来自污水处理过程的吸入性气溶胶中的离子型全氟和多氟烷基物质：时空变化、扩散特性、影响因素及风险

《Journal of Hazardous Materials》：Ionic per- and polyfluoroalkyl substances in inhalable aerosols from wastewater treatment processes: Spatiotemporal variations, dispersion characteristics, influencing factors, and risks

细颗粒物中全氟多环芳烃的时空分布及扩散机制研究，揭示污水处理厂夏季精细过滤单元为主要排放源，PFOA浓度最高，废水贡献近50%，排放量达47mg/d，扩散距离超40km， inhalation为主要暴露途径，儿童风险更高，需针对性控制策略。

　　

Xuyi Wang|Zhanpeng Zhang|Yue Zhang|Yunping Han|Shaoyang Pei|Xinlong Li|Xuejun Bi|Shujuan Huang|Tang Yang

青岛理工大学环境与市政工程学院，中国青岛266520

摘要

全氟和多氟烷基物质（PFAS）可能从污水处理厂（WWTPs）被气溶胶化并释放到大气中。然而，PFAS在细颗粒物（PM_2.5）中的时空分布、扩散特性、影响因素及其风险仍不明确。本研究检测了不同季节和不同处理单元中PM_2.5和废水中的典型PFAS。结果表明，细网格过滤单元和夏季分别是PM_2.5中PFAS的主要排放源和排放季节。在检测到的PFAS中，全氟辛酸（PFOA）的含量最高。与上游相比，下游废水中的PM_2.5中PFAS的总浓度和种类更多。废水是PM_2.5中PFAS的主要来源，占比接近50.00%。研究目标PFAS的估计排放量高达47.00毫克/天，其扩散距离超过40公里。吸入是主要的暴露途径，在处理厂内男性面临的暴露风险略高于女性，而儿童在处理厂外的暴露风险高于成人。废水中的PFAS是决定PM_2.5中PFAS含量的主要因素。这些数据突显了PFAS从污水处理厂释放到空气中的气溶胶化过程及其带来的风险，因此需要采取针对性的控制措施。

引言

全氟和多氟烷基物质（PFAS）属于合成化学品，广泛应用于各种人工产品中，如清洁用品、药品、化妆品、纺织品和电子通信[12]、[46]、[8]。PFAS的大规模使用导致它们普遍存在于土壤、水和空气中[10]、[81]。由于其环境持久性、生物累积性、毒性和长距离传输能力，PFAS受到了广泛关注[41]、[73]，并可能对人体健康造成致癌、神经毒性、内分泌干扰、生殖问题、血脂异常和免疫毒性等影响[14]、[3]、[55]。全球已对其制造、使用和排放实施了限制[2]、[38]。例如，全氟辛酸（PFOA）已被列入《斯德哥尔摩公约》附件A，以保护人类健康和环境免受其不良影响[27]、[58]。

大气环境是PFAS的重要扩散媒介，由于PFAS的长距离传输和吸入暴露，它与人类健康密切相关[23]、[30]、[63]。值得注意的是，气溶胶是PFAS从人为活动源释放到大气中的主要载体[1]、[7]、[84]。PFAS的气溶胶化现象发生在多种人为活动中，包括氟化物工业园区[7]、城市固体废物处理设施[64]、垃圾填埋场[34]、纺织制造厂[39]和污水处理厂（WWTPs）[44]。污水处理厂被视为PFAS的重要汇，接收来自各种生产和生活过程的含PFAS废水[5]、[56]。污水处理厂中的某些操作，如曝气、搅拌、分离和污泥脱水，促进了PFAS的雾化，使其突破废水-空气界面[1]、[43]。由于细颗粒物（PM_2.5的广泛传播特性及其对肺泡的深入渗透，它值得更多关注[13]、[9]。

