《Journal of Water Process Engineering》：Evaluation of microplastics release and control in integrated treatment equipment for rural domestic sewage
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农村生活污水一体化处理设备（RD-ITEs）中微塑料（MPs）动态研究显示，RD-ITE-1和RD-ITE-2出水中MPs浓度分别达186.79和87.40 MP/L，预反硝化区（RD-ITE-1）和好氧区（RD-ITE-2）为主要释放区，<100μm小尺寸MPs占比高且易释放，MBR等工艺有效截留大尺寸MPs。研究指出RD-ITEs长期运行可能造成二次MPs污染，需加强部件更换和系统监测。
李永贵|何磊|孙杰宇|张彤|陈正玲|杨家琪|陈中兵|邓鹏|杨军
中国四川省科技协同创新基地——低成本废水处理技术，西南科技大学环境工程系，绵阳，621010
摘要
农村生活污水集成处理设备（RD-ITEs）对于分散式处理至关重要，但其在微塑料（MP）动态中的作用仍知之甚少。本研究采用激光直接红外成像（LDIR）技术分析了两种RD-ITEs各处理过程中微塑料的丰度。结果显示，从进水到出水，微塑料的丰度显著增加：RD-ITE-1中从14.76 MP/L增加到186.79 MP/L，RD-ITE-2中从14.76 MP/L增加到87.40 MP/L。主要释放微塑料的过程分别是RD-ITE-1中的预反硝化区和RD-ITE-2中的厌氧区（分别为628.75 MP/L和97.40 MP/L），这可能归因于污泥回流和硝化回流过程。释放的微塑料主要是小尺寸的（<100 μm），而大尺寸的微塑料（>100 μm）则被大多数处理工艺有效拦截，尤其是通过污泥吸附、沉淀和MBR过滤。此外，好氧区和好氧/MBR区将微塑料丰度降低了39.86–96.13%。尽管有净释放，但根据表面积计算，两种系统的厌氧区和好氧区都表现出积极的微塑料去除效果（22.31–97.03%）。本研究强调了二次微塑料污染这一关键问题，亟需关注。尽管RD-ITEs产生的出水符合水质标准，但仍存在大量微塑料的释放，这可能是由于污泥积累以及内部老化塑料部件（如填料、管道等）的磨损所致。这些发现凸显了及时更换部件和进行综合微塑料监测的必要性，以减轻这种意外的环境影响。
引言
微塑料（MPs）（<5 mm）已成为全球研究的焦点[1]、[2]。微塑料的主要来源包括塑料破碎、塑料老化、合成纤维脱落、轮胎磨损、个人护理产品以及工业过程等[3]。作为最大的塑料生产和消费国，中国占全球产量的五分之一，产量约为8004万吨[4]、[5]。人类通过吸入、摄入和皮肤接触暴露于微塑料[6]，这种暴露可能对肺、肝脏和肠道等重要器官构成风险[7]、[8]。因此，解决微塑料的释放风险并制定有效的控制策略对于可持续的生态发展至关重要。
生活污水是微塑料转移的关键途径，也是微塑料进入生态系统的潜在来源[9]。然而，现行标准并未要求在水和废水处理厂的进水中或出水中检测微塑料。许多研究表明，城市污水处理厂能够有效去除微塑料，通常将其截留在污泥中[10]、[11]。关于农村生活污水处理设施中微塑料去除的研究主要集中在传统工艺上，如人工湿地和水/废水处理厂[12]。然而，作为农村地区重要处理选项的农村生活污水集成处理设备（RD-ITEs）在去除微塑料方面的有效性尚未得到充分探索。
分散式废水处理技术是控制农村地区水污染的有效方法[13]。RD-ITEs是处理农村分散生活污水的主要设备。农村污水的质量和数量变化较大，由于分散性强，常常直接排放。作为现场处理系统，RD-ITEs产生的污泥量较少，非常适合处理单个家庭或小群体的污水[13]。RD-ITEs集成了预处理、生物处理、沉淀和消毒功能。其紧凑的结构、小占地面积、短建设时间、高效率和成本效益使其特别适合在没有管道网络的地区进行分散式生活污水处理[14]。这些RD-ITEs通常结合多种处理技术，包括好氧、厌氧、厌氧过程和膜生物反应器（MBR），能有效去除废水中的有机物、氮和磷等污染物[13]、[16]。此外，RD-ITEs还具有节能、减排和资源回收的优势。例如，Pang等人开发了一种新型集成废水处理系统，将厌氧消化与厌氧膜工艺结合，利用产生的甲烷进行气体搅拌、提升和膜清洗，以提高能源效率[16]。