《ACS ES&T Water》：Field Evaluation of a Constructed Floating Wetland for Nutrients and PFAS Attenuation in a Treatment Lagoon
编辑推荐：
为解决常规污水处理厂对持久性污染物PFAS去除效率低下的问题，研究人员在澳大利亚东南部一处污水塘开展了为期两年的现场中试研究，评估了三种本土湿地植物构成的漂浮湿地（CFW）系统对营养盐和PFAS的去除性能。结果表明，植物定植成熟后，系统可实现对PFAS的显著截留，特别是长链PFAS和前体物。这项研究验证了CFW作为一种模块化、低成本被动处理技术在真实环境条件下应用的潜力，为PFAS污染水体的生态修复提供了新思路。
在全球范围内，一种名为全氟和多氟烷基物质（Per- and Polyfluoroalkyl Substances, PFAS）的“永久化学品”正引发日益严重的环境与健康担忧。它们被广泛应用于不粘锅、防水服、消防泡沫等众多产品中，却因其极端的化学稳定性而在环境中持久存在，并能通过食物链在生物体内蓄积，带来潜在的致癌、免疫毒性等风险。常规的污水处理厂（WWTPs）对这类污染物的去除效率普遍偏低，甚至在某些生物处理过程中，PFAS的浓度不降反升。更棘手的是，随着长链PFAS（如PFOA、PFOS）被逐步限制，其替代品——短链PFAS在环境中愈发常见，它们具有更高的水溶性和迁移性，使得传统处理技术更加“力不从心”。面对这种“治水”难题，科学家们将目光投向了自然界，试图利用植物的力量构建一种绿色、低成本的解决方案——人工漂浮湿地（Constructed Floating Wetland, CFW）。
在这种背景下，一项发表于《ACS Environmental Science & Technology Water》期刊的研究，为我们带来了关于漂浮湿地技术处理含PFAS废水的前沿现场验证。为了探究漂浮湿地系统在真实、复杂的野外条件下，对污水处理厂出水中的营养盐和PFAS的去除效能与机制，研究团队在澳大利亚东南部一座现有的污水储存塘中，安装并运行了一个面积达330平方米的中试规模CFW系统，进行了为期两年的监测。
研究人员主要运用了几项关键技术来支撑这项综合性研究。首先，他们建立了系统性的现场采样与监测方案，对流入CFW系统前和流出后的水样、CFW下方的沉积物以及三种湿地植物（包括芦苇 Phragmites australis, PA）的根和茎组织进行了定期、多点位的样品采集。其次，在实验室分析方面，采用了靶向定量分析针对27种特定的PFAS化合物进行精确测定；运用总可氧化前体物（Total Oxidizable Precursor, TOP）测定来估算样品中可转化为终端PFAS的前体物总量；并进行了非靶向筛查，以发现和识别超出已知列表的其他PFAS物质。此外，对植物组织进行了营养元素（氮、磷等）含量分析，并详细测算了植物的生物量、根系发育等生长参数，为评估污染物的植物吸收与积累提供了数据基础。
研究结果
3.1. 运行参数与植物生长
在整个研究期间，流经CFW系统的水力停留时间（Hydraulic Retention Time, HRT）约为1.0至2.3天，但在CFW通道内的实际停留时间（Residence Time Distribution, RTD）较短，仅为9.9至12.4小时。在研究的三种植物中，芦苇（PA）展现了最旺盛的生长，其地上部和根系的生物量均显著高于其他两种植物（Baumea articulata, BA 和 Bolboschoenus caldwellii, BC）。由于BA在定植初期生长不佳，部分被BC替换。最终，PA贡献了系统中主要的植物生物量。进水中检测到的27种PFAS总浓度（∑27PFAS）平均为83 ng/L，其中短链全氟羧酸（Short-Chain Perfluoroalkyl Carboxylic Acids, SC-PFCAs），特别是PFPeA和PFHxA，是最主要的成分。
3.2. 植物组织中的营养盐吸收
