综述：关于废水生物固体和污泥中全氟和多氟烷基物质（PFAS）的批判性综述

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：A Critical Review of Per- and Polyfluoroalkyl Substances (PFAS) in Wastewater Biosolids and Sludge

　　PFAS在污泥及生物污泥中的积累引发环境与健康风险，需通过热解、水热处理等方法和稳定化技术降低污染。研究显示，短链PFAS易迁移，长链PFAS因高亲脂性易吸附。热解（500℃以上）和水热处理（300-375℃）可有效去除目标PFAS，但可能生成新型氟化产物。稳定化技术如吸附剂（GAC、RemBind?）和土壤改良剂（生物炭、石灰）可减少迁移。监管与政策制定及低成本检测方法开发是未来重点。

　　随着全球对环境保护和人类健康的关注度不断提升，废水处理厂产生的生物固体（biosolids）作为农业土壤改良剂的使用，逐渐引起了对全氟和多氟烷基物质（PFAS）的担忧。PFAS是一类具有广泛工业应用的合成有机氟化合物，自20世纪40年代以来，它们在水处理、工业制造以及消费产品中被广泛使用。然而，这些化合物因其独特的化学结构和物理性质，表现出极强的稳定性，导致它们在环境中难以降解，成为所谓的“永远化学物质”（forever chemicals）。研究表明，PFAS能够通过多种途径进入生物固体，并在长期的土地应用中对土壤、水体和生物系统造成潜在的环境和健康风险。因此，对生物固体和污泥中PFAS的检测、量化、处理及管理的研究显得尤为重要。

### PFAS的环境分布与健康风险

目前，全球多个地区的生物固体和污泥中都发现了PFAS的存在，但南美洲尚无相关研究报道。其中，PFOS是最常见的PFAS化合物，而某些长链PFAS如6:2 FTCA的浓度可高达22000 ng/g（干重）。PFAS因其强疏水性，容易吸附于污泥颗粒表面，且由于C–F键的高结合能（约485 kJ/mol），它们在环境中表现出极强的化学稳定性。这种特性使得PFAS在生物固体中难以被常规处理技术有效去除，进而导致其通过土地应用进入土壤和地下水，引发一系列环境问题。美国环境保护署（USEPA）的风险评估指出，含有1 ppb PFOA或PFOS的污泥土地应用，可能对人类健康产生超出可接受阈值的风险，涉及非致癌和致癌效应。因此，如何有效处理和管理这些化合物成为当前研究的热点。

### PFAS的检测与量化方法

PFAS的检测和量化是其环境风险评估和处理技术开发的基础。目前，常用的方法包括液相色谱-质谱联用技术（LC-MS/MS）和气相色谱-质谱联用技术（GC/MS），分别适用于阴离子型和中性/挥发性PFAS的分析。此外，高分辨率质谱（LC-HRMS）和质谱筛查技术（如非靶向分析和可疑分析）也在新兴PFAS的检测中发挥重要作用。这些方法能够提供更精确的分析数据，但也存在成本高、操作复杂等局限性。因此，需要探索更经济高效的检测技术，以支持大规模的PFAS监测。

在污泥和生物固体的分析中，样品的采集和保存至关重要。例如，使用高密度聚乙烯（HDPE）容器和聚丙烯（PP）封口可以有效减少PFAS污染或损失。样品应避免光照，并在0至6°C或更低温度下保存，以减少微生物活性。此外，采用溶剂提取和离心技术能够提高PFAS的提取效率。碱性甲醇（0.3%甲醇氨水）被广泛用于PFAS的提取，但其他溶剂如酸性甲醇、纯甲醇、丙酮-己烷（1:1）以及甲醇-去离子水混合物也得到了应用。这些方法的优劣和适用性，需要根据实际应用条件进行综合评估。

### PFAS的处理与管理

在处理和管理PFAS方面，热处理技术如热解（pyrolysis）和水热处理（hydrothermal treatment）是目前研究最为广泛的方法。这些技术能够在不引入有害物质的情况下，将PFAS从固体残留物中去除，并产生如生物炭（biochar）、水热炭（hydrochar）等有价值的副产品。然而，这些技术的实施仍面临诸多挑战，如成本、能耗以及PFAS的转化产物对环境的影响。例如，热解过程中，PFAS可能转化为其他有机氟化合物，而这些化合物的排放仍需通过热氧化器进行处理，以减少其对环境的潜在危害。

在水热处理中，超临界水气化（SWG）和水热液化（HTL）等方法被用于处理污泥和生物固体。这些技术利用水的高扩散性和低粘度，提高PFAS的转化效率。然而，由于污泥的复杂组成，这些技术在实际应用中仍需进一步优化。此外，某些研究表明，添加催化剂如Ca(OH)?、活性炭（GAC）等，可能有助于提高PFAS的去除率。然而，这些催化剂在处理过程中可能引入新的环境风险，需要进一步研究。

### PFAS的稳定化技术

除了直接处理，稳定化技术也被视为一种有效的PFAS管理策略。这些技术通过添加吸附剂、稳定剂等，增强PFAS与固体的结合能力，从而减少其在环境中的迁移性和生物可利用性。例如，使用活性炭（AC）或生物炭（biochar）等材料，可以显著降低生物固体中PFAS的浓度，减少其对土壤和地下水的污染。然而，这些稳定化技术仅是控制PFAS迁移的手段，并不能彻底去除或降解它们。因此，稳定化技术通常与进一步的处理技术结合使用，以达到最佳的环境管理效果。

### 技术经济与环境影响分析

从技术经济和环境影响的角度来看，热处理技术如热解和水热处理，相较于焚烧，具有更高的资源回收率和更低的温室气体排放。例如，热解过程中，生物炭可以作为土壤改良剂，提高土壤肥力，同时减少对环境的负面影响。而水热处理则能够在较低温度下进行，减少能源消耗，但需要专门的设备来承受高压条件。焚烧虽然能够彻底降解PFAS，但其高能耗和有害气体排放，限制了其大规模应用的可行性。

### 未来展望与研究方向

尽管目前在PFAS的处理和管理方面取得了显著进展，但仍存在许多挑战和需要进一步研究的领域。例如，短链PFAS的处理难度相对较大，且其转化产物可能同样具有环境危害。此外，PFAS的稳定化技术虽然显示出潜力，但其对生态系统的潜在影响仍需深入评估。未来的研究应更加关注PFAS的全生命周期管理，包括其在生物固体中的分布、转化路径以及最终的降解机制。同时，需要开发更高效、经济的检测和处理技术，以适应不同地区的环境条件和政策要求。

### 结论

PFAS在生物固体和污泥中的存在，对环境和人类健康构成了重大挑战。尽管目前已有多种处理和管理技术被提出，但仍需进一步优化和验证其在实际应用中的效果。未来的研究应注重技术的创新和整合，探索更高效、可持续的解决方案，以确保生物固体和污泥在资源回收和环境管理中的双重目标得以实现。此外，公众意识的提升和政策法规的完善，也将对PFAS的减少和管理起到关键作用。通过多学科合作和技术进步，有望在不久的将来实现对PFAS的有效控制和管理。