具有可离子化亲水基团的PFAS被归类为离子型PFAS（i-PFAS）[72]。与中性PFAS相比，离子型PFAS更容易吸附在大气中的颗粒物上，这归因于其较低的蒸气压和较高的辛醇-空气分配系数[32]、[80]。先前的研究也报告了在某些季节，污水处理厂的曝气池中释放了PM_2.5中的离子型PFAS[28]、[31]。例如，在中国台湾的一个污水处理厂，夏季和秋季从曝气池两侧检测到了五种PM_2.5中的离子型PFAS，总浓度高达1000皮克/立方米[31]。了解PM_2.5中离子型PFAS的时空变化、影响因素和排放特性（如来源贡献、排放通量和扩散）对于解析其气溶胶化行为和健康风险至关重要[76]。然而，目前关于污水处理厂排放的PM_2.5中离子型PFAS的这类信息尚缺乏。一些方法，如混合单颗粒拉格朗日积分轨迹（HYSPLIT）和正矩阵分解（PMF），可以分别深入评估化学物质的扩散和来源[28]、[51]。这些方法也可以用于研究污水处理厂中PM_2.5中的离子型PFAS。

基于以上研究，从不同设施的排放单元收集了不同季节的PM_2.5及其对应的废水样本，并通过超高性能液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS/MS）检测了15种代表性的离子型PFAS。通过与环境空气中的PM_2.5进行对比，本研究旨在实现三个关键研究目标：（1）阐明不同季节和不同处理单元中PM_2.5中离子型PFAS的组成特征；（2）量化来源贡献，模拟大气扩散，并确定影响离子型PFAS气溶胶化的关键因素；（3）评估污水处理厂内及其周围PM_2.5中离子型PFAS的相对健康风险。研究结果将有助于了解PFAS从污水处理厂释放到空气中的传输过程，并为评估PM_2.5中离子型PFAS的健康影响和控制提供科学依据。

监测站点和样品采集

PM_2.5和废水样本来自一座配备改良厌氧-缺氧-好氧工艺的污水处理厂，该厂的处理能力为每天0.3百万立方米，位于中国青岛。在污水处理厂内设置了四个采样点，以研究具有不同运行功能的气溶胶生成过程（图1）。细网格过滤单元（FG）用于拦截较小的固体颗粒物，这些颗粒物在此过程中会产生气溶胶

污水处理厂中PM_2.5中离子型PFAS的时空特征

从季节角度来看，污水处理厂中PM_2.5中检测到的离子型PFAS的总浓度存在显著变化（单因素方差分析，p < 0.05），夏季的浓度最高（平均为637.11皮克/立方米）（图2a）。先前的研究也证实，夏季废水曝气过程中PM_2.5中离子型PFAS的浓度高于其他季节[50]、[6]，这可能是由于高温条件下离子型PFAS在颗粒物中的挥发加剧

结论

污水处理过程加剧了大气中离子型PFAS的污染和健康风险。观察到明显的季节性差异，夏季污水处理厂中PM_2.5中离子型PFAS的浓度最高。与环境空气相比，所有处理单元中PM_2.5中离子型PFAS的浓度均有所升高，尤其是在细网格过滤单元（FG）处达到峰值。所有污水处理厂中的PM_2.5样本中均检测到了PFOA、PFBA、PFHxA、PFPeA和PFHpA。随着更多离子型PFAS种类的存在，废水中的离子型PFAS含量也更高

环境影响

离子型全氟和多氟烷基物质（i-PFAS）通过空气传播与人类健康密切相关。系统量化研究表明，各种污水处理过程加剧了i-PFAS向大气中的排放、扩散和健康风险。本研究加深了对污水处理过程中PFAS二次污染的全面理解，并丰富了“同一健康”概念下的PFAS环境行为框架

作者贡献声明

Zhanpeng Zhang：撰写——初稿、可视化、方法论、数据整理。Yue Zhang：验证、软件使用、数据分析、形式化分析。Xuyi Wang：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、形式化分析、数据整理。Xinlong Li：软件使用、方法论、形式化分析。Yunping Han：撰写——审稿与编辑、可视化、方法论、概念构建。Shaoyang Pei：可视化、方法论、数据分析。Tang Yang：撰写——审稿与

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号52100125和52370042）和山东省泰山学者计划（项目编号tsqn202312222）的支持