磺胺嘧啶与镉在覆铁石英砂中的迁移特征及数值模拟

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近年来,由于抗生素的广泛使用而引起的环境问题日渐突出。抗生素会通过表面径流、渗滤等各种途径进入环境介质中,并在其中发生吸附、解吸、降解以及迁移等各种行为。当前在土壤、水体和沉积物中均已检测到抗生素类污染物的存在,对生物多样性、生态环境平衡和人类健康等具有潜在危害。氧化铁矿物在土壤环境中普遍存在,其较大的比表面积及表面活性对抗生素在环境中的吸附迁移行为产生重要影响,目前关于氧化铁类矿物对磺胺类抗生素迁移影响还缺乏深入研究。所以,本文选取常见的抗菌药物磺胺嘧啶(Sulfadiazine,SDZ)为研究对象,以石英砂(Quartz Sand,QS)作为多孔介质,制备覆铁石英砂(Iron Oxide Coated Sand,IOCS),通过大量室内土柱出流实验,探究多种物理(石英砂粒径、平均孔隙水流速)、化学因素(铁含量、离子强度、离子类型、pH、镉浓度)对磺胺嘧啶在覆铁石英砂中迁移的影响,从而对土壤及地下水的抗生素污染风险评估及污染修复提供理论依据。本文主要开展了以下工作:首先通过土柱出流实验进行不同铁含量、离子强度、阳离子类型、pH、石英砂粒径和孔隙水流速等物理、化学因素作用下磺胺嘧啶在石英砂和覆铁石英砂中迁移特征研究;然后进行不同浓度重金属镉(Cadmium,Cd)条件下,磺胺嘧啶与镉的共迁移实验研究;最后,利用Hydrus-1D软件对不同因素下磺胺嘧啶及镉运移过程进行数值模拟,并反演得到与吸附相关的一些特征参数,对溶质运移过程进行量化分析。主要得出以下结论:(1)不同物理、化学因素影响着磺胺嘧啶在石英砂和覆铁石英砂中的吸附迁移特征。覆铁石英砂表面氧化铁主要为针铁矿,且铁含量越多,其表面粗糙度、比表面积越大,携带正电荷数量越多,易吸附磺胺嘧啶,对磺胺嘧啶迁移过程抑制作用越大;离子强度的增加,促进了磺胺嘧啶在石英砂和覆铁石英砂中的迁移,Ca2+会与磺胺嘧啶竞争吸附位点,随Ca2+浓度的增加,竞争作用显著增强;在不同离子类型实验中,在覆铁石英砂中,Ca2+存在时磺胺嘧啶出流浓度最大,其次是Mg2+和K+,然后是Na+。Ca2+和Mg2+等二价阳离子与磺胺嘧啶竞争吸附作用较大,易促进其迁移;不同pH条件下,低p H会抑制磺胺嘧啶迁移,磺胺嘧啶在介质表面的作用机制主要为疏水作用、静电作用和氢键作用力;不同粒径石英砂时,磺胺嘧啶在粉砂中出流浓度最小,粉砂最不利于磺胺嘧啶的迁移;不同孔隙水流速时,较高流速易促进磺胺嘧啶在多孔介质中的迁移过程。(2)抗生素与重金属共迁移时,不同浓度镉对磺胺嘧啶在石英砂和覆铁石英砂中迁移的作用机理不同。随着镉浓度的增加,磺胺嘧啶在石英砂中的出流浓度增加;在覆铁石英砂中,镉浓度为1 mg/L时促进磺胺嘧啶迁移,而5 mg/L镉对其有所抑制,两种浓度下的吸附机制分别以竞争吸附作用和络合作用占主导;当镉浓度为100 mg/L时,镉与磺胺嘧啶间竞争吸附大于络合作用,促进磺胺嘧啶在石英砂中迁移;500 mg/L时,二者之间络合作用占主导,磺胺嘧啶在石英砂中吸附作用较大;在覆铁石英砂中,镉浓度的增加促进了磺胺嘧啶迁移。(3)利用美国盐渍土实验室开发的Hydrus-1D软件分别对石英砂和覆铁石英砂中磺胺嘧啶的迁移、镉与磺胺嘧啶的共迁移过程进行了数值模拟,并反演得出相关的吸附特征参数。利用非平衡单点吸附模型(OSM)模拟磺胺嘧啶在石英砂和覆铁石英砂中的迁移过程,模拟曲线与实测曲线几乎重合,R2>0.90,RMSE<0.051;通过反演得到的吸附分配系数kF随实验条件不同而不同,阻滞因子Rd也呈现出不同的变化趋势,吸附特征参数β在1左右,一阶动力学速率常数α数值均小于0.0020;利用OSM和非平衡两点吸附模型(TSM)对镉运移过程进行模拟,两种模型对镉的模拟效果相近,R2>0.91,RMSE<0.060,吸附平衡时瞬时交换点位所占的分数f值均小于0.1,镉吸附过程瞬时吸附作用较小,动力学吸附作用占主导,kF值在石英砂中大于覆铁石英砂中。通过对比磺胺嘧啶和镉的模拟参数发现,磺胺嘧啶在覆铁石英砂中的吸附作用较强,而镉在石英砂中吸附作用较强,覆铁石英砂更有利于促进镉迁移。
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