近年来，全氟和多氟烷基物质 (PFAS)已成为公众关注的话题，尤其是在饮用水供应中发现时。PFAS 是自 1940 年代以来制造和使用的 3,000 多种人造化学品的家族。这一大类含氟表面活性剂具有独特的化学和物理特性，这使它们在环境中具有极强的持久性和流动性。
PFAS 中的碳氟 (CF) 键是化学中最强的键，不会在环境中自然分解。自 2002 年以来，长链 PFAS，特别是全氟辛烷磺酸 (PFOS) 和全氟辛酸 (PFOA) 已被淘汰。许多替代化合物是多氟化物，可能会降解为长链遗留化合物的前体。全氟和多氟烷基物质在环境中的流行引起了人们对其不利健康影响的可能性的担忧。PFAS 分子的示例如图 1 所示。
生物固体中的 PFAS
PFAS 化合物不是在水资源回收设施 (WRRF) 中直接产生，而是从其他来源进入 WRRF。例子包括生产或加工 PFAS 的工业设施产生的废水、来自含有 PFAS 废物的垃圾填埋场的渗滤液、具有 PFAS 本底水平的城市废水以及受污染的雨水等。根据州际技术监管委员会 (ITRC) 的说法，WRRF 的典型处理方法不会去除或破坏 PFAS，其中一部分化合物可能会分配到污泥中。图 2 描述了典型 WRRF 的 PFAS 归宿和运输。
常见的污泥处理工艺，如石灰处理、消化、热干燥和堆肥，不会减少污泥中的全氟和多氟烷基物质。因此，PFAS 存在于美国 WRRF 的工厂废水和生物固体中。污泥中最常见的 PFAS 化合物是 PFOS（<10 至 1,100 ng/g 干重）和 PFOA（1 至 240 ng/g 干重）。正如预期的那样，在为工业客户服务的 WRRF 中，生物固体中 PFAS 的浓度更高。
2004 年，东北生物固体和残留物协会 (NEBRA) 的一项调查显示，大约 55% 的废水固体作为生物固体回收到土壤中，大约 30% 被填埋，大约 15% 被焚化。这些管理选项中的每一个都可能导致 PFAS 的环境释放。例如，PFAS 可能从填埋固体转移到地下水（无衬里垃圾填埋场）或渗滤液（衬里垃圾填埋场）。低温焚烧可能会导致 PFAS 从固体基质转移到空气中。PFAS 也可能从土地施用的生物固体中释放到土壤基质、地下水 或地表径流中。
然而，来自生物固体的 PFAS 的归宿和运输取决于几个因素。必须充分了解 PFAS 的类型和浓度，因为已知这些化合物具有不同的物理和化学特性。场地特征，例如土壤特性、天气模式、植物吸收和生物固体应用方法，会影响 PFAS 的环境迁移。美国环保署研究与发展办公室、水研究基金会 (WRF) 和其他一些机构正在投资研究，以提高对 PFAS 运输的了解并为监管机构提供指导。
PFAS 法规和对生物固体的影响
2016 年，EPA 发布了 PFOA 和 PFOS 总含量为 70 万亿分之一 (ppt) 的饮用水健康建议。2019 年 2 月，EPA 发布了其 PFAS 行动计划，其中包括推进饮用水中 PFOA 和 PFOS 限值的监管决定的目标。许多州采用了自己的法规，通常低于 70 ppt 的健康咨询水平。饮用水限制的实施影响了 WRRF 的生物固体有益利用计划。
在联邦层面，尚未针对生物固体中的 PFAS 颁布法规。州特定的法规和指南涉及饮用水、地下水以及少数情况下地表水中不同 PFAS 化合物的浓度限制。只有缅因州对生物固体中的三种 PFAS 化合物施加了限制。
截至 2021 年 7 月，还没有 EPA 批准的方法来对生物固体中的 PFAS 进行采样。同时，由于担心全氟和多氟烷基物质可能迁移到地下水中，对生物固体施加了饮用水限制。尽管缺乏明确的指导，但正在积极研究用于去除 PFAS 的生物固体处理技术。
生物固体中 PFAS 的处理替代方案
在解决生物固体中的 PFAS 问题时，可以考虑多种处理和缓解方案。虽然源头减少是最具成本效益和效率的解决方案，但现有和新兴技术都是可用的。预计未来的监管行动将简化技术的研究和开发，以减少生物固体中的全氟和多氟烷基物质。治疗替代方案包括以下内容。
源头减少。CF 键的强度增加了生物积累的能力并且不容易降解。因此，减少生物固体中 PFAS 的最简单且最具成本效益的方法是减少向 WRRF 的排放。这可以通过 1) 减少工业点源排放来实现；2) 通过饮用水处理降低背景浓度。两者都可以通过监管行动来实现，例如通过工业预处理计划 (IPP) 设置 PFAS 限制，或设置饮用水限制。
