合肥市污水处理厂微塑料去除效率与多样性贡献的对比研究及其环境意义

针对污水处理厂(WWTPs)对微塑料(MPs)的截留机制及生态风险问题，本研究对比分析了合肥市三家典型WWTPs中MPs的丰度(76.6±2.5至98.7±7.7 items/L)、形态特征(纤维占比>60%)及去除效率(74.45%-80.68%)，首次量化了出水MPs的年通量(4321.6-8395亿件/年)和多样性指数(0.589-0.650)，为优化污水处理工艺和控制MPs环境泄漏提供了理论依据。

　　

随着全球塑料产量在2023年飙升至4.138亿吨，微塑料(Microplastics, MPs)作为粒径<5 mm的环境污染物，已成为威胁城市水生态健康的重要因子。这些微小颗粒不仅会吸附重金属和持久性有机污染物，还能通过改变微生物群落结构、抑制水生植物生长、干扰元素生物地球化学循环等方式破坏生态系统平衡。更令人担忧的是，MPs可通过饮用水和食物链进入人体，已有研究表明1 mg/L的MPs暴露24小时即可导致人类肝细胞DNA损伤。作为城市水循环的关键节点，污水处理厂(WWTPs)既是MPs的重要汇集点，也是阻止其进入自然水体的最后防线。然而，全球WWTPs对MPs的去除效率差异巨大(64%-99%)，且关于不同工艺对MPs多样性影响的系统性研究仍属空白。

合肥市作为长三角快速城市化的典型代表，其污水处理系统面临着MPs污染管控的重大挑战。为此，中国科学技术大学的研究团队选取了服务不同功能区（纯生活污水与工业混合污水）的三家WWTPs，通过多阶段采样和聚合物鉴定技术，首次揭示了MPs在污水处理全流程中的迁移转化规律，并创新性地将生态学多样性指数引入MPs污染评估体系。该研究成果发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》，为完善MPs管控理论框架提供了重要科学依据。

关键技术方法包括：1) 采用0.45 μm玻璃纤维膜过滤结合显微拉曼光谱进行MPs定性定量分析；2) 基于Simpson指数构建MPs多样性评价模型；3) 通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)鉴定聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等聚合物类型；4) 对氧化沟、二沉池等工艺单元进行分段效率评估；5) 统计年排放通量时引入等效体积-质量浓度转换模型。

主要研究结果

Abundance and occurrence characteristics
在三家WWTPs进水口检测到MPs浓度分别为76.6±2.5、67.3±4.0和98.7±7.7 items/L，其中工业混合污水处理的WWTP3浓度最高。纤维状MPs占比超60%，<1 mm颗粒占总数78%-83%。污泥中MPs富集浓度达(42.5±3.2)×10²至(53.7±3.4)×10² items/kg，证实污泥回用是MPs二次释放的重要途径。

Removal efficiency analysis
整体去除效率为74.45%-80.68%，其中格栅间和二沉池表现最优（单阶段去除率>35%）。以氧化沟为主工艺的WWTPs对0.1-0.5 mm MPs截留效果显著，但对<50 μm颗粒去除有限，这与其旋流分离机制相关。

Diversity contribution assessment
出水MPs包含PE、PP、聚苯乙烯(PS)等8类聚合物，其Simpson多样性指数达0.589-0.650。年排放通量测算显示，三家WWTPs分别向环境释放4321.6亿、6278亿和8395亿MPs颗粒，相当于向受纳水体每日注入1.2-2.3×10⁷ items MPs的"多样性脉冲"。

研究结论与意义
该研究首次证实WWTPs不仅是MPs的"汇"，更是塑造水体MPs多样性的"源"。尽管现有工艺能去除75%以上的MPs，但残留颗粒的复杂多样性可能加剧生态风险——实验显示40-400 items/L的MPs暴露即可引发斑马鱼神经毒性。通过对比不同工艺表现，发现氧化沟对纤维状MPs的截留效率比传统活性污泥法高15%，这为工艺优化指明了方向。

特别值得注意的是，研究者创新性地将"塑料圈"(Plastisphere)概念与生态多样性理论结合，建立了MPs多样性-环境效应关联模型。该模型成功解释了为何相同浓度下，高多样性MPs污染（指数>0.6）更易引发微生物群落失衡。这些发现不仅填补了城市水系统MPs迁移规律的理论空白，更为制定差异化的排放标准提供了科学依据——建议将多样性指数纳入WWTPs绩效评估体系，以实现从"单纯截留"向"生态友好型去除"的战略转型。