《Process Safety and Environmental Protection》：Microplastics separation in reject water from wastewater sludge treatment line using micro and ultrafiltration membranes
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本研究評(píng)估了超濾（UF）和微濾（MF）膜處理對(duì)污水處理廠（WWTP）中初級(jí)污泥上清液（PSL）和消化液離心液（DC）中微塑料（MPs）及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除效果，發(fā)現(xiàn)UH050膜在PSL處理中具有穩(wěn)定通量（15 L·m?2·h?1）、高效去除MPs（>99%）和低營(yíng)養(yǎng)流失（NH4+-N僅15%），在DC處理中同樣表現(xiàn)優(yōu)異，支持資源高效利用和循環(huán)經(jīng)濟(jì)。
R. Mompó-Curell|S. Cabrera-Ojeda|J.A. Mendoza-Roca|M.A. Bes-Piá
瓦倫西亞理工大學(xué)工業(yè)輻射物理與環(huán)境安全研究所（ISIRYM），Camino de Vera s/n，瓦倫西亞 46022，西班牙
摘要
廢水污泥中的微塑料（MPs）和其他微粒（MPr）對(duì)廢水處理廠（WWTPs）來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)。當(dāng)經(jīng)過(guò)澄清處理后的廢水被重新引入處理廠時(shí)，其中一些微粒會(huì)重新積累。本研究評(píng)估了超濾（UF）和微濾（MF）膜在去除這些微粒以及保留營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)方面的性能，研究對(duì)象為兩種污泥衍生液：初沉污泥液（PSL）和消化污泥濃縮液（DC）。三種膜（UH050、V6和V0.2）在完全循環(huán)使用和不同濃度條件下進(jìn)行了測(cè)試。對(duì)于PSL，UH050膜表現(xiàn)出優(yōu)異的整體性能，其穩(wěn)定運(yùn)行通量（15 L·m?2·h?1）高，微粒截留效果好，NH??-N和PO?3?-P的截留量幾乎可以忽略不計(jì)。此外，該膜還具有出色的清潔性能，堿洗后通量恢復(fù)率超過(guò)90%。對(duì)于DC，所有膜在滲透液中均實(shí)現(xiàn)了高效的微粒截留，但截留液中未觀察到顯著積累。同樣，UH050膜對(duì)NH??-N和PO?3?-P的截留率最低（分別為15%和幾乎可以忽略不計(jì)），且清潔效率良好。總體而言，UH050膜是處理PSL的最佳選擇，因?yàn)樗婢呶⒘ＨコI(yíng)養(yǎng)物質(zhì)選擇性、水力穩(wěn)定性和清潔性能。這些發(fā)現(xiàn)支持在污泥處理過(guò)程中采用膜技術(shù)來(lái)控制微塑料和回收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而提高資源利用效率和推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。
引言
微塑料（MPs）是來(lái)自多種來(lái)源的小型塑料顆粒，包括大塊塑料的降解產(chǎn)物、紡織品的合成纖維以及個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品中使用的微珠（Bai等人，2025年；Priya等人，2025年；Singh等人，2025年）。微塑料可分為初級(jí)微塑料（有意制造的小顆粒）和次級(jí)微塑料（由大塊塑料破碎形成）（Lehtiniemi等人，2018年；Xia等人，2022年）。由于微塑料的持久性和對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響，它們引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。這些微小顆粒不僅分布廣泛，而且具有很強(qiáng)的抗性，因此從環(huán)境中去除它們是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。它們存在于自然環(huán)境中的土壤、空氣中，尤其是在水生系統(tǒng)中（Bocker和Silva，2025年；Elrahmani等人，2025年；Goh等人，2025年）。從海洋到淡水湖泊和河流等各種水體都容易受到微塑料的污染。微塑料可以通過(guò)多種途徑進(jìn)入水體，包括城市地區(qū)的徑流、廢水排放物以及大氣沉降（Liu等人，2024b）。
