一种城镇排水系统微塑料排放量计算与污染程度评估方法

1.本发明属于城市水环境污染控制技术领域，具体涉及一种城镇排水系统微塑料排放量计算与污染程度评估方法。


背景技术：

2.微塑料通常是指颗粒粒径＜5
㎜
的塑料。塑料产品的广泛使用、不恰当的塑料垃圾管理以及人们的不当行为是环境中微塑料产生的主要原因。例如，广泛使用含有塑料微珠的个人护理产品、衣物洗涤过程中合成纤维的大量脱落、工业产品的生产和意外泄露、垃圾填埋场渗滤液等。这些生产、使用过程会导致塑料在环境中的大量累积，并在物化或生物作用下继续被分解成更小的塑料碎片。微塑料广泛分布在全球范围内各种水生和陆地系统乃至生物体组织中，因体积小、比表面积大等特点，微塑料很容易被水生生物吞食，影响水生生物的正常生理活动，进而通过食物链传播，另一方面，微塑料的吸附能力较强，可以富集水中的有毒物质如重金属、持久性有机物等等，对生态环境产生联合毒性，严重威胁人类和其他生物的安全，微塑料污染已被认定为世界性的环境污染问题。
3.据估计，全球每年通过河流运往海洋的塑料垃圾有115万吨到241万吨，预计在未来几十年这一数字还会增加。在人口较密集的城市中，污水处理厂已被证明是陆地微塑料进入淡水环境的重要途径，虽然污水处理厂对进水中各种类型的微塑料表现出较高的去除效果，但大量尾水排放仍会向受纳水体输送大量的微塑料。另一方面，城市降雨径流和管道溢流污水也是城市受纳水体中微塑料的重要来源，地表冲刷携带、未经处理后污水溢流、管道内淤泥侵蚀等都会造成降雨期间内陆水域微塑料浓度发生显著上升。减少微塑料污染的最佳途径是控制微塑料的来源和迁移途径。目前，关于微塑料的研究主要集中在分布特征和毒性效应。有部分研究关注排水系统微塑料排放水平的定量核算与评估，但都局限于污水处理厂尾水和未经处理的污水中微塑料的污染现状研究，并未考虑不同用地类型、不同排水体制等的影响，且未将雨天溢流污染排放量纳入污染总量的核算中，难以反映真实的排放水平，更无法进行有效的污染现状评价与比较。因此，了解陆地系统微塑料进入环境的迁移途径，核算和评估系统排放量，最终根据评估结果制定相应管控措施是至关重要的。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种城镇排水系统微塑料排放量计算与污染程度评估方法，考虑不同用地类型、不同排水体制的影响，且将雨天溢流污染排放量纳入污染总量的核算中，计算旱季和雨季微塑料排放总量，以及对污染程度进行评估。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.本发明提供一种城镇排水系统微塑料排放量计算方法，包括：
7.对旱季待研究区域排水系统各用水类型污水中微塑料浓度及末端污水处理设施进、排水处微塑料浓度进行检测，基于检测结果计算旱季城镇排水系统微塑料排放量；
8.对雨季待研究区域内合流制和分流制排水系统溢流的微塑料浓度进行检测，结合
旱季城镇排水系统微塑料排放量，计算雨季城镇排水系统微塑料排放量。
9.进一步的，所述计算旱季城镇排水系统微塑料排放量，包括：
10.m
旱
＝c
处排
×v处排
m
直排
；
11.m
直排
＝m
总-c
处理
×v处理
；
12.m
总
＝∑c
i产
×vi用水
×
βi c
工业
×v工业
；
13.其中，m
旱
为旱季城镇排水系统微塑料排放量，c
处排
为末端污水处理设施处理后排放的微塑料浓度，v
处排
为末端污水处理设施尾水排放量，m
直排
为未经处理的微塑料排放量，m
总
为待研究区域微塑料产生总量，c
处理
为末端污水处理设施处理进水微塑料浓度，v
处理
为末端污水处理设施处理量，c
i产
为第i种用水类型污水中微塑料浓度，v
i用水
为第i种用水类型实际用水量，βi为第i种用水类型的产污系数，c
工业
为工业污水中微塑料浓度，v
工业
为工业污水排放量。
14.进一步的，所述用水类型包括：居民生活用水、行政用水和商业服务用水。
15.进一步的，所述计算雨季城镇排水系统微塑料排放量，包括：
16.m
雨
＝m
旱
m
sso
m
cso
；
[0017][0018]mcso
＝c
cso
×vcso
；
[0019][0020]
其中，m
雨
为雨季城镇排水系统微塑料排放量，m
sso
为分流制排水系统溢流产生的微塑料排放量，m
cso
为合流制排水系统溢流产生的微塑料排放量，v
x降雨
为第x种下垫面场次或年降雨量，a
x
为第x种下垫面汇水面积，为第x种下垫面径流系数，v
混污
为错、混接污水量，c
sso
为分流制排水系统直排或溢流的微塑料浓度，c
cso
为合流制排水系统直排或溢流的微塑料浓度，v
cso
为合流制溢流量，v
合污
为合流污水量，n0为合流制排水系统截流倍数。
[0021]
