台湾地区污水污泥中微塑料的全岛特征分析：为污泥质量评估与资源化规划建立基线

《Waste Management》：Nationwide characterization of microplastics in sewage sludge as a baseline for sludge quality assessment and valorization planning

　　

本研究对台湾地区65座市政污水处理厂（WWTPs）采集的污水污泥样品中的微塑料（MPs）进行了全岛范围的调查。MP浓度在不同WWTP间差异显著，范围为76×103至519×103 MPs/kg干重（d.m.），平均值为224×103±104×103 MPs/kg d.m.。形态学分析显示，碎片是主要的形状类别（占46.9%–94.2%），而粒径分布则以51–100 μm（平均37.3%）和101–300 μm（平均34.8%）的中等颗粒为主。聚合物组成方面，聚乙烯（PE）（4.3%–99.1%）和聚丙烯（PP）（0%–87.5%）在所有样品中占主导地位。研究发现MP浓度与Pb（ρ=0.41, p<0.05）和Mn（ρ=0.33, p<0.05）含量呈正相关，并与灰分含量（ρ=0.41, p<0.05）显著相关。污染负荷指数（PLI）评估表明，所有污泥样品均受到污染，其中77%的WWTPs被归类为重度或极重度污染。聚合物危害指数（HI）和潜在生态风险（PER）评估进一步揭示，相当比例的污泥样品表现出中等至极高的风险水平。研究结果强调，尽管当前重金属法规限制了污泥的农业利用，但未来的循环经济策略应将MP相关指标纳入污泥质量评估体系，以防止有害MP混合物向陆地生态系统转移。

台湾地区污水污泥中微塑料的全岛特征分析：为污泥质量评估与资源化规划建立基线——论文解读

一、研究背景与科学问题

城市污水的成分反映了当代人类活动和消费模式，整合了来自家庭、工业、交通和城市基础设施的各种污染物。在这些污染物中，微塑料（MPs）因其持久性、普遍性和持续向环境释放的特性，已成为日益受到关注的污染物。由于MPs的物理化学性质，它们能够与广泛的化学和生物污染物相互作用，充当载体促进这些污染物在水生环境中的积累、运输和潜在再分布。因此，污水处理厂（WWTPs）成为MPs环境归趋的关键控制点，在处理过程中截留了大量颗粒物。

尽管WWTPs主要用于去除有机物和营养物（如氮和磷），但它们也意外地截留了大量MPs。据报道，常规处理系统的MP去除效率介于50.0%到99.9%之间，但这些数值很大程度上反映的是MPs从水相转移到污水污泥中，而非完全消除。因此，污水污泥已成为MPs的主要储库，报道浓度范围约为6.44×10⁸至1.67×10¹² MPs/千吨污泥。后续的污泥处理和资源化过程（如厌氧消化、堆肥和农业施用）通常无法消除MPs，使其得以持续存在并通过污泥再利用途径重新进入环境。

农业利用是全球最常见的污水污泥管理策略之一，主要因其具有养分回收和土壤改良的潜力。然而，由于污水污泥是废水处理过程中截留MPs的主要汇，扩大污泥再利用也可能增加MPs和其他废水衍生污染物向陆地生态系统的转移。因此，建立台湾地区污水污泥中MPs赋存和特征的基础数据，对于评估未来污泥资源化策略的环境可持续性至关重要。

二、研究方法概述

研究人员从台湾地区65座市政污水处理厂（WWTPs）采集了污水污泥样品，覆盖的处理能力范围从25到1,320,000 m³/d。采用饱和氯化钠溶液进行密度分离，结合30%（w/w）过氧化氢在60°C下消解72小时以去除有机质。MPs的初步鉴定和计数基于光学显微镜下的形态学特征（包括形状、颜色和尺寸），随后采用显微傅里叶变换红外光谱仪（μFTIR）反射模式确认聚合物组成，光谱采集范围为675–4000 cm^-1，光谱分辨率≤8 cm^-1，每次测量扫描64次，最低谱库匹配分数设定为70%。质量控制方面，回收率实验显示30 μm和430 μm聚苯乙烯颗粒的回收率分别为95%–100%和100%。

