基于便携式X射线荧光光谱（pXRF）的纽约市食品废物堆肥重金属评估：原料安全性、集中式与分散式系统差异及方法学探索

《Waste Management Bulletin》：Assessment of municipal food waste as a feedstock for contaminants in New York City composts

　　

食品废物（food waste）在很大程度上是城市堆肥（municipal compost）的安全原料（feedstock）。纽约市（NYC）不同来源的堆肥具有相似的污染水平，且均在安全限值以内。将便携式X射线荧光光谱（pXRF，portable X-ray fluorescence）用于有机材料（organic materials）的分析是一项新颖的尝试，但针对经过制备的样品，该方法仍需进一步改进和优化。

**论文解读**

**一、研究背景与问题提出**

城市固体废物堆肥（municipal solid waste composting）已被广泛证明具有显著的经济与环境效益，包括为城市农业提供低成本的土壤改良剂（soil amendments）、减少垃圾填埋场的废物量、改善土壤健康以及促进碳固存（carbon sequestration）。然而，关于城市固体废物堆肥的质量问题一直存在担忧，这些担忧主要集中在重金属（heavy metals）或有毒金属（toxic metals）、持久性有机污染物（persistent organic pollutants）以及微塑料（microplastics）的污染方面。污染可能来源于原料（feedstock materials）在收集或处理过程中的交叉污染，也可能源于对来源材料或成品堆肥缺乏一致性检测。

在各类污染中，由混合废物和源头分类废物制成的城市堆肥中的有毒金属污染已被较为广泛地研究。最高的污染风险源于缺乏源头分类（source-separation），即厨房废物与其他垃圾混合丢弃。此外，庭院废物（yard waste）很可能是铅（Pb）的来源，因为城市土壤中遗留的铅具有持久性，这些遗留铅来自废物焚烧、含铅涂料和含铅汽油的使用以及煤炭燃烧等人类活动。农业投入品如化肥、粪肥、除草剂和杀虫剂均可能含有金属，从而污染农产品并在堆肥中积累。

纽约市因其堆肥项目的发展历程，以及作为历史上的工业热点和交通枢纽，为理解城市有机物分流（organics diversion）在制造高质量堆肥方面的潜力和缺陷提供了一个复杂而独特的研究机会。虽然源头分类对堆肥质量至关重要，但原料的污染风险与不同堆肥方法或规模的结合效应也必须加以探索。目前，仅有两处纽约市堆肥设施通过了美国堆肥委员会（USCC，U.S. Composting Council）的检测保证认证（STA，Seal of Testing Assurance），堆肥场地总体上公开的堆肥质量数据非常有限，导致公众难以获取关于堆肥质量、检测或参数的信息。此外，大多数已有研究侧重于检测成品堆肥的稳定性、成熟度和植物毒性，而很少在加工前对原料进行筛查，而加工前筛查原料可能揭示成品堆肥中污染物水平变异驱动因素的重要信息。

**二、研究目的与意义**

本研究旨在实现两个目标：（1）识别食品废物对纽约市堆肥中总体重金属浓度的贡献；（2）检验来自三个具有不同收集、分类和处理方法的场地的纽约市堆肥质量差异。针对第一个目标，研究人员从横跨三个行政区的八个食品废物投放点（FSDO，food scrap drop-off sites）收集了食品废物。针对第二个目标，研究人员从三个分别采用小规模、中规模和大规模堆肥方法的场地收集了成品堆肥。研究人员提出的假设是：不同收集点的食品废物污染不存在显著差异；而堆肥污染水平在集中式堆肥场地最高，其次为中型和小型分散式场地。

**三、关键技术方法**

研究从八个GrowNYC食品废物投放点（曼哈顿三个、布鲁克林三个、皇后区两个，每处每周参与者不少于100人）各采集5–7 kg厨房废物，从三个堆肥场地——即斯塔滕岛Freshkills集中式工业化场地（FK）、中型分散式场地（MD）和小型分散式场地（SD）——各采集2–3 kg成品堆肥。食品废物经风干、烘箱干燥（60°C，48小时）、球磨粉碎及0.25 mm筛分后，采用pXRF（XOS HD Rocksand型号）在"土壤"（SL）和"固体废物"（SW）两种设置下各分析6分钟，每个样品三次重复。堆肥样品干燥后筛分为三个粒径等级（<0.25 mm、0.25–5 mm和>5 mm），最小粒径级分经球磨均质化后在两种pXRF设置下分析，较大粒径级分仅在SL设置下分析90秒。同时，对<0.25 mm粒径级分测定了碳氮比（C:N ratio）、有机质百分比（percent organic matter，450°C灼烧失重法）、硝酸盐（NO₃^-）与铵盐（NH₄⁺）含量（KCl提取-比色法）及pH值。此外，使用NIST标准参考物质2711a评估仪器性能。数据分析采用SAS软件进行单因素方差分析（one-way analysis of variance），并以Duncan多重范围检验（Duncan‘s multiple range test）确定场地和堆肥之间的具体差异。

