宁波大学于洁 | 市政污泥中全氟和多氟化合物（PFAS）在水热液化过程中的降解和分配

第一作者：于洁 副教授

通讯作者：Timothy J. Strathmann教授

第一单位：宁波大学土木与环境工程学院

论文DOI：https://doi.org/10.1039/C9EW01139K

图文摘要

成果简介

近日，宁波大学环境工程系于洁副教授在环境领域期刊Environmental Science: Water Research & Technology上发表了一篇题为“Fate of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) duringhydrothermal liquefaction of municipal wastewater treatment sludge”的研究论文，监测了市政污泥中5种代表性全氟和多氟化合物（PFAS）经水热液化处理后的降解、脱氟情况以及未降解PFAS在污泥三相产物（水相、油相和固相）中的分布，研究了水热反应温度和时间对PFAS降解和分布的影响，为污泥的资源化利用和污泥中持久性有机污染物的降解提供支撑。

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市政污泥中吸附的PFAS对生态环境和人类健康具有较大的潜在危害。本研究考察了水中和污泥中五种代表性PFAS（PFOA、PFOS、8:2 FTUCA、7:3 FTCA、8:2FTS）在水热液化过程中的迁移和降解，首次发现水热液化可在不同程度上降解污泥中的PFAS。升高反应温度、延长反应时间均有利于PFAS的降解。污泥经350℃水热液化处理90 min后，羧酸基PFAS的降解率超过99%，优于磺酸基PFAS的降解（PFOS降解34%、8:2 FTS降解67%）。同时，部分PFAS发生了脱氟。水热处理后未降解的PFAS主要分配至生物质油产物中，在水相和固相产物中较少，因此需关注生物质油升级过程中PFAS的迁移转化。

引言

污水处理厂是PFAS进入自然环境中的重要点源。在污水处理过程中，PFAS主要通过疏水和静电作用吸附于污泥上，从而从污水中去除，这导致污泥中累积了高浓度的PFAS。而常规的污泥处理流程无法有效降解PFAS，给污泥资源化利用带来较大的环境和健康风险。目前对于PFAS的降解研究主要集中于水相，对污泥中PFAS降解研究很少，且大部分水相适用技术并不适用于污泥中，因此需开发高效的污泥中持久性有机污染物的降解技术。水热液化是一种新兴的污泥资源化技术，在高温高压下将湿污泥中的有机质转化为生物质油。本研究主要探究市政污泥中PFAS经水热液化处理后的降解、脱氟情况以及未降解PFAS在污泥三相产物（水相、油相和固相）中的分布，考察关键工艺参数对PFAS降解和分布的影响，为污泥的资源化利用和污泥中持久性有机污染物的降解提供支撑。

图文导读

对5种PFAS在不同反应温度、不同反应体系中进行水热液化处理，发现随着温度的升高，PFOA和8:2 FTUCA在纯水和污泥中几乎完全降解（降解率>98%）；PFOS在纯水中几乎不降解，在污泥中降解35% - 45%，且提高温度对PFOS的降解无显著促进作用；提高温度对7:3 FTCA的降解具有促进作用，但7:3 FTCA在纯水和污泥中的降解情况有显著差异；升高温度对纯水中8:2 FTS的降解无显著影响，但可促进污泥中8:2 FTS的降解。纯水中PFOA、8:2FTUCA、7:3 FTCA、8:2 FTS在水热液化过程中发生了脱氟，且升高温度有利于C-F键的断裂。结果表明水热液化过程中，升高温度有利于污泥中PFAS的降解和脱氟，羧酸基PFAS的降解效果优于磺酸基PFAS的降解，污泥基质可促进一些PFAS的降解。

图1 不同温度水热液化60 min后纯水中（a）和污泥中（b）PFAS的降解率以及每种PFAS在纯水中的脱氟率（c）

在350℃下对污泥进行水热液化处理，随着反应时间的延长，PFOA和8:2FTUCA在30 min内几乎完全降解；延长反应时间对PFOS的降解无显著影响，却增强了7:3 FTCA、8:2 FTS的降解。这说明虽然反应时间对油相产率的影响不大，但会影响污泥中PFAS的降解。

图2 水热液化时间对污泥中PFAS降解率的影响（水热液化温度：350 ℃）

对于污泥中经水热处理后未完全降解的四种PFAS（PFOA、PFOS、7:3 FTUCA、8:2 FTS），其在三相产物中的分配规律也不同。PFOA仅少量未降解（<1%），基本均分在三相中；而PFOS、7:3 FTUCA、8:2FTS则大都分配在油相中，少部分在固相中。结果表明，污泥经水热液化处理后，产物生物质油是未降解PFAS的主要归趋地。因此，在生物质油的提质利用中需关注PFAS的迁移和降解。

图3 污泥经不同温度水热液化处理60min后未降解PFAS在水相、固相和油相产物中的分布（对照组是指不进行水热液化处理；8:2 FTUCA完全降解，故未展示）

图4 污泥经350 ℃水热液化处理不同时间后未降解PFAS在水相、固相和油相产物中的分布

小结

水热液化在将污泥转化为可再生的生物质油的同时，可在不同程度上降解污泥中的PFAS，其降解程度取决于PFAS的结构、反应温度、反应时间和基质等。水热液化对羧酸基PFAS的降解效果优于对磺酸基PFAS的降解；升高反应温度、延长反应时间有利于PFAS的降解；与纯水体系相比，污泥基质可促进一些PFAS的降解。水热处理后未降解的PFAS主要分配至生物质油产物中，因此需关注生物质油升级过程中PFAS的迁移转化。研究结果表明水热液化是一种具有前景的污泥资源化和无害化处理技术。

主要作者简介

第一作者：于洁，博士，宁波大学市政与环境工程系副教授，研究生导师，美国科罗拉多矿业学院访问学者，宁波大学生态环境研究所副所长。研究领域为固体废物处理与资源化、固体废物中新型微污染物的迁移转化。主持国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等多个科研项目，以第一或通讯作者在Water Research、Science of the Total Environment、Chemosphere、Environmental Science: Water Research & Technology、Environmental Science and Pollution Research等期刊发表多篇SCI论文，授权国家发明专利2项。联系邮箱：[e-mail]