改性人工湿地高效去除市政污水出水中的全氟和多氟烷基物质(PFAS)：吸附剂协同作用与机制解析

为解决传统污水处理厂(WWTPs)对持久性污染物全氟和多氟烷基物质(PFAS)去除效率低的问题，德国研究团队通过构建垂直潜流人工湿地(VSSF-CW)，对比分析了常规砂基湿地与添加生物炭(Biochar)、颗粒活性炭(GAC)和天然沸石(Zeolite)的改性湿地对11种PFAS的去除效能。研究发现，组合吸附剂湿地(CW+ A/B)通过增强水滞留、吸附和离子交换协同作用，使所有PFAS去除率低于定量限(LOQ)，其中长链PFAS(≥8C)去除率达39-97%，而短链PFAS在常规湿地中呈现负去除。该研究为市政污水深度处理提供了高效、可持续的解决方案，成果发表于《Environmental Technology》。

　　

全氟和多氟烷基物质(PFAS)因其碳-氟键的极端稳定性被称为"永久化学品"，广泛应用于消防泡沫、纺织品等工业领域，却在环境中持续累积并引发健康风险。传统污水处理工艺对PFAS束手无策，而人工湿地(CWs)这类自然解决方案虽能处理常规污染物，但对短链PFAS的去除效率低下。更棘手的是，某些PFAS前体物在降解过程中反而会转化为毒性更强的终端产物，形成"越处理越污染"的恶性循环。面对这一环境治理难题，德国Dinslaken市埃姆舍河口污水处理厂技术试验基地的研究团队开展了一项创新研究，通过改造人工湿地的"内脏"——用生物炭、活性炭和沸石等吸附剂构建"超级过滤器"，成功破解了PFAS去除效率低的技术瓶颈。

研究团队设计了5组垂直潜流人工湿地(VSSF-CW)：常规砂基湿地(CW_Conventional
)、GAC改性湿地(CW_GAC
)、沸石改性湿地(CW_Zeolite
)以及两种组合吸附剂湿地(CW⁺
A/B)。通过18个月的运行监测，采用液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)分析11种PFAS的浓度变化，结合扫描电镜-能谱(SEM-EDS)表征吸附剂表面元素变化，系统评估了不同湿地的污染物去除效能。

在"PFAS浓度与去除率"方面，常规湿地对长链PFAS(如PFOA/PFOS)的去除率仅5-59%，而沸石湿地提升至39-76%。令人惊讶的是，短链PFAS在常规湿地中呈现负去除，研究认为这可能是由于H4-PFOS等前体物的降解转化所致。组合吸附剂湿地则展现出"全能表现"，所有PFAS去除率均低于检测限，其中PFHxA和H4-PFOS去除率分别达91.5%和99.4%。

通过"表面元素组成变化"分析发现，沸石使用后碳含量从4.3%升至8.3%，氟含量从1.1%增至1.3%，证实了PFAS的吸附积累。而GAC的氧含量从5.4%飙升至18.0%，表明其表面形成了丰富的含氧官能团吸附位点。

研究还揭示了"物化性质对去除的影响"：LogD(疏水性参数)与去除率呈显著正相关(R2=0.90)，证实疏水作用是主要去除机制。有趣的是，分子量(MW)的影响呈现"双刃剑"效应——虽然大分子更难进入吸附位点，但其强疏水性最终仍使其更易被截留。

在"水力负荷影响"实验中，当负荷率从144L/d提升至400L/d时，常规湿地对PFOA的去除率下降达39%，而组合吸附剂湿地仍保持稳定去除，证明其抗冲击负荷能力。环境因素分析显示，溶解氧(DO)升高促进PFAS去除，而pH值升高会抑制GAC的静电吸附作用。

这项研究开创性地证明了吸附剂组合策略的协同效应：生物炭增强植物生长和水滞留，GAC提供巨大比表面积实现快速吸附，沸石则通过离子交换特异性捕获长链PFAS。该技术不仅将PFAS去除效率提升至工程化处理水平，还克服了反渗透等技术的高能耗缺陷，为市政污水深度处理提供了经济可持续的解决方案。更值得关注的是，研究首次系统揭示了人工湿地中PFAS前体物转化与短链PFAS负去除的关联机制，为后续技术优化指明了方向。随着全球对PFAS管控日趋严格，这项发表于《Environmental Technology》的研究成果将为水环境治理提供重要技术支撑。