全氟烷基物质在经过污泥改良的土壤中会持续存在多久？针对北美、欧洲和亚洲地区，我们建立了百年尺度的区域累积-衰减模型来进行预测

《Journal of Hazardous Materials》：How long will perfluoroalkyl substances persist in sludge-amended soils? Century-scale regional accumulation-decay modeling for North America, Europe, and Asia

　　

金敏熙|玄承勋|韩俊镐

韩国京畿道汉南市Misagangbyeonhangang-ro 229号，环境部

摘要

尽管已经禁止和逐步淘汰了数十年，全氟烷基物质（PFAS）仍然存在于污泥和改良过的土壤中，但其长期持久性和地区差异仍不为人所充分了解。本研究考察了2000年至2023年间北美、欧洲和亚洲地区污水污泥及改良土壤中14种PFAS的存在情况。研究人员建立了区域累积-衰减模型，以评估改良土壤中PFAS的趋势，并预测到2300年的长期浓度。长链PFOS、PFOA、PFDA和PFNA占污泥中PFAS总量的80%以上，这反映了它们的高产量和疏水性。反复施用导致PFAS的累积量增加：到2023年，欧洲达到20 ng/g，北美达到14 ng/g，亚洲达到1.6 ng/g。即使2023年后停止土地施用，到2300年也只有30-40%的PFAS会消失，长链PFAS仍占主导地位。PFOS被确定为一种重要的长期风险因素，预计北美地区的土壤浓度将在4400年超过保护阈值（0.03 ng/g），欧洲为4297年，亚洲为3500年。PFDA的持久性最强，在欧洲土壤中其浓度将持续高于0.92 ng/g直至4100年，而PFNA在欧洲则超过0.042 ng/g直至3300年，随后是北美和亚洲。首次达到合规标准的年份受到长链PFAS和严格筛查标准的影响。研究结果表明，仅依靠自然衰减不足以降低风险，特别是对于长链PFAS，因此需要基于类别的监管、改进污泥处理方法以及对受污染农田的针对性修复。

简明摘要

本文预测了北美、欧洲和亚洲地区污泥及改良土壤中PFAS的过去和未来浓度。

引言

自20世纪中叶以来，全氟烷基物质（PFAS）因其卓越的热稳定性、表面活性和化学抗性而被大规模生产，广泛应用于纺织品、食品包装、氟聚合物制造和水基薄膜泡沫等领域[1]。然而，由于它们的极强持久性、生物累积潜力和毒性[2]，相关法规日益严格。2009年，全氟辛烷磺酸（PFOS）被列入《斯德哥尔摩公约》附件B；2019年全氟辛酸（PFOA）被列入，2022年全氟己烷磺酸（PFHxS）也被列入；目前长链全氟烷基羧酸（C9–C14 PFCAs）正在审议是否纳入该公约[3]、[4]、[5]。欧盟于2021年通过REACH法规率先限制了这些长链PFCAs的使用，多个国家和美国部分州也制定了针对土壤和污泥的具体标准[6]、[7]、[8]。尽管过去二十年国际和地区层面的控制措施有所加强，但21世纪初全球PFAS的产量仍超过每年20万吨，其中北美、欧洲和亚洲合计占产量的90%以上[9]、[10]。这种持续的制造基础使得2000年至2020年间全球市场需求达到数百万吨，导致PFAS持续释放到市政和工业废水中，并在各大洲的空气、水和生物体中留下可测量的残留物[11]。此外，传统的水处理方法无法有效去除PFAS[12]。由于PFAS的溶解度低、疏水性高且生物降解性有限，约60%至95%的PFAS会在污水处理厂（WWTPs）的污泥中积累[13]、[14]。据报道，PFAS在不同国家的污泥和生物固体中高度累积，例如德国[15]、瑞典[16]、西班牙[17]，以及北美的不同地区[18]、[19]和亚洲[20]、[21]。尽管污泥中含有PFAS污染，但全球范围内仍将其施用于土地，作为一种污泥管理策略，旨在提供有机物并改善土壤的物理性质[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。用于土地改良的污泥比例很高：英国为71%，法国为65%，美国为60%，德国为50%，韩国为26%[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。因此，含有PFAS的污泥施用可能显著增加土壤中的PFAS积累[32]。改良土壤中PFAS的浓度水平和同系物组成取决于施用的污泥量以及污水处理厂产生的污泥中PFAS同系物的地区和时间特异性组成。然而，关于控制污泥改良土壤中PFAS污染的地理和时间趋势的数据严重缺乏，这影响了我们对土壤中长期变化（包括历史和未来变化）的理解。因此，尚未全面评估这些改良土壤中PFAS渗入地下水和地表水的长期风险，阻碍了有效的土壤管理策略的制定。

章节摘录

特别关注的使用和污泥中的PFAS同系物

PFAS是一类非常多样化的物质，包括全氟磺酸（PFSAs）、全氟羧酸（PFCAs）、氟调聚物（FT）、全氟烷基醚（PFPE）以及由全氟烷基磺酰氟（PASF）衍生的化合物等[10]、[33]、[34]。在各种PFAS亚类中，PFSAs和PFCAs受到了广泛关注，原因有三：（i）历史上，PFSAs和PFCAs占据了PFAS应用的主要部分

图S1展示了2000年至2023年间北美、欧洲和亚洲PFAS使用的地区和时间趋势。图S1(A)和(B)分别展示了PFAS家族的年使用量和累计吨数。这些趋势显示了PFAS需求的显著时间和地区差异。

2000年至2002年间，北美的PFAS年消费量显著下降

结论

这项百年规模的全球评估旨在绘制PFAS使用和污泥污染的地区和时间趋势，量化14种优先同系物在土壤中的累积情况，预测它们在2300年的衰减轨迹，并估计土壤浓度何时最终降至地下水和地表水的保护阈值以下。

尽管监管时间线各不相同，但PFOS、PFOA、PFDA和PFNA仍占污泥中PFAS总量的80%以上

环境影响

这项百年规模的评估表明，将污泥施用于土地会在农业土壤中形成持久的、具有地区特异性的PFAS库，其中长链同系物如PFOS、PFNA和PFDA占主导地位。即使立即停止污泥使用，自然衰减速度也过慢，无法防止地下水和水体保护阈值在某些地区被长期超过。这些发现强调了改良土壤的长期二次污染问题

玄承勋：撰写——审稿与编辑、验证、资料收集、概念构建。金敏熙：撰写——初稿、可视化、方法设计、调查、数据分析、概念构建。韩俊镐：撰写——审稿与编辑、验证、监督、项目管理、资金筹措。

作者声明以下可能的利益冲突：韩俊镐表示获得了韩国科技信息通信部的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的利益冲突或个人关系。

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）资助的世宗科学奖学金计划（RS-2023-00212731）的支持，该计划由韩国科技信息通信部提供资金。

在准备本研究过程中，作者使用了CHATGPT-5.1（OpenAI）来辅助语法和可读性的改进。使用CHATGPT-5.1（OpenAI）后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对出版物的内容负全责。