利用胶体活性炭渗透屏障原位处理地下水羽流中的目标及前体PFAS

《Remediation》：In Situ Treatment of Target and Precursor PFAS in a Groundwater Plume Using a Permeable Barrier of Colloidal Activated Carbon

　　

全氟和多氟烷基物质（PFAS）由于其在自然环境中的普遍性、迁移性和顽固性，在当前修复技术往往无法有效降低其环境风险的情况下构成了挑战。研究人员在PFAS水平超过100,000 ng/L的污染场地实施了一个全尺寸胶体活性炭（CAC）渗透屏障，以评估该技术在限制自然地下水系统中PFAS迁移方面的有效性。2023年建成了一道70 m长的屏障，并通过50多个地下水观测井为期2年的每月地下水采样进行了全面监测。监测结果表明，屏障内∑₃₂PFAS的削减率超过99.9%，许多地下水观测井中的浓度降至4 ng/L以下。预计受屏障影响的所有下游观测点的浓度均下降超过99.9%。监测期间证明了屏障内至少部分保留了超短链PFAS，以及保留了非目标前体。研究结果表明，CAC屏障是缓解PFAS在地下水系统中扩散的有效方法，在设计CAC屏障时，仔细表征水文地质及其他场地特定条件至关重要。这些结果提供了强有力的证据，并展示了一种可有效限制PFAS在自然地下水系统中扩散的全尺寸CAC屏障修复方法。

利用胶体活性炭渗透屏障原位处理地下水羽流中目标及前体PFAS的论文解读

全氟和多氟烷基物质（PFAS，一类含氟有机化合物）因其在环境中的普遍存在、高迁移性和顽固性，成为当前污染修复领域的重大挑战。传统的抽出处理等技术往往难以达到严格的修复目标，尤其在水成膜泡沫（AFFF）使用场地，PFAS浓度可高达数十万ng/L，而监管阈值通常在个位数至百位数ng/L，需削减3至5个数量级。已有的胶体活性炭（CAC）渗透屏障研究主要针对全氟辛酸（PFOA）、全氟辛磺酸（PFOS）等目标PFAS，对前体PFAS在现场条件下的性能评估尚不充分。因此，研究人员在瑞典?rnsk?ldsvik机场附近的一处消防训练场开展了全尺寸CAC屏障的实证研究，旨在评估该技术在真实地下水系统中限制PFAS迁移的有效性，并探讨前体PFAS的归趋。

研究人员在2023年建成了一道70 m长的CAC渗透屏障，垂直于地下水流向，拦截高污染羽流段。研究整合了33个月（包括6个月基线和27个月注入后）的水文地球化学、气象和水文地质数据，利用超过50个地下水观测井进行每月采样，结合目标PFAS分析、总可氧化前体（TOP）测定以及超短链PFAS分析，系统评估了屏障性能。结果表明，屏障内∑₃₂PFAS削减超过99.9%，许多观测井浓度降至4 ng/L以下，下游受影响的观测点削减也超过99.9%。该研究证实CAC屏障能有效限制PFAS在地下水系统中的扩散，同时强调精细的水文地质表征对屏障设计至关重要。论文发表于《Remediation》。

主要技术方法包括：采用水力剖面工具（HPT）、slug试验、iFLUX和FluxTracer被动流量计、CTD传感器、粒度分析及水位监测等手段开展场地水文地质调查，并建立MODFLOW-NWT数值模型；地下水样本来自2023—2025年间的动态采样和观测井低流量采样，分析采用超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）测定32种PFAS，TOP测定量化前体，额外分析超短链PFAS（如三氟乙酸TFA）和6:2氟调聚物磺酰胺烷基甜菜碱（6:2 FTAB）。CAC屏障由141个PlumeStop注入点和47个CaCl₂注入点构成。

3.1 屏障前地下水浓度与PFAS质量通量：通过动态采样和观测井数据，主羽流平均∑₃₂PFAS约45,000 ng/L，其中PFOS占约64%，TOP分析显示存在大量未知前体。基于达西定律、被动流量测量及数值模型，估算PFAS质量通量约为1.1 kg/年，多种方法交叉验证了一致性。

3.2 水文地质观测与地下水流：水位波动1–2 m，受融雪和秋季补给影响显著。屏障下游水力梯度变化约50%，地下水流速可高于上游3–16倍。被动示踪剂测得特定通量为0.11–0.4 m/天。这些观测揭示含水层存在优先流路径，对屏障设计至关重要。

3.3 屏障内性能：屏障内及紧邻屏障的6口观测井，∑₃₂PFAS浓度从约2,000–240,000 ng/L降至≤1 ng/L。但性能达到最佳需要1–2年时间，存在滞后效应。基于浓度变化估算，屏障每年固定化的PFAS为1.4–6.2 kg，即使按保守估计1.4 kg/年，也具有显著环境意义。

3.4 羽流下游效应：下游主处理阴影区内，短链和长链PFAS均显著降低，超过99%的削减。距离屏障越远，浓度下降速率越慢，可能受水动力弥散和地质异质性影响。处理阴影末端因未处理水混合而表现不一致。地表水∑₃₂PFAS削减率为96.6%–98.3%，可能受有机土壤解吸影响。TOP分析表明，非目标前体在屏障内被部分固定，但下游仍存在持续的前体氧化生成PFCA现象。6:2 FTAB因高吸附亲和力（K_d值）在特定井中衰减延迟，说明其被固定后可能通过解吸维持下游信号。超短链PFAS（TFA等）的分析显示屏障内及下游受影响区域浓度中位数显著低于上游，提示至少部分截留，但由于定量限影响，结果仅为半定量。

讨论部分指出，监测数据存在浓度变异性、质量负荷估算不确定性以及屏障长期寿命问题。变异性可能源于反向扩散、地质非均质性和非饱和区储存PFAS的再释放，但未发现屏障发生明显穿透。注入过程可能短暂位移部分羽流，但影响有限。研究人员建议采用多点位时间序列综合评估，并开展长期监测和数值模拟以降低不确定性。

研究结论翻译：两年的广泛监测数据表明，CAC屏障对严重受PFAS影响的地下水系统产生了复杂但明确有前景的响应。地下水PFAS浓度超过100,000 ng/L，降低了最多五个数量级，屏障内监测井浓度低至1 ng/L。重要的是，虽然一组井中的个别测量值可能暂时超过监管阈值，但对多个地点、每月监测的时间序列进行综合评估，显示出一致且强劲的处理效果。从系统角度看，质量负荷评估比单独的点浓度更能反映修复性能，观察到的多数量级浓度降低对应于含水层内每年约1公斤PFAS的固定化。修复响应是渐进的，2年后可能仍未完全稳定，后续监测需考虑稳定期及自然流动、非均质性、解吸/反向扩散造成的延迟。长期结果证实PFAS各基团（包括PFCA、PFSA、目标及非目标前体，以及部分超短链PFAS）均被固定。6:2 FTAB和非目标前体的延迟衰减凸显了正确解释修复后数据、将前体行为纳入监测设计和性能目标的重要性。总之，直推式注入CAC屏障在AFFF影响的地下水系统中可实现高效修复；在满足场地条件（如地质非均质性有限、注入可达性、水流路径稳定）时，应作为PFAS修复策略的重要组成部分。仔细评估场地水文地质条件仍是确定CAC屏障适用性的关键。