生物固体处理厂排放的成核模态颗粒物：对空气质量与公共健康的新兴挑战

《Environmental Science & Technology》：Nucleation-Mode-Particle Emissions from Biosolid Processing Plants

本研究首次报道了生物固体处理设施作为成核模态颗粒物（<5-20 nm）的重要排放源，通过现场监测与透射电镜（TEM/EDX）分析，揭示了这些高表面活性的纳米颗粒的物理化学特性（碳基主成分，含S/N/P）、形成机制（VOCs驱动气相成核）及排放因子（EFPN达4.4×1014–3.7×1015(kg CO2)–1），为评估其深入呼吸道风险与区域空气质量影响提供了关键证据。

　　

引言

近年来，污水处理厂在可持续运营与环境影响平衡方面面临持续挑战。尽管大量研究聚焦于生物气溶胶、温室气体及挥发性有机物等排放，但对纳米级颗粒物数浓度的关注相对不足。生物固体堆肥过程通过微生物降解将污泥转化为有机肥料，同时释放挥发性有机物、潜在致病性生物气溶胶及多种气态污染物。本研究基于区域大气气溶胶移动监测中的偶然发现，首次报道了污水处理厂与堆肥设施复合体周边存在高丰度空气动力学直径小于10纳米的成核模态颗粒物，并系统分析了其尺寸分布、形貌特征、化学组成及排放因子。

材料与方法

研究区域位于美国加州圣贝纳迪诺郡的内陆帝国公用事业局辖区，重点监测其4号污水处理厂及毗邻的北美最大全封闭堆肥设施。采用装备气体与颗粒相浓度监测仪器的移动实验室，在2024年11月至2025年3月期间进行9天实地监测。颗粒物数浓度使用切割粒径为7纳米（TSI 3022A）与10纳米（TSI 3772）的凝结核粒子计数器测定；粒径谱通过移动粒径谱仪获取，范围覆盖2-70纳米；二氧化碳浓度采用LI-COR 830分析仪监测；颗粒物形貌与元素组成通过透射电镜结合能量色散X射线光谱分析。数据经9秒滚动百分位数平滑处理以消除交通排放干扰。

结果与讨论

背景浓度分析显示，区域颗粒物数浓度存在显著空间异质性，N₇背景值介于5300-19300 cm^–3。下风方向监测点出现持续性高浓度事件，N₇常超过200,000 cm^–3，峰值达353,000 cm^–3。颗粒物粒径分布表明主导模态位于5-20纳米，且与二氧化碳浓度升高显著相关。黑碳浓度监测排除了燃烧源为主导成因的可能，确认二氧化碳主要来源于细菌呼吸作用。电镜分析显示颗粒物以无定形碳为主，含硫、磷、氮元素，呈现聚集态结构，表明其可能为高粘度有机气溶胶。排放因子计算显示每千克二氧化碳对应颗粒物数排放量为4.4×10¹⁴至3.7×10¹⁵。

颗粒形成机制假设

高浓度亚10纳米颗粒、无定形碳基组成及聚集形态共同支持挥发性有机物经气相氧化成核的形成路径。堆肥设施排放的氨气与挥发性有机物在南部海岸盆地高臭氧浓度环境下，可能通过有机铵盐形成促进成核。基于风速与距离估算的颗粒物年龄为3-5分钟，对应异常高的生长速率（约200纳米/小时），暗示源区浓度可能超过10⁶cm^–3。尽管观测数据与成核机制一致，仍需后续研究明确前体物具体来源与氧化路径。

结论与意义

本研究证实生物固体处理设施是成核模态纳米颗粒的重要排放源，其高表面活性与微小尺寸可能带来独特的健康风险。排放因子与二氧化碳呼吸排放的关联为区域空气质量模型提供了量化参数，强调需在环境评估中加强对纳米级颗粒物的监测与管控。未来研究应聚焦前体物识别、形成动力学及健康效应机制，以支撑精准治理策略制定。