2020, Vol. 12 
全氟化合物(PFCs)在工业和民用领域应用广泛，作为表面活性剂、添加剂、泡沫灭火剂、杀虫剂等，其生产和使用已超过60年[1-2]。自2003年以来，为满足国内外对金属电镀、消防泡沫、照相、半导体和航空等行业的需求，我国全氟辛烷磺酸(PFOS)年产量大幅增长[3]，曾经或正在批量生产PFOS类物质的企业主要分布在湖北、福建、北京和上海[4-5]。
目前该类污染物在水体[6-7]、土壤和沉积物[8]、空气[9]、生物有机体[10]中都有检出。PFCs具有环境持久性、生物蓄积性以及潜在毒性等特点[11]，会干扰人体内分泌系统，引起肝脏毒性、免疫毒性、生殖毒性等[12-14]。2009年斯德哥尔摩缔约方大会将PFOS及其盐类、全氟辛基磺酰氟化物(PFOSF)列入新型持久性有机污染物(POPs)行列。《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》第九次缔约方大会批准了“关于列入全氟辛酸(PFOA)、其盐类及其相关化合物的附件A修正案”和“关于全氟辛基磺酸(PFOS)及其盐类和全氟辛基磺酰氟(PFOSF)的附件B修正案”。为了更好地实现重点行业PFCs的淘汰和替代，更好地开展PFCs的全面监测和评估，有必要开展PFCs相关监测分析方法的研究工作。
污水处理厂通常被认为是PFCs的主要排放来源[15-18]，这是因为，一方面，大部分城市污水处理厂的处理工艺主要针对常规有机污染物和营养盐类设计，新型污染物难以去除；另一方面，随着部分全氟化合物前体物和中间产物的降解，二级生物处理技术会显著增加出水中的PFOA和PFOS浓度[19]。文献[17]显示，新加坡某污水处理厂出水中PFOA质量浓度最高可达1 057 ng/L。武汉市某污水处理厂出口污水中PFCs总质量浓度为19.1~970 ng/L[20]。
由于污水处理厂进出水中的污染物种类多、浓度高，全自动固相萃取仪管路中存在聚四氟乙烯材料，因此直接进样[21-23]分析全氟化合物已被相关研究采用。现采用直接进样-高效液相色谱串联质谱法(HPLC-MS/MS)，可以快速、准确地测定污水处理厂进出水中10种全氟化合物，为PFCs污染的评估和治理策略的确定提供科学依据。
1 实验部分 1.1 仪器与试剂 1.1.1 仪器1290高效液相色谱串联6460三重四极杆质谱联用仪(LC-MS/MS，美国Agilent公司)。
1.1.2 试剂(1) 标准品：10种全氟化合物为全氟丁烷磺酸钾(PFBS)、全氟己酸(PFHxA)、全氟庚酸(PFHpA)、全氟己基磺酸钾(PFHxS)、全氟辛酸(PFOA)、全氟壬酸(PFNA)、全氟辛烷磺酸盐(PFOS)、全氟癸酸(PFDA)、全氟十二烷酸(PFDoA)、全氟十三酸(PFTrDA)。碳标记化合物为13C4-PFOA和13C4-PFOS。以上标准品均购自美国Wellington公司。
(2) 试剂：甲醇(LC-MS级，德国Merck公司)；水(HPLC级，德国Merck公司)；乙酸铵(HPLC级，纯度>99.0%，美国Fluka公司)；0.22 μm孔径聚丙烯(PP)滤膜(上海安谱公司)；乙酸(HPLC级，迪马公司)；氨水(28%，美国Sigma公司)。
1.2 样品采集2018年9月，选择某市具有代表性的6家污水处理厂(编号分别为SS、SJ、SD、LH、DZ、JD，兼顾工业污水和生活污水)。用PP瓶采集污水处理厂的进出水，运回实验室分析。污水处理厂的运行参数见表 1。
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表 1 污水处理厂运行参数 |
用聚丙烯量筒取5 mL水样放入聚丙烯离心管中。样品中的含固率＜0.2%时，在添加500 μL替代物(20 μg/L)以及5 mL甲醇后进行液液振荡，过滤后加入乙酸调节pH值=3，进液相色谱-质谱联用仪(LC-MS/MS)分析。样品中的含固率≥0.2%时，加入替代物、5 mL甲醇和氨水，调节样品pH值=9，进行液液振荡，过滤后经乙酸调节样品pH值=3，进LC-MS/MS分析。