进一步的，所述下垫面类型包括道路、屋顶和绿地。
[0022]
进一步的，所述对旱季待研究区域排水系统各用水类型污水中微塑料浓度及末端污水处理设施进、排水处微塑料浓度进行检测，包括：
[0023]
每5-10分钟对旱季污水样品进行采样一次，采样周期为1小时；采样位置为：不同用水类型源头地块的出水口；末端污水处理设施进水样品在进水泵房或集水井处采集，出水样品在尾水排放口采集；
[0024]
使用金属筛网对采集的样品进行过滤，用纯水将筛网上颗粒冲刷至玻璃瓶中；
[0025]
使用30％的双氧水对采集回的玻璃瓶内的样品进行消解，浮悬和抽滤；
[0026]
将抽滤后的样品膜采用光学显微镜进行检测，得到样品中微塑料数量。
[0027]
进一步的，所述对雨季待研究区域内合流制和分流制排水系统溢流的微塑料浓度进行检测，包括：
[0028]
从产生径流和溢流时对雨季污水样品开始采样，时间间隔前密后疏，采样周期为径流和溢流全过程；采样点为溢流排口；
[0029]
使用金属筛网对采集的样品进行过滤，用纯水将筛网上颗粒冲刷至玻璃瓶中；
[0030]
使用30％的双氧水对采集回的玻璃瓶内的样品进行消解，浮悬和抽滤；
[0031]
将抽滤后的样品膜采用光学显微镜进行检测，得到样品中微塑料数量。
[0032]
本发明还提供一种城镇排水系统微塑料排放污染程度评估方法，包括：
[0033]
采用前述的方法对待研究区域内合流制和分流制排水系统溢流污水中微塑料浓度进行采集和检测，计算待研究区域微塑料污染负荷综合指数；
[0034]
基于待研究区域微塑料污染负荷综合指数对城镇排水系统微塑料排放污染程度进行评估。
[0035]
进一步的，所述计算待研究区域微塑料污染负荷综合指数，包括：
[0036]
cfi＝ci/c0；
[0037][0038][0039]
其中，cfi为待研究区域第i个评估点微塑料的污染系数，ci为待研究区域第i个评估点微塑料的实测浓度，c0为微塑料浓度的参考背景值，plii为第i个评估点微塑料污染负荷指数，n为评估点个数，pli
area
为待研究区域微塑料污染负荷综合指数；
[0040]
所述微塑料浓度的参考背景值选取待研究区域内分流制雨水排水口排放的事件平均浓度或末端污水处理设施尾水排放浓度；
[0041]
所述评估点设置在雨季分流制和合流制溢流排口、直排排口和污水处理设施尾水排口。
[0042]
进一步的，所述基于待研究区域微塑料污染负荷综合指数对城镇排水系统微塑料排放污染程度进行评估，包括：
[0043]
如果pli
area
《1，为轻度污染；
[0044]
如果1《pli
area
《2，为中度污染；
[0045]
如果pli
area
》2，为重度污染。
[0046]
本发明的有益效果如下：
[0047]
本发明首次提出对城镇排水系统各环节中微塑料浓度进行采集和检测，核算旱季和雨季微塑料排放总量，弥补了目前缺乏适用于城镇排水系统微塑料排放量计算的不足。通过该方法可以计算不同城镇化水平、地域位置、排水体制等的排水系统，在旱季和雨季的微塑料排放量，为深入分析和比较不同陆域系统微塑料来源提供理论指导，对城市受纳水体微塑料污染评价和管控工作的推进具有支撑作用。
[0048]
本发明以现场采集的样本进行后续计算和评估，考虑到排水系统排放具有瞬时性，在样品采集过程保证多时段、多点位，尽量采集研究区域内多种污水类型和多种下垫面降雨径流，采集雨天排放的样品时应保证典型降雨过程完整采集。本发明综合考虑多种类型排水系统，具有适用性和可操作性，适合推广使用。本发明对城市陆域系统微塑料污染来源解析和总量控制具有重要指导意义。
附图说明
[0049]
图1为本发明实施例提供的一种城镇排水系统微塑料排放量计算和污染程度评估方法流程图。
具体实施方式
[0050]
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方
案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0051]
本发明提供一种城镇排水系统微塑料排放量计算与污染程度评估方法，包括：
[0052]
本发明一个实施例提供的一种城镇排水系统微塑料排放量计算与污染程度评估方法，参见图1，具体实现过程如下：
[0053]
步骤一：通过对排水系统各环节中微塑料样品的采集和检测，核算待研究区域排水系统旱季和雨季的微塑料排放负荷，包括以下具体步骤：
[0054]
(1)采集和检测待研究区域排水系统典型排水户、末端处理设施的微塑料浓度，收集区域用水量、管网普查数据、用地类型等基础资料，计算旱季城镇排水系统微塑料排放量，具体方法如下：
[0055]m旱
＝c
处排
×v处排
m
直排
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0056]m直排
