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第一作者：杨兴峰
https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122395
• 微塑料在污泥脱水过程中会发生老化和浸出行为。
• 脱水药剂提高pH值和离子强度促进了微塑料的浸出。• 微塑料浸出物来源于塑料添加剂和聚合物衍生物的释放。微塑料（MPs）是环境新兴污染物，在水体、土壤、沉积物和大气等环境中被广泛检测到。污水处理厂（WWTPs）是微塑料（MPs）的重要受体，其中超过90%的MPs被截留在污泥中。因此，污泥中MPs污染及其潜在的环境风险引起了广泛关注。污泥机械脱水作为污泥处理处置路线中的一个重要环节，可以有效实现污泥减量化。污泥机械脱水的过程涉及脱水药剂的化学效应和脱水设备的机械作用，而这些过程对MPs的影响尚不清楚。此外，包含MPs浸出物的污泥脱水液通常会返回污水处理系统，这些MPs浸出物对污水处理过程中活性污泥（AS）的影响也尚未了解。因此，该研究旨在探究：（1）MPs（PA-MP和PS-MP）在不同脱水条件下的理化性质变化和浸出行为；（2）添加脱水调节剂（如石灰）和混凝剂（如铁盐混凝剂）引起的pH值变化和离子强度增加对MPs浸出的影响；（3）当脱水液返回废水处理系统时，MPs浸出物对AS的潜在影响。该研究结果将为理解WWTPs污泥脱水过程中MPs浸出的潜在风险提供科学依据。 图1 图文摘要
研究结果表明，经过污泥机械脱水后，污泥中MPs的理化性质出现不同程度的变化。如图2（a）所示，脱水污泥中MPs的表面呈现不同程度的磨损，粗糙度增加。图2（b）则显示 MPs的平均粒径减小，表明MPs在污泥机械脱水过程中发生了破碎，释放出更微小的塑料颗粒。观察到的MPs表面形貌和粒径变化可能归因于污泥脱水过程中机械应力的施加和脱水药剂的投加。此外，FTIR（图2c）结果表明，污泥脱水后MPs的特征官能团发生变化。总之，表面形貌、粒径大小以及表面官能团的变化共同表明MPs在污泥机械脱水过程中发生了老化行为。 图2 原始MPs和处理后MPs的SEM图（a）、平均粒径图（b）和FTIR光谱图（c）
通过对比添加与不添加MPs的污泥组的溶解有机碳（DOC）含量发现，污泥机械脱水过程促使MPs发生浸出行为。同时，研究发现MPs在污泥中的浸出物浓度比在水中高出2-25倍（图3），这可能是归因于污泥中的复杂组分促进了MPs的浸出。FC-20和FC-200组中MPs的浸出液浓度高于C-200和F组，这意味着FeCl3和CaO的脱水药剂组合对MPs的浸出具有协同促进作用。此外，本研究通过UPLC-QTOF-MS鉴定了MPs浸出物的组成主要包括塑料添加剂和聚合物衍生物。在脱水过程中，FeCl3和CaO等脱水药剂的投加会导致污泥pH值和离子强度发生变化。研究结果表明（图4），pH值和离子强度的变化是影响MPs浸出物组成和浓度的重要因素。其中，PA-MP在酸性条件下会释放更多的浸出物，而碱性条件更能促进PS-MP的浸出。同时，离子的存在对MPs的浸出行为有促进作用。本研究还发现，pH值的增加促进了MPs中类黄腐酸物质的释放，Ca2+浓度的提高则可加速类蛋白物质、类黄腐酸物质以及类可溶性微生物副产物的浸出。 图3 污泥（a）和水（b）中PA-MP和PS-MP浸出液的DOC含量
图4 不同pH值（a，d）、Ca2+（b，e）和Fe3+（c，f）浓度下PA-MPs（a-c）和PS-MPs（d-f）浸出液的DOC含量
进一步研究发现，当MPs浸出物回流到污水处理系统时，COD的去除率下降。由此表明MPs浸出物对AS的性能产生了负面影响。如图5（a-c）所示，MPs浸出物会导致AS的胞外聚合物（EPS）中的蛋白质和多糖含量减少，其含量的减少则反映了AS活性的降低。如图5（d）所示，AS中的活性氧（ROS）水平上升，表明MPs浸出物诱导AS细胞内发生氧化应激反应，为了应对氧化应激，AS中的抗氧化酶（SOD和CAT）活性增加。研究结果还表明，MPs浸出物抑制了AS中微生物的生长繁殖。在MPs浸出物的胁迫下，AS中微生物群落的多样性和丰富度降低，微生物群落的活性和组成改变（图6）。 图5 污泥EPS中多糖（a）和蛋白质（b）的含量；反应器中AS的总EPS含量（c）和酶活性（d）
图6 反应器中AS微生物群落多样性（a）以及门水平（b）和属水平（c）上的微生物组成
本研究结果证实了MPs在污泥机械脱水过程中会发生老化和浸出行为，且MPs浸出物回流至污水处理系统会对活性污泥的性能产生负面影响。这些发现强调了MPs浸出物在污泥处理处置过程中可能带来的环境风险，对于深入了解和评估MPs在WWTPs中的环境行为和风险具有重要的意义。李小伟，博士，上海大学环境与化学工程学院教授，博士生导师。研究方向为污水厂污泥微塑料迁移转化及生态风险控制、污泥生物处理与资源化利用研究、农村厕所粪便污泥污染物迁移转化规律、沼渣好氧深度腐熟技术等，先后主持国家重点研发计划项目子任务、国家自然科学基金面上项目、青年项目、上海市科委创新行动计划课题等10余项；参与国家重大水专项课题、国家自然科学基金重点项目等项目。在Water Research等国内外学术期刊发表学术论文80余篇，ESI 4篇，单篇最高引620余次，申请国家发明专利10项（授权5项），编写《Microplastics in Urban Water Management》、《环境微塑料概论》、《城市污泥厌氧消化理论与实践》等著作及教材7章，获上海市技术发明二等奖、中国生态环境十大科技进展等。兼任《Sustainability》、《环境生态学》等4本中英文杂志编委或青年编委。
通讯邮箱：lixiaowei419@shu.edu.cn杨兴峰，上海大学环境与化学工程学院博士研究生，研究方向为污泥中微塑料的迁移转化。近期以第一作者在Water Research发表论文1篇。投稿、转载、合作、申请入群可在后台留言（备注：姓名+微信号）或发邮件至sthjkx1@163.com