**四、主要研究结果**

**（一）食品废物重金属浓度及pXRF设置间差异**

在两种pXRF设置下，Sunnyside（SNY）场地所有金属的平均浓度最高，其铅（Pb）平均浓度在SL设置下为23 ppm，SW设置下为28 ppm。Inwood（INW）场地同样呈现较高浓度，在Pb、As、Cu和Ni方面与SNY相似。SW设置在Ni上产生显著更高的值（p<0.001），而SL设置在As（p<0.05）和Cr（p<0.001）上产生显著更高的值；Pb、Zn和Cu在两种设置间无显著差异。将结果与欧盟食品标准进行干重换算比较后发现，所有场地均超过最严格的Pb干重标准（0.2 ppm），但均低于最宽松标准（30 ppm）；SNY接近该限值。INW和SNY在SL设置下超过了最严格和最宽松的As标准，但在SW设置下则低于这些标准。

**（二）堆肥质量参数**

三种堆肥的pH值、有机质百分比、碳氮比及硝酸盐和铵盐含量仅显示出边际性差异。硝酸盐浓度变异较大，但这在同类研究中属于常见现象。pH值、碳百分比、氮百分比和碳氮比与纽约市堆肥的已有报道值相似，总体上满足成熟堆肥的要求。有机质含量显著高于已有研究，这是堆肥质量的积极指标。金属浓度在最小粒径级分（<0.25 mm）中高于较大粒径级分（5 mm和>5 mm），对于Pb、Cu和Cr而言，这些差异具有统计学显著性（p<0.05）。

**（三）堆肥重金属浓度及pXRF设置间差异**

在两种XRF设置下，MD堆肥的Pb和Zn水平显著高于FK和/或SD堆肥（p<0.05）；SD堆肥的Cu显著高于MD和/或FK堆肥（p<0.05）；FK堆肥的Ni显著高于MD和/或SD堆肥（p<0.05）。在堆肥中，SL设置产生的As（p<0.001）、Cu（p<0.05）和Cr（p<0.01）值显著高于SW设置；Pb、Zn和Ni在设置间无显著差异。所有三种堆肥的金属含量均满足美国堆肥委员会STA认证标准，但若参照更严格的纽约州环境保护局（NYSDEC）土壤清理目标——无限制使用标准，FK堆肥是三者中唯一Pb水平符合该标准的（在SL设置下），而所有堆肥的Zn、Cu和Cr均超过NYSDEC标准。

**五、讨论总结**

在pXRF方法学讨论中，研究人员指出多项研究已验证XRF作为定性筛查工具的效用，且pXRF对Pb分析具有较高准确性。然而，"土壤"与"固体废物"设置的选择存在不确定性，两种设置在光学滤波算法和对样品基质及污染水平的假设上有所不同。研究人员观察到两种设置在分析中存在若干差异，但重要的是，Pb——土壤和堆肥研究中最受关注的污染物——在两种设置间无显著差异。若要将pXRF用于Pb以外金属的分析，亟需开发针对食品废物和堆肥的参考物质（reference materials）。此外，pXRF数据中Cd和Hg的浓度因极高且可能不准确而被从最终结果中移除。pXRF虽能检测重金属总量，但无法提供形态（speciation）信息，而形态对金属的生物可利用度（bioavailability）和健康风险有重要影响。

关于食品废物中金属变异来源，SNY和INW场地多种金属水平显著高于其他场地，但这一模式与已有的土壤铅分布图并不一致，表明食品废物中金属的变异并非由局部环境污染驱动，更可能是食品特异性因素所致。加工食品被报道含有较高浓度的重金属，消费模式的邻里尺度差异可能驱动了各场地污染的变异。

关于堆肥中金属变异来源，尽管MD和SD地理位置接近，但两者重金属浓度并不相似。MD的堆肥堆可能与地面或土壤直接接触从而吸收污染物。此外，MD的原料组成随时间发生了显著变化，当前更多使用食品废物和服务包装原料，这可能对堆肥质量产生积极影响。高有机质含量可能对pXRF分析造成干扰，导致Pb浓度被高估。所有金属在较小粒径级分中浓度更高，这与已有研究一致。

在集中式与分散式项目的讨论中，数据显示纽约市许多堆肥场地的Pb值非常相似。尽管FK集中式场地的原料、规模和工艺与社区堆肥场地差异显著，但其堆肥污染物水平与社区场地相当。

**六、研究结论**

研究结果表明，所采样的纽约市食品废物和堆肥的重金属污染程度极低，可安全用于人类。重要的是，这些堆肥中的Pb水平远低于纽约市土壤中已识别的大多数中位Pb水平，提示将这些堆肥施用于表层土壤可促进全市范围内土壤铅暴露的降低。然而，尽管食品废物污染程度较低，部分浓度仍高于食品安全限值，且各收集场地间存在明显变异，这种邻里尺度的变异可能与当地膳食模式和/或环境条件有关，值得进一步研究。研究还表明，需要对纽约市堆肥中的有毒金属及其他重要污染物的浓度开展更深入且公开的研究，同时应调查堆肥生产的机制和动态。不同堆肥方法或规模并未产生一致的金属浓度差异，但需要更多场地数据。pXRF及其他快速评估方法的开发和标准化对于改进污染物分析至关重要，确定pXRF的可行性和准确性将有助于克服纽约市大规模食品废物检测的成本和效率障碍，并帮助小型社区堆肥场地以最低成本检测自身堆肥质量。