＝m
总-c
处理
×v处理
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0057]m总
＝∑c
i产
×vi用水
×
βi c
工业
×v工业
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0058]
式中，m
旱
为旱季微塑料排放量，个；c
处排
为污水处理设施处理后排放的微塑料浓度，个/m3；v
处排
为污水处理设施尾水排放量，m3；m
直排
为未经处理的微塑料排放量，个；m
总
为研究区域微塑料产生总量，个；c
处理
为污水处理设施处理进水微塑料浓度，个/m3；v
处理
为污水处理设施处理量，m3；c
i产
为第i种用水类型污水中微塑料浓度，个/m3；v
i用水
为第i种用水类型实际用水量，m3；βi为第i种用水类型产污系数；c
工业
为工业污水中微塑料浓度，个/m3；v
工业
为工业污水排放量，m3。c
处排
、c
处理
、c
i产
、c
工业
，均可直接采样测量。
[0059]
本实施例中考虑不是所有污水厂都收工业污水，不同工业类型的产污系数不同，无法统一，且工业污水大多会先自行处理后排放至市政管道内，需根据研究区域实际情况来确定，故在计算中将工业污水单独列出。其他用水类型，如居民、商业、行政等均可根据规范查到适合当地使用的产污系数。
[0060]
(2)雨季城镇排水系统微塑料排放量的计算需要在旱季总量核算的基础上，采集和检测研究区域内合流制和分流制排水系统中溢流污水、降雨径流、合流或混接污水的微塑料浓度，以此计算雨季溢流至受纳水体的污染量。同时，收集降雨量、下垫面类型、截流倍数、混接比例等资料，计算雨季城镇排水系统微塑料排放量，具体方法如下：
[0061]m雨
＝m
旱
m
sso
m
cso
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0062][0063]mcso
＝c
cso
×vcso
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0064][0065]
式中，m
sso
为分流制系统溢流产生的微塑料排放量，个；m
cso
为合流制系统溢流产生的微塑料排放量，个；v
x降雨
为第x种下垫面场次或年降雨量，mm；a
x
为第x种下垫面下垫面汇水面积，m2；为第x种下垫面径流系数；v
混污
为错、混接污水量，m3；c
sso
为分流制系统直排或溢流的微塑料浓度，个/m3；c
cso
为合流制系统直排或溢流的微塑料浓度，个/m3；v
cso
为合流制溢流量，m3；v
合污
为合流污水量，m3；n0为合流制系统截流倍数。
[0066]
步骤二：基于污水处理设施尾水、直排污水、降雨径流、分流制和合流制溢流污水中微塑料浓度的采集和检测，采用tomlinson污染负荷指数法对研究区域排水系统微塑料排放情况进行污染程度评估，具体方法如下：
[0067]
cfi＝ci/c0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
溶液，重复三次，取上清液倒入烧杯中，使用聚碳酸酯膜进行抽滤。将抽滤后的样品膜放置在光学显微镜下进行检测，得到样品中微塑料数量。微塑料按种类分一般可分为纤维、薄膜、颗粒、碎片等。在样品检测过程中因注意，避免使用塑料耗材。
[0086]
(4)排放量计算：基于基础资料收集和微塑料样品检测结果，计算旱季城镇排水系统微塑料排放量，具体方法如下：
[0087]m旱
＝c
处排
×v处排
m
直排
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0088]m直排
＝m
总-c
处理
×v处理
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0089]m总
＝∑c
i产
×vi用水
×
βi c
工业
×v工业
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0090]
式中，m
旱
为旱季微塑料排放量，个；c
处排
为污水处理设施处理后排放的微塑料浓度，个/m3；v
处排
为污水处理设施尾水排放量，m3；m
直排
为未经处理的微塑料排放量，个；m
总
为研究区域微塑料产生总量，个；c
处理
为污水处理设施处理进水微塑料浓度，个/m3；v
处理
为污水处理设施处理量，m3；c
i产
为第i种用水类型污水中微塑料浓度，个/m3；v
i用水
为第i种用水类型实际用水量，m3；βi为第i种用水类型产污系数；c
工业
为工业污水中微塑料浓度，个/m3；v
工业
为工业污水排放量，m3。