所有植物组织中都观察到了氮（N）和磷（P）的积累。其中，PA和BC的营养盐更多地积累在地上部，而BA则更多积累在根部。到研究后期，PA表现出最高的营养盐积累量，达到70.7 g N/m2和12.8 g P/m2。计算得出的总营养盐去除率（结合根和茎的吸收）处于以往漂浮湿地研究报告范围的较低水平，这很可能与研究系统中较短的RTD有关。
3.3. 植物组织中的PFAS积累
尽管在植物定植初期（第一阶段），水相中PFAS的净去除不明显，但在植物和根际生物膜系统建立后（第二、三阶段），PFAS的去除表现出了更积极的趋势。植物组织中PFAS的分布与其在水体中的相对丰度高度相关：丰度最高的SC-PFCAs在植物根和茎中的浓度也最高，其次是长链全氟羧酸（Long-Chain PFCAs, LC-PFCAs）和长链全氟磺酸（Long-Chain PFSAs, LC-PFSAs），短链全氟磺酸（SC-PFSAs）的积累则微乎其微。在三种植物中，PA的单位面积PFAS积累量最高，其次为BC和BA，这与植物的总生物量（特别是地上部生物量）呈正相关。PFAS前体物同样在植物组织中（尤其是根部）被检测到并积累。研究发现，植物对长链PFAS和前体物的吸收，约有50%是通过根系积累实现的。
3.4. 营养盐和PFAS的水相去除
在水相中，营养盐（氮、磷）的净去除在整个研究期间都非常有限，大部分采样点CFW进水与出水浓度几乎无差异。相比之下，PFAS的去除显示出更积极的信号。在植物定植成熟后的阶段，水相中多种PFAS的浓度在CFW出水口呈现下降趋势，特别是SC-PFCAs、SC-PFSAs和LC-PFSAs。基于水样浓度估算的PFAS日去除率最高可达42.8 μg/m2/d（SC-PFSAs）。然而，质量平衡评估揭示了一个重要现象：通过植物吸收和沉积物积累所核算的PFAS去除总量，仅占水相表观去除量的约1%。这表明，除了植物吸收，还有其他未量化的机制在PFAS的去除中发挥了重要作用。
3.5. 其他潜在的PFAS去除机制及未来意义
研究指出，CFW系统对PFAS的去除是一个多过程协同的结果。除了植物吸收，至少还包括以下几种潜在机制：1) 促进沉积：植物根系可以改变局部水流，促进悬浮颗粒物沉降，而PFAS（尤其是长链、疏水性强的种类）容易吸附在颗粒物上，从而随沉积作用被去除。沉积物样品中确实以LC-PFAS（如PFOS、PFDA）为主。2) 生物膜作用：悬挂在水中的庞大根系为微生物提供了巨大的附着表面，形成的生物膜可能通过吸附、生物转化等途径去除PFAS及其前体物。3) 前体物转化：非靶向筛查在多种样品中发现了可能为短链PFAS前体物的含氮、氧、硫的化合物，这些物质可能在植物或微生物作用下发生转化。这些机制的贡献在本研究中尚未完全量化，是未来需要重点探索的方向。
研究结论与意义
这项为期两年的现场研究首次在中试规模验证了人工漂浮湿地在真实废水处理环境中去除PFAS的可行性。研究得出了几项关键结论：首先，在较短的水力停留时间（约10-12小时）下，系统对营养盐的水相去除效果有限，但植物组织（尤其是生长旺盛的芦苇）能够有效吸收并积累相当量的氮、磷和PFAS。其次，系统对PFAS表现出一定的水相去除能力，且在植物根系和生物膜系统建立后效果增强，其中短链PFCA由于丰度高、移动性强，去除量最为显著。再者，植物吸收对PFAS的总去除贡献占比很小（<1%），暗示沉积、生物膜作用等其他物理化学和生物过程可能主导了PFAS的最终归趋。最后，植物种类选择至关重要，生物量大、根系发达的物种（如芦苇）显示出更优的污染物积累潜力。
这项研究的意义在于，它超越了实验室的受控条件，在复杂多变的真实环境场景中，为CFW这项“自然基于解决方案”处理新兴持久性有机污染物提供了宝贵的实证数据。它不仅证实了CFW作为现有污水处理设施末端“抛光”单元的模块化、被动式应用潜力，为解决低浓度、大水量PFAS污染治理的成本难题提供了新思路，还深刻揭示了该类系统中污染物去除的多途径协同机制，指明了未来研究应重点关注生物膜、沉积过程以及PFAS前体物的环境行为与归宿。当然，要实现该技术的大规模应用，还需要对植物收割策略、系统长期运行的稳定性、不同气候条件下的适应性以及与其他处理技术的联用进行更深入的评估和优化。