1.4 色谱与质谱条件 1.4.1 色谱条件Agilent Eclipse Plus C18 RRHD液相色谱柱(2.1 mm× 100 mm × 1.8 μm)，柱温35℃；Agilent Eclipse Plus C18隔离柱(4.6 mm×50 mm ×5 μm)。流动相A为乙酸铵水溶液(5 mmol/L)；流动相B为乙酸铵甲醇溶液(5 mmol/L)，流动相梯度洗脱程序见表 2，进样量为20 μL。
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表 2 流动相梯度洗脱程序 |
负离子模式，离子源为电喷雾源(ESI)，采用动态多反应监测(DMRM)，毛细管电压为3 500 V，气体温度为300℃，鞘气温度为350℃；一级质谱(MS1)和二级质谱(MS2)温度为100℃，干燥气流量为9 L/min，鞘气流量为12 L/min。喷嘴电压：正为0 V，负为500 V；雾化气压力为310 kPa。10种PFCs的色谱保留时间及质谱参数见表 3。
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表 3 10种PFCs的色谱保留时间及质谱参数 |
用甲醇/水(V:V=5:5)溶液稀释成质量浓度分别为10，20，50，200，500 ng/L的系列混合溶液，在上述质谱与色谱条件下进样。对7个空白加标质量浓度为10 ng/L的水样进行测定，方法检出限(MDL)由7次重复测定的标准偏差乘t值(3.143)得到。标准曲线方程、检出限及准确度见表 4。由表 4可知，方法检出限为2.3~8.3 ng/L，线性相关系数≥0.991。在污水厂出水中加标(100 ng/L)进行精密度和准确度测定(n=6)。加标回收率为60.6%~91.7%，相对标准偏差为2.1%~7.1%。
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表 4 标准曲线方程、检出限及准确度 |
6家污水处理厂进水中PFCs的浓度和组成见图 1(a)(b)。由图 1可知，6家污水处理厂进水中PFCs的质量浓度为90.9~206 ng/L，质量浓度最高的是JD(206 ng/L)，其次是SD(189 ng/L)，DZ最低(90.9 ng/L)。考察6家污水处理厂进水中PFCs的组成，PFOA和PFHxS在进水中均有检出且占比较高。这种趋势与范庆[24]、孙宝雯[25]对污水处理厂的研究结果一致。5家污水处理厂以处理生活污水为主，生活污水占比最高的JD(84%)，其进水中PFCs的浓度最高；然而工业废水占比最高的SD(70%)，其进水中也有高浓度PFCs检出，可见生活污水和工业废水均是PFCs的来源。
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图 1 6家污水处理厂进水中PFCs的浓度和组成 |
按PFCs的碳数进行划分，C4~C6为短链PFCs，C7~C8为中长链PFCs，C9以上为长链PFCs。图 2为6家污水处理厂进水中PFCs的不同碳链占比。由图 2可知，6家污水处理厂进水中的PFCs碳链有以下特点：(1)中长链PFCs占比最大。原因为：一方面，PFOS和PFOA被广泛用于工业和民用领域，如中国滨海城市化地区水体和沉积物中的PFCs以PFOA为主[7]；另一方面，虽然在2009年PFOA被列入POPs受控名录，但PFOS和PFOA是长链PFCs和含氟调聚醇(FTOHs)的降解产物，这也是环境中的PFOS和PFOA浓度一直居高不下，在各地地表水[6]和污水处理厂出水[17, 26]中一直有检出的原因。(2)短链PFCs(如PFHxS和PFHpA)在污水处理厂进水中有检出。主要是由于中链、长链PFCs的毒性较大，生产厂家已使用短链PFCs作为替代品使用，如山东泗河附近污水处理厂，出水中浓度较高的污染物依次为中长链PFOS、PFOA、短链PFHxS、PFHxA和长链PFNA，与本研究结果基本一致[26]。在巢湖、太湖、黄河等流域，PFCs污染以PFHxS为主[27]，在武汉和黄河中游地区，污水和地表水样品中PFCs污染均以短链七氟丁酸(PFBA)和PFBS为主[20, 28]。(3)长链PFCs占比最小。主要由于长链PFCs的毒性、持久性和生物累积性最大，目前正逐步被淘汰[28-29]。
