城市暴雨径流中全氟及多氟烷基物质（PFAS）的分布规律、时间变化特征与饮用水处理残余物修复潜力研究

《Chemosphere》：Distribution, temporal variation, and treatment of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) in urban stormwater runoff

　　

暴雨径流中全氟及多氟烷基物质（per- and polyfluoroalkyl substances，PFAS）随降雨强度与事件时序而变化；高交通强度点位比低交通强度点位具有显著更高的PFAS负荷；PFAS在降雨事件起始阶段表现出初期冲刷（first-flush）行为；间歇性降雨促进暴雨径流中PFAS的再活化与迁移；铝基/铁基饮用水处理残余物（drinking water treatment residuals，WTRs）在去除暴雨径流PFAS方面具有应用前景。研究人员系统表征了新泽西州高交通城市廊道与低交通居住区暴雨径流中的PFAS谱，并采用批式吸附实验评估铝基饮用水处理残余物（Al-WTR）对PFOA、PFOS、PFNA、PFBS、PFHxS及HFPO-DA（GenX）的截留能力，结果表明交通相关城市地表、道路沉积尘与大气沉降是重要源，短链PFAS更易随水相迁移，长链PFAS更易结合表层与沉积物，而Al-WTR可通过单分子层吸附高效去除多种PFAS且解吸风险较低，为城市暴雨径流PFAS治理提供了低成本、循环经济的吸附剂路径。

研究背景方面，全氟及多氟烷基物质（per- and polyfluorinated alkyl substances，PFAS）因强碳氟键（C-F bond）具有高度化学与热稳定性，自20世纪40年代广泛用于工业与消费品后，已在地表水、地下水、土壤、沉积物、生物体内及人体中广泛检出。PFAS暴露与内分泌干扰、免疫毒性、发育损害及癌症风险升高相关。现有问题包括：传统暴雨控制设施如滞留池与砂滤池并非为PFAS去除设计，对高溶解性、高迁移性PFAS去除效率有限；消防训练场、机场、电子纺织等工业源及车辆轮胎制动磨损、道路沉积尘、大气降水沉降共同构成城市暴雨径流PFAS来源；长链PFAS限用后短链替代物又带来新兴风险。因此，研究人员在《Chemosphere》发表该项工作，旨在揭示城市暴雨径流中PFAS分布、时间变化与迁移机制，并验证饮用水处理残余物（water treatment residuals，WTRs）作为低成本可持续吸附剂的可行性。

主要关键技术方法方面，研究人员以美国新泽西州Trenton与Glassboro为研究区，按交通量划分高交通（major roads/intersections）与低交通居住区点位，于2024年2月、6月、8月跨冬夏降雨及雪融事件采集雨水口入流暴雨径流样本；对单场降雨采用Glassboro间歇雨1小时间隔6小时、Trenton连续雨0.5小时间隔3小时序列采样；PFAS前处理与定量采用USEPA Method 1633，经Oasis WAX固相萃取（solid phase extraction，SPE）与UPLC-MS/MS同位素稀释法分析40种PFAS；吸附实验以铝硫酸盐混凝工艺产生并经球磨细化的铝基饮用水处理残余物（Al-WTR）为吸附剂，在合成暴雨基质中对PFOA、PFOS、PFNA、PFBS、PFHxS、HFPO-DA进行Langmuir等温线拟合与解吸评估；统计上采用单因素方差分析（one-way ANOVA）比较高、低交通点位总PFAS及优势组分差异，显著性水平p<0.05。

研究结果部分，pH和电导率（electrical conductivity，EC）显示径流pH多位于7.0-7.3，EC在16.3-1147 μS/cm间波动，同日期高交通点位EC高于低交通点位，反映路面覆盖与污染物负荷差异。雪与雪融径流部分，Glassboro 2024年2月12日雪样总PFAS为65.7 ng/L，雪融径流升至161 ng/L，PFPeA、PFBA、PFOS分别为57.6、28.5、14.1 ng/L；研究人员认为雪在屋面、铺装等不透水面的长期接触促进建筑密封胶等城市源PFAS浸出与再分配，使雪融径流富集。城市暴雨径流PFAS时间变化部分，Glassboro与Trenton均表现为6月低雨时浓度较低，7月中等降雨总PFAS大幅上升，8月高降雨时总体稳定但PFOS回升；Glassboro高交通点GH 7月总PFAS 233.3 ng/L，8月226 ng/L，低交通点GL变化较弱；Trenton高交通点TH 7月达444 ng/L，说明降雨再发生促进表面PFAS动员与重分配，短链PFBA、PFPeA、PFHxA具高流动性，长链PFOS可逐步释放。交通强度与城市影响部分，ANOVA表明Glassboro 6月总PFAS高低压点差异不显著（p=0.074），7月（p=0.001）、8月（p=0.003）显著；Trenton三个月均显著（p=0.022、0.002、0.002），PFOS是两城最稳定交通敏感物，道路沉积尘、车辆相关材料与基础设施径流构成主要源信号。暴风雨事件内时间动态部分，Glassboro间歇雨各小时浓度无剧烈衰减，干湿循环使表层PFAS再上浮；Trenton连续雨呈典型初期冲刷，高交通点TH起约312 ng/L降至208 ng/L，低交通点TL由292 ng/L降至87 ng/L，说明事件起点、降雨连续性与集水区特征控制浓度过程。Al-WTR去除暴雨径流PFAS部分，六种PFAS等温线均符合非线性Langmuir模型（R²>0.99）；最大吸附容量q_max随碳链增长而增大，PFOS 121 μg/g、PFNA 102 μg/g、PFOA 96.3 μg/g，短链PFBS 67.3 μg/g、PFHxS 66.7 μg/g，HFPO-DA 76.1 μg/g；亲和常数K_L中PFHxS最高21.9 L/mg，HFPO-DA最低3.33 L/mg；解吸实验显示结合态PFAS总体不易释放，Al-WTR对长链磺酸盐与羧酸盐均有良好截留。

讨论与结论部分，研究人员指出城市暴雨径流是PFAS进入受纳水体与地下水的关键通道，高交通密度、较大不透水面比例与大气沉降叠加会放大PFAS负荷，Trenton比Glassboro更高污染水平源于更强城市化与人类活动。短链PFAS在水相中迁移性强，长链PFAS与有机质结合后可在反复润湿中缓慢解吸，因此单场降雨不存在唯一释放脉冲。统计结果支持交通强度是城市径流PFAS空间分异的重要驱动因子，PFOS最具交通敏感性。吸附结果表明Al-WTR凭借铝氧化物/氢氧化物活性位点，可同时以静电吸引与疏水分配去除不同链长与头基PFAS，且解吸程度低，适合作为常规颗粒活性炭（granular activated carbon，GAC）与离子交换树脂替代或补充方案。结论可归纳为：暴雨径流PFAS随降雨强度、事件时序与交通梯度变化；高交通城市走廊是PFAS热点；PFAS在事件初期呈现first-flush并在间歇雨中再动员；Al-WTR对PFOA、PFOS、PFNA、PFBS、PFHxS、HFPO-DA具有高性能吸附与较低解吸风险，为城市暴雨管理提供低成本、废弃物再利用的治理思路。