势在于样品量更大（100升及以上）。样品采集需要更长的时间，但如果确定了合理的采样间隔（每月2-4次），它将可以提供具有代表性的、可解释的结果。这些结果可用于未来的解决方案工作和技术开发。

取样完成后，在实验室中对废水样品进行处理。去除天然颗粒来减少总颗粒数并方便进行微塑料检测。天然颗粒通常通过添加过氧化氢来分解。这种处理方法已被证明是处理微塑料的恰当方法之一。但这里也需要制定一个标准的过程协议，以便通过比较分析提供有意义的结果。

样品制备完成后，对微塑料颗粒进行检测。Wasser 3.0采用荧光显微镜作为检测方法。所用的荧光标记是abcr eco Wasser 3.0 detect mix MP-1。这种新型荧光标记混合物可用于使合成聚合物颗粒发光，无论其类型、大小和来源如何。这种特殊的荧光标记物是经过多年研究开发的，可用于选择性地对微塑料进行着色。与其他表征方法相比，荧光显微镜的优势在于其速度和测量效率。此外，这些测量值还可用于发起以解决方案为导向的行动。

 

检测和去除微塑料

Wasser 3.0 PE-X微塑料去除技术能够单独评估每种废水和每个工艺，因此可用于制定满足循环经济和可持续工艺设计标准的定制解决方案，从而始终与最高的生态、社会和经济效率保持一致。解决过程始终从根据现有数据或待收集的新数据对总污染负荷进行深入分析开始。根据确定的污染类型和数量以及当前的问题，该过程可作相应调整。

 

图3：聚集的微塑料团块无需额外帮助即可漂浮在水面上，并且可以轻松分离和回收© David Vogt/Wasser 3.0

从废水流中去除微塑料的原理很简单，即结块与撇渣技术。这包括将无害的混合硅胶添加到受污染的水中。这些硅化合物含有有机物，通过搅拌可与微塑料和微污染物凝结在一起，形成爆米花状的微塑料团块并漂浮在水面上（图3）。根据其尺寸大小，再用撇渣器或粗孔过滤器撇去。该方法既不会产生副产品，也不需要过滤器。利用这项技术，95%以上的微塑料污染负荷和80%以上的微污染物污染负荷可实现工业规模的可重复减少。此外，水可供再利用，废物（微塑料团块）可成为二次材料利用的资源。

由于技术要求简单，Wasser 3.0 PE-X的投资成本比竞争对手低20%以上。其维护要求和运营成本也很低。结合低能耗，目前测试的工业和市政应用领域的总运营成本降低了75%。

 

本文由荣格独家翻译自Plastics Insights杂志
作者：Dr. Katrin Schuhen

 

来源：荣格-《国际塑料商情》

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