[0091]
雨季城镇排水系统微塑料排放量计算方法如下：
[0092]m雨
＝m
旱
m
sso
m
cso
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0093][0094]mcso
＝c
cso
×vcso
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0095][0096]
式中，m
sso
为分流制系统溢流产生的微塑料排放量，个；m
cso
为合流制系统溢流产生的微塑料排放量，个；v
x降雨
为第x种下垫面场次或年降雨量，mm；a
x
为第x种下垫面下垫面汇水面积，m2；为第x种下垫面径流系数；v
混污
为错、混接污水量，m3；c
sso
为分流制系统直排或溢流的微塑料浓度，个/m3；c
cso
为合流制系统直排或溢流的微塑料浓度，个/m3；v
cso
为合流制溢流量，m3；v
合污
为合流污水量，m3；n0为合流制系统截流倍数。
[0097]
(5)污染排放水平评估：采用tomlinson污染负荷指数法对研究区域排水系统微塑料排放情况进行污染程度评估，具体方法如下：
[0098]
cfi＝ci/c0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0099][0100][0101]
式中，cfi为第i个评估点微塑料的污染系数；ci为第i个评估点微塑料的实测浓度，个/m3；c0为微塑料浓度的参考背景值，个/m3；plii为第i个评估点微塑料污染负荷指数；n为待评估点个数，评估点可为重点雨季溢流排口、污水处理厂或小型处理站尾水排放点；pli
area
为研究区域微塑料污染负荷综合指数。
[0102]
实施例
[0103]
本实施例以南宁市建成区内某区域排水系统微塑料的实测数据为例，对微塑料排放量和污染水平进行计算和评估。该区域排水系统总体为分流制，存在部分错混接情况，错混接比例约为15％。区域内主要用水类型为居民生活和商服，以及少量行政，用水量占比约为74％、16％和10％，根据《南宁市污水专项规划》，居民生活产污系数取0.9，商服和行政用
水产污系数均取0.8。区域内主要下垫面类型为道路、屋顶和绿地，汇水面积占比约为39％、37％和24％，根据大量文献调研，三种下垫面径流系数取值分别为0.9、0.8和0.15。
[0104]
通过对研究区域中典型排水户出水、污水处理厂进出水、不同下垫面径流、排水口溢流等开展微塑料样品采集，采样时间为2021年7月-2021年9月。其中，共采集12个排水户，居民住宅采集早、中、晚混合样，商服、行政排水户和污水处理厂采集1小时混合样；共采集4场典型降雨事件的径流和溢流水样，径流下垫面选择道路、屋顶和绿地。所有样品均用不锈钢桶采样，过500目金属筛后用纯水冲洗至玻璃瓶内，带回实验室放入4℃保冷箱中待进一步分析。每个取样点随机收集三个重复样品，取样前后均用蒸馏水冲洗取样工具。
[0105]
使用30％的双氧水对采集回的样品进行消解，消解温度为60℃，消解时间为24小时。消解完成后，将颗粒沉淀较多的样品进一步浮悬，浮悬溶液为饱和zncl2溶液，重复三次，取上清液倒入烧杯中，使用聚碳酸酯膜进行抽滤。将抽滤后的样品膜放置在光学显微镜下进行定量检测。
[0106]
对检测数据进行分析处理，居民生活、商服、行政出水和污水处理厂进出水微塑料平均浓度见表1，经计算，研究区域排水系统旱季微塑料排放量为2.05
×
109个/天。不同降雨事件中降雨径流和管道溢流污水微塑料的事件平均浓度见表2，经计算，研究区域排水系统单场降雨(8.4mm)微塑料排放量为3.26
×
109个。以研究区域分流制雨水排口雨季排放浓度为参考背景值，采用tomlinson污染负荷指数法，对4次监测降雨事件排水系统溢流排放微塑料污染程度进行评估，评估结果见表3，监测的4次溢流事件微塑料排放浓度均为中度污染。从结果可知，雨天溢流污染是城市内河微塑料污染的重要来源之一，其排放浓度远超污水厂尾水浓度，后期应加强微塑料的源解析和总量控制，减少陆域系统微塑料污染负荷的排放量。
[0107]
表1不同排水户出水微塑料浓度
[0108][0109]
表2降雨径流、溢流污水微塑料事件平均浓度
[0110][0111]
表3溢流事件微塑料污染水平等级评估
[0112]
评价事件pli值评估等级溢流事件11.44中度污染溢流事件21.56中度污染溢流事件31.13中度污染溢流事件41.72中度污染
[0113]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人
员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。