RD-ITEs还表现出显著的适应性。例如，Luan等人引入了一种间歇曝气移动床生物膜反应器（MBBR），能够在变化的水质条件下有效处理农村生活污水[17]。RD-ITEs的广泛采用整合了多种传统单模态技术，如MBBR[17]、MBR[13]、厌氧/好氧（A/O）[18]、序批反应器（SBR）[19]和人工湿地，为分散农村生活污水的处理提供了宝贵的实践经验。与传统污水处理厂不同，RD-ITEs是紧凑的集成系统，在单个单元内采用多种处理工艺，并且经常包含易老化和磨损的塑料部件（如填料、管道、膜）。虽然大规模污水处理厂中的微塑料去除已得到广泛研究，但RD-ITEs中微塑料的行为仍不甚清楚。鉴于RD-ITEs在保护农村水质方面的重要作用，有必要评估其微塑料去除或释放风险，以应对分散式农村环境中的微塑料污染问题。
在过去10年中，微塑料的定量和识别技术取得了显著进展。关键方法包括激光直接红外成像（LDIR）[20]、热解气相色谱/质谱（Py-GC/MS）[21]、微傅里叶变换红外光谱（μ-FTIR）[22]、拉曼光谱和视觉显微镜[23]。其中，LDIR是一种相对有效且高效的方法，能够分析小至20 μm的微塑料颗粒，具有高达20 μm的精确度。LDIR光谱利用量子级联激光将红外光聚焦在微塑料颗粒上，清晰地显示其大小、形状和数量。此外，该技术已被证明能够在各种环境中准确检测微塑料，如水、土壤、生物体和大气中的塑料颗粒。许多研究者主张通过数值浓度来更好地量化微塑料，以便对其行为进行精确分析。这些方法有助于深入了解微塑料的存在和特性，促进对其在废水处理系统（如RD-ITEs）中行为的全面研究。
目前，关于RD-ITEs在水中去除和释放微塑料风险的文献较少，这表明存在研究空白，值得探索。因此，本研究旨在使用LDIR方法识别和量化RD-ITEs各处理过程中微塑料的分布和丰度，评估RD-ITEs系统在长期运行中控制微塑料的优缺点。具体而言，本研究将调查农村生活污水集成处理生态系统中所有处理过程中微塑料的识别、定量和潜在释放源。此外，还将分析RD-ITEs去除不同类型微塑料的性能。本研究旨在填补农村生活污水处理厂中微塑料研究领域的空白，并为该领域未来的研究提供理论参考。
设备介绍
设备
研究了两种类型的RD-ITEs，如图1和补充信息（SI）中的图S1–S2所示。RD-ITE-1（7.8 m × 2.4 m × 2.7 m）采用了A3/O-MBR工艺，而RD-ITE-2（5.6 m × 2.4 m × 2.7 m）采用了A2/O-MBR工艺，这是最常用的分散式废水处理设备[24]、[25]。这两种RD-ITEs都具有良好的结构强度和耐腐蚀性，官方使用寿命超过30年。两种RD-ITEs的最大处理流量均为50吨/天。
微塑料的颗粒数量
图3展示了RD-ITE-1中微塑料的丰度、尺寸和在不同处理阶段的面积。各种塑料类型的缩写见表S1。
图3A显示了RD-ITE-1中识别出的21种塑料类型，包括含量较高的聚氨酯（PU）、聚氯乙烯（PVC）、聚四氟乙烯（PTFE）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。上清液中的微塑料丰度从几十到几百个MP/L不等
结论与展望
本研究全面考察了RD-ITEs在长期运行中控制微塑料的有效性和影响。研究结果指出了RD-ITEs在管理微塑料方面的机会和挑战，为了解其环境影响和运行效果提供了宝贵见解。结果表明，虽然RD-ITEs中的大多数处理工艺能有效去除大尺寸微塑料（>100 μm），但同时也无意中促进了小尺寸微塑料的释放
CRediT作者贡献声明
李永贵：撰写初稿、数据整理、概念构思。何磊：撰写初稿、正式分析、数据整理。孙杰宇：调查、正式分析。张彤：资源协调、正式分析。陈正玲：方法学研究、概念构思。杨家琪：撰写、审稿与编辑、资金争取、概念构思。陈中兵：正式分析。邓鹏：正式分析。杨军：资源协调。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号22306048）、深圳市科技计划（编号JCYJ20250604145715020；SYSPG20241211173609007）、中国-中东欧人工湿地国际联合实验室（编号2023319）、四川省教育厅科学研究基金（编号2026NSFSC1221；2026NSFSC1501）、四川省科技计划（编号2025ZDZX0018）以及天府研究院的支持