焚化。 截至 2021 年 7 月，热破坏是从生物固体中去除 PFAS 的首选处理技术，因为需要高温来破坏 CF 键。焚烧是将残余固体燃烧成灰烬和燃烧气体，通常用于销毁危险废物中的持久性有机物。EPA 正在积极研究通过生物固体焚烧去除 PFAS 所需的时间温度制度。WRRFs 还提供打包的干燥焚烧炉，用于现场生物固体销毁和废热回收。组合式干燥机和焚化炉可能是一种高效节能的方法，可以在生成质量和体积较低的最终产品（灰分）的同时销毁全氟和多氟烷基物质。然而，焚化炉系统很昂贵并且必须满足严格的空气许可要求。
存在几种新兴的污泥处理技术，可以实现降低生物固体处理成本和减少 PFAS 的目标。新兴技术包括热解、气化和超临界水氧化，下面将进行更详细的描述。
热解/气化。 热解是材料在高温（高于 450 至 500°C）下在没有氧气的情况下的热分解。该过程包括在封闭的加压高温反应器容器中处理干燥的污水污泥。最终产品包括热解气（H2+CO+CO2+其他）、生物油和生物炭。热解的好处是它进一步减少了原料的质量，产品可用于能源生产（天然气、石油）或农业土地应用（生物炭）。该技术的缺点是在美国相对未经污泥验证，成本高于其他热技术，操作温度（450 至 600°C）低于大多数 PFAS 的燃烧温度化合物（大于 1,000°C）。然而，有正在进行的研究，
气化是材料在高温下在低氧水平下的热分解。工艺温度通常高于热解，产品仅限于合成气和生物炭/灰分。已声称热解和气化是从生物固体中减少 PFAS 的方法。然而，需要进一步研究氟质量平衡，以了解 PFAS 降解产物如何分配到产品中。
超临界水氧化。超临界水氧化 (SCWO) 是指利用超临界水将污泥中的有机化合物完全氧化的过程。在氧气存在的情况下，有机物可以转化为干净的水、惰性气体、矿物盐和可重复使用的热量。
SCWO 有几个好处。首先，近 99% 的进入固体在几秒钟内减少。其次，该工艺可以用固体含量为 10% 到 15% 的污泥进料。第三，含碳终产物是二氧化碳，含氮终产物是 N2（对于 NOx 温度太低），含硫终产物是 CaSO4（对于 SOx 温度太低），因此对空气允许的担忧最小。最后，该系统已被证明可以打破 PFAS 中的 CF 键。
该系统的缺点是在 WRRF 没有已知的商业安装。此外，启动系统可能需要高能量（尽管启动后反应是自我维持的）。
PFAS 的生物固体成本影响
包括 CDM Smith、NEBBRA、WEF 和 NACWA 在内的协作团队完成了对市政公用事业和生物固体管理影响的成本分析，以解决 PFAS 污染问题。研究小组调查了 WRRF、生物固体管理公司和最终使用设施（焚烧、堆肥、垃圾填埋场、农场），以估计未决或有效的 PFAS 法规对成本和运营的影响。
该研究于 2020 年发表时，结果显示，在已实施 PFAS 法规的地区，生物固体管理成本平均增加了 37%。随着 2021 年从这些相同调查设施收集的更多数据，具有 PFAS 法规的 WRRF 的管理成本已增加到平均 72%。一些受到最大影响的州包括亚利桑那州、密歇根州、缅因州和新罕布什尔州。
成本的快速增加归因于全氟和多氟烷基物质导致的土地应用可用性降低以及使用替代的高成本处置场所，如垃圾填埋场。
同时，管理自己的生物固体、不依赖有益再利用的 WRRF 和/或位于没有 PFAS 监管区域的 WRRF 的成本影响最小。这些结果清楚地表明，地方、州或联邦 PFAS 法规对生物固体管理成本有重大影响。
概括
美国的许多 WWRF 正在积极评估缓解 PFAS 的解决方案。减少源头是最具成本效益和效率的解决方案，新英格兰的几个 WRRF 正在考虑 PFAS 对工业的限制。此外，预计饮用水限制将降低进入 WRRF 的 PFAS 的背景浓度。
在土地应用或垃圾填埋能力已经有限的地区，例如新英格兰，WRRF 目前正在评估焚烧作为一种可行的处置方案。然而，在这些地区，焚烧能力不足，从而推高了成本。因此，WRRF 正在评估减少必须管理的生物固体总量的方法，例如污泥干燥。污泥干燥的实施提供了生产低容量 A 类生物固体产品的潜力，可以经济高效地将其运输到对土地应用要求不那么严格的州。中西部的几个 WRRF 也正在考虑进行污泥干燥，以在其生物固体管理计划中重新获得控制权和灵活性。
迄今为止，很少有已知的新兴技术装置，例如热解、气化和 SCWO。预计未来的监管行动将简化技术的研究和开发，以减少生物固体中的全氟和多氟烷基物质。
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