廢水處理廠（WWTPs）在管理微塑料污染方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這些設(shè)施的設(shè)計(jì)目的是在廢水排放到環(huán)境中之前去除其中的污染物。然而，大部分在預(yù)處理階段未被分離出的微塑料會(huì)在處理過(guò)程中從水路轉(zhuǎn)移到污泥路（Carnevale Miino等人，2024年；Dronjak等人，2022年）。這種轉(zhuǎn)移發(fā)生在微塑料被污泥捕獲時(shí)（無(wú)論是初級(jí)沉淀池中的可沉淀固體還是二級(jí)沉淀池中的微生物絮體），這是廢水處理的副產(chǎn)品。微塑料在WWTPs中的命運(yùn)是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域，因?yàn)榱私馑鼈兊男袨楹腿コ蕦?duì)于減輕其環(huán)境影響至關(guān)重要（Alibekov等人，2025年）。研究表明，雖然WWTPs可以去除大量進(jìn)入水體的微塑料，但在初級(jí)和二級(jí)處理后仍有相當(dāng)數(shù)量的微塑料進(jìn)入污泥路（Franco等人，2023年）。Zoccali等人（2025年）報(bào)告了509個(gè)WWTPs處理后的微塑料濃度數(shù)據(jù)。根據(jù)平均數(shù)值，初級(jí)處理減少了19%的微塑料（某些情況下還包括預(yù)處理效果），二級(jí)處理進(jìn)一步減少了73%，最終三級(jí)處理使整個(gè)廢水處理系統(tǒng)的微塑料去除率達(dá)到95–96%，最終平均濃度為2.2個(gè)微塑料/L。
所謂“回流水”（也稱為污泥液），是指通過(guò)濃縮或脫水操作從廢水污泥中分離出來(lái)的水流。目前，這些水流被重新引入WWTP的入口。這樣一來(lái)，之前從水路轉(zhuǎn)移到污泥處理過(guò)程中的微塑料又會(huì)重新進(jìn)入廢水處理系統(tǒng)并積累其中。因此，通過(guò)針對(duì)這些水流，可以有效去除微塑料，減少處理后出水中的微塑料含量。這種方法主要針對(duì)含有高濃度微塑料的特定水流，如初沉污泥液（PSL）和消化污泥濃縮液（DC）（Bretas Alvim等人，2022年；Harley-Nyang等人，2022年）。例如，Navajas-Valiente等人（2024年）報(bào)告稱DC中的微塑料濃度為605±29個(gè)微粒·L?1，而Carr等人（2016年）則記錄了高達(dá)2670個(gè)微粒·L?1的濃度。這些高濃度表明有大量微塑料重新進(jìn)入廢水系統(tǒng)并積累在其中，從而增加了處理后廢水和污泥中的微塑料含量。因此，通過(guò)關(guān)注這些水流，WWTPs可以提高其整體微塑料去除效率，有助于改善水質(zhì)。這一策略不僅有助于減少WWTPs的環(huán)境影響，也符合可持續(xù)廢物管理的原則。
分離微塑料對(duì)于進(jìn)一步利用這些水流具有重要意義，因?yàn)樗鼈兪菭I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的來(lái)源。眾所周知，污泥的厭氧消化過(guò)程會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌釋放氮、磷和微塑料，如果能夠分離出微塑料，這些物質(zhì)可以成為回收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的有效途徑（Cruz等人，2019年）。實(shí)際上，已有大量研究利用各種技術(shù)（如膜電滲析或正向滲透）來(lái)回收和濃縮氨氮（Ferrari等人，2022年；Kedwell等人，2018年）。然而，由于磷會(huì)以不同鹽類或鳥糞石的形式沉淀，其回收過(guò)程更為復(fù)雜（Anders等人，2025年；Guo等人，2025年）。無(wú)論如何，在回收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之前，微濾（MF）或超濾（UF）似乎是合適的預(yù)處理方法（Cifuentes-Cabezas等人，2024年）。另一方面，關(guān)于PSL的研究較少，盡管一些作者最近指出其中含有高價(jià)值的氮和磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（Diaz等人，2023年；Liu等人，2024a）。