三、研究结果

3.1 污水污泥中MPs的赋存与空间分布

观察到的MP浓度在不同WWTPs间差异显著，范围为76×10³至519×10³ MPs/kg干重（d.m.），平均值224×10³±104×10³ MPs/kg d.m.，变异系数高达46.3%，凸显了空间异质性。Spearman秩相关分析显示，设计处理能力与MP浓度之间无显著关联（ρ=?0.243, p=0.052），表明处理能力并非MP浓度的主要驱动因素。

3.2 污水污泥中MPs的形态学特征

3.2.1 MPs污染的聚合物特异性模式

聚乙烯（PE）（4.3%–99.1%）和聚丙烯（PP）（0%–87.5%）在所有样品中占主导地位，PE是唯一在所有样品中均检测到的聚合物。PE的相对丰度与总MP浓度呈负相关，而MP浓度随聚合物多样性增加而升高。PP与最大粒径组分（1000–5000 μm）呈正相关（ρ=0.29, p<0.05）。

3.2.2 MPs的形状

碎片占据主导地位（46.9%–94.2%），纤维为第二大形状类别（1.2%–43.1%），泡沫（0%–19.2%）、薄膜（0%–10.8%）和颗粒（0%–6.8%）比例较低。

3.2.3 MPs的尺寸

粒径分布以中等颗粒为主，51–100 μm（平均37.3%）和101–300 μm（平均34.8%）合计约占所有MPs的72%。总MP浓度与最小粒径组分（25–50 μm）的相对丰度呈显著正相关（ρ=0.34, p<0.05）。

3.2.4 MPs的颜色

白色颗粒明显占优势（21.9%–92.5%），黑色（0%–32.1%）、红色（2.1%–39.8%）、蓝色（0%–45.0%）和黄色（0%–37.5%）颗粒比例较低。

3.2.5 MPs的多样性指数

综合多样性指数（DII）范围为0.14至0.83。MP浓度与DII呈正相关（r=40, p<0.05），表明高污染污泥样品具有更高的整体MP多样性。层次聚类分析在Ward连接距离12.6处划分主簇，但未显示出按地理位置或处理能力的清晰分组模式。

3.3 污泥的危害评估

污染负荷指数（PLI）分类显示，所有样品均受污染，其中15、29和21座WWTPs分别被归类为中度、重度和极重度污染。聚合物危害指数（HI）显示，25和20座WWTPs分别处于中度和显著风险水平，7座达到最高危害类别。潜在生态风险（PER）评估发现，30个样品为低风险，而23座WWTPs落入极度危险类别。

3.4 微塑料积累与灰分含量及特定重金属的关系

MP丰度与Mn（ρ=0.33, p<0.05）和Pb（ρ=0.41, p<0.05）浓度呈显著正相关，并与灰分含量（ρ=0.41, p<0.05）显著相关。约90%的污泥样品超过了重金属监管阈值。

四、讨论与结论

本研究的讨论部分指出，MPs与Pb、Mn及灰分含量的正相关关系表明颗粒态污染物在污泥基质中存在共积累现象，但这并不直接证明MPs对金属的吸附机制，可能源于共同的人为输入源以及絮凝和沉淀过程中的被动物理共保留。

研究结论如下：这项研究提供了台湾地区65座WWTPs污水污泥中MPs污染的首个全岛评估。尽管MP丰度存在显著的空间变异性，聚合物组成保持高度一致，PE和PP在全国范围内主导污泥样品。MP污染随着颗粒多样性和最小粒径组分的丰度增加而加剧，表明高污染污泥接收来自多种来源的输入，同时在废水处理和污泥加工过程中经历渐进式破碎。此外，MPs与Pb、Mn及灰分含量之间的正相关关系表明颗粒态污染物在污泥基质中的共积累。风险评估表明，所有污泥样品均受到MPs污染，大多数WWTPs被归类为重度和极重度污染。这些发现强调，尽管当前的重金属法规在很大程度上限制了台湾地区污泥的农业再利用，但未来的循环经济策略应将MP相关指标纳入污泥质量评估，以防止有害MP混合物向陆地生态系统转移。