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图 2 6家污水处理厂进水中PFCs的不同碳链占比 |
6家污水处理厂出水中PFCs浓度和组成见图 3(a)(b)。由图 3可知，6家污水处理厂中，PFCs质量浓度最高的是SD(158 ng/L)，SS和DZ并列第二，均为131 ng/L，JD最低(67.4 ng/L)。出水中的PFCs主要以PFOA和PFHxS为主，DZ检出的PFHxS质量浓度最高，为85.3 ng/L。其中DZ的进出口浓度出现了“倒挂”现象，PFCs出水质量浓度(131 ng/L)＞进水质量浓度(90.9 ng/L)，见图 1，其中的PFHxS出水质量浓度(85.3 ng/L)＞进水质量浓度(17.7 ng/L)。其可能原因是：(1)采样期间的水质波动较大；(2)PFCs的前体物质FTOHs在好氧条件下的微生物降解过程中，会产生PFOA和低碳链长度的全氟羧酸类(PFCAs)[30]。
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图 3 6家污水处理厂出水中PFCs的浓度和组成 |
Pan等[31]研究表明，北京7家污水处理厂出水中PFCs的质量浓度为5.48~498 ng/L，PFOA的质量浓度为3.8~104 ng/L，PFCs的总质量浓度略高于本调查(67.4~158 ng/L)。以检出率和检出浓度较高的PFOA为例，本调查出水中的质量浓度为14.1~59.6 ng/L，接近德国(12.3~69.3 ng/L)[32]、美国(1.7~89 ng/L)[33]、泰国(16.9 ng/L，均值)[34]、日本Kanto地区(10~68 ng/L)[35]污水处理厂出水中的PFOA质量浓度，低于韩国22家污水处理厂出水中PFOA的质量浓度(3.4~591 ng/L)[36]。随着对长链PFCs的限制使用，短链PFCs的检出率逐渐增加，其他国家也普遍存在该现象[27]，这对传统污水处理工艺提出了新的要求。
环境排放量计算公式为：
| $ {\rm{Mass}} = {C_{{\rm{water}}}} \times {Q_{{\rm{water}}}} \times {10^{ - 6}} $ |
式中：Mass——污水处理厂污水中的PFCs总排放量，g/d；Cwater——出水中PFCs的总质量浓度，ng/L；Qwater——污水处理厂日处理污水量，t/d。
6家污水处理厂出水中PFCs的排放量为6.7~22.9 g/d，均值为14.3 g/d，其中处理水量最大的DZ最高，为22.9 g/d；出水中PFCs总质量浓度最高的是SD，其排放量为11.1 g/d，处于第4位。Guo等[37]研究表明，在我国10座主要城市17家污水处理厂中，4种短链PFCs、PFOA和PFOS的日排放总量为0.25~273 g/d。SHIYAKOTI等[38]研究表明，日本和泰国污水处理厂出水中PFCs的环境排放量分别为0.35~55.9和1.34~36.6 g/d，与本调查结果接近。
3 结语建立了一种直接进样-高效液相色谱串联质谱(HPLC-MS/MS)方法，实现了污水处理厂进出水中10种PFCs的定量分析。该方法准确性好、快速灵敏、适用范围广，可作为复杂基质水体中PFCs的定性定量分析方法。应用该方法测定了某市典型污水处理厂的进出水，结果表明：(1)从PFCs污染特征来看，进水中主要检出PFOA、PFHxS和PFBS，PFCs质量浓度为90.9~206 ng/L；出水中主要检出PFOA和PFHxS，PFCs质量浓度范围为67.4~158 ng/L；(2)从碳链长短的分布来看，进水中中长链PFCs(C7~C8)占比最大，短链PFCs(C4~C6)也有检出；(3)6家污水处理厂出水中PFCs的环境排放量为6.7~22.9 g/d。
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