總體而言，多位研究者評(píng)估了使用膜技術(shù)去除目標(biāo)水流中微塑料的潛力，去除效率介于53%到99%之間，其中超濾（UF）是最常用的方法之一（Sangkham等人，2025年）。Thaiyal Nayahi等人（2022年）利用超濾從垃圾填埋場(chǎng)滲濾液中分離聚合物碎片和纖維，隨后通過(guò)反滲透（RO）進(jìn)行濃縮。同樣，So等人（2025年）使用孔徑為0.6 μm的陶瓷微濾膜，實(shí)現(xiàn)了99%的微塑料去除率。成功實(shí)施這些過(guò)程的關(guān)鍵在于在低體積條件下實(shí)現(xiàn)微塑料的有效分離（高體積濃度因子），以便進(jìn)一步合理管理微塑料。
本研究評(píng)估了微濾（MF）和超濾（UF）工藝，旨在將微塑料濃縮到較小體積的同時(shí)，獲得含有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的滲透液，以便進(jìn)一步回收氮和磷。該研究提出了一種新的方法，專門針對(duì)WWTPs中的PSL和DC水流進(jìn)行微塑料分離，這兩種水流的潛在價(jià)值此前鮮有研究。研究表明，污泥處理過(guò)程中的回流水是微塑料的另一個(gè)來(lái)源，這些微塑料會(huì)被重新引入WWTP的入口。與以往主要關(guān)注從水路去除微塑料的研究不同，我們的方法強(qiáng)調(diào)了處理污泥處理過(guò)程中產(chǎn)生的回流水的重要性。本研究的結(jié)果有望顯著提升廢水處理領(lǐng)域的循環(huán)經(jīng)濟(jì)效率，并為未來(lái)改進(jìn)微塑料分離和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)回收的研究提供參考。
樣本收集、預(yù)處理和特性分析
本研究使用的PSL和DC樣本取自西班牙瓦倫西亞附近的一個(gè)WWTP，具體位置如圖1所示。這些樣本在預(yù)處理和膜過(guò)濾過(guò)程前后都經(jīng)過(guò)了全面的特性分析。
每個(gè)樣本都經(jīng)過(guò)了詳盡的特性分析，包括進(jìn)樣液、濃縮液和滲透液。pH值和電導(dǎo)率使用GLP 21+pH計(jì)和GLP 31+EC計(jì)（Crison，西班牙）進(jìn)行測(cè)量。
PSL的進(jìn)水特性分析
原始PSL和預(yù)過(guò)濾后的PSL的物理化學(xué)特性總結(jié)在表2中（平均值和標(biāo)準(zhǔn)差），各次測(cè)試的PSL詳細(xì)特性分析見補(bǔ)充材料（表S1）。總體而言，PSL含有高濃度的有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，以及大量的固體。這些因素表明它既具有回收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的潛力，也可能導(dǎo)致膜污染。
結(jié)論
本研究展示了使用微濾（MF）和超濾（UF）膜從污泥處理過(guò)程中的回流水流中去除微塑料的潛力，同時(shí)可以從膜滲透液中回收溶解的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（如銨和磷酸鹽）。從回流水流中分離出的微塑料將減少WWTPs中微塑料的積累。
所有測(cè)試的三種膜（UH050、V6和V0.2）均表現(xiàn)出高效的微粒去除效果，滲透液中的微粒濃度很低且可以忽略不計(jì)。
作者貢獻(xiàn)聲明
M.A. Bes-Piá：撰寫——審稿與編輯、監(jiān)督、資源管理、項(xiàng)目協(xié)調(diào)、資金獲取、數(shù)據(jù)管理。R. Mompó-Curell：撰寫——初稿撰寫、方法論設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)據(jù)分析。S. Cabrera-Ojeda：方法論設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)研究。J.A. Mendoza-Roca：撰寫——審稿與編輯、監(jiān)督、資源管理、項(xiàng)目協(xié)調(diào)、資金獲取、數(shù)據(jù)管理。
利益沖突聲明
作者聲明沒(méi)有已知的財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系可能影響本文的研究結(jié)果。
致謝
感謝西班牙科學(xué)與創(chuàng)新部（項(xiàng)目編號(hào)：PID2021–127468OB-I00）提供的財(cái)政支持。同時(shí)，作者Raúl Mompó-Curell特別感謝西班牙教育和職業(yè)培訓(xùn)部提供的資助（項(xiàng)目編號(hào)：FPU20/07709）。Severino Cabrera-Ojeda也感謝FACSA-FOVASA UPV Chair提供的資金支持。
