凹凸棒石生物炭复合材料对磺胺类抗生素土壤吸附-迁移影响机理及阻滞效能提升

The environmental risk of groundwater pollution caused by recharge of reclaimed water has attracted attention. Both biochar and attapulgite are ideal materials for environmental remediation. Considering the antibiotic contamination in the reclaimed water, it is essential to develop effective technology to remove the antibiotic from the water before it can be widely applied. As a consequence, attapulgite-biochar composite was developed in this study by calcining to control the antibiotic migration during reclaimed water recharge process as described above. Batch adsorption trials will be employed to careen the composites materials, and obtained the one with the best adsorption of sulfonamides. Meanwhile, adsorption and kinetic associated models will be used to explore the mechanism of composite materials on antibiotic adsorption, degradation and migration. In addition, HYDRUS-1D dynamic model will be carried out to study the impact of composites usage patterns and recharge modes on the adsorption and degradation actions of the targeted antibiotics in field study. By evaluating the antibiotics’ responding to the composite applied soils, this work can provide scientific evidence of applying novel composite material to control groundwater pollution by antibiotics during reclaimed water recharge process.

再生水补给地下水源引起的地下水环境污染风险日益受到关注。生物炭和凹凸棒石粘土都是理想的环境修复材料。针对再生水回灌补给地下水源可能造成的地下水环境抗生素污染，本研究拟通过焙烧法制备凹凸棒石生物炭复合材料（简称复合材料），研究其对易迁移磺胺类抗生素在土壤中的迁移转化行为的影响机制及优选地下水环境污染阻控材料。通过室内吸附实验，研究不同条件下制备的复合材料对磺胺类抗生素的吸附机理，优选出抗生素吸附性能强的复合材料；结合室内实验和相关模型，研究复合材料对磺胺类抗生素在土壤中的吸附、降解、淋溶行为的影响机制；通过野外实地应用和动力学模型HYDRUS-1D，研究复合材料不同使用模式和再生水回灌方式对磺胺类抗生素在不同质地潮土中的迁移转化行为的影响，揭示复合材料处理土壤系统对磺胺类抗生素迁移转化的影响机理，评估其地下水污染阻控效果。相关研究结果可为防控地下水环境抗生素污染提供修复路径和科学依据。

随着抗生素的大量生产、使用、甚至滥用，抗生素污染已经成为一个全球性的环境健康问题。尤其磺胺类抗生素吸附作用最弱、迁移性最强，因此最易随水分运移至地下水环境。防控磺胺类抗生素向地下水环境迁移方面的研究相对较少，难以支撑再生水补充地下水源过程中污染风险的防控，业已造成脆弱的地下水环境污染。生物炭因其碳含量高、吸附性能强和环境友好，可同时满足改良土壤质量和阻控污染物迁移的理想材料，但因其来源、处理方式及添加量不同，其治理效果存在较大差异。凹凸棒石是黏土矿物中具有独特性能的纳米矿物材料，在我国储量丰富，也是理想的环境污染物吸附材料，但其对抗生素类污染物的环境行为的影响研究还很有限。本项目以揭示自制复合材料对易迁移类抗生素在土壤中的迁移转化行为的影响机制及地下水环境污染阻控材料的优选为总体目标。通过以自主研发的凹凸棒石生物炭复合材料（简称复合材料）为阻控材料，以易迁移的磺胺类抗生素磺胺嘧啶和磺胺二甲基嘧啶为目标污染物，通过室内吸附、降解、淋溶模拟实验和现代仪器分析手段，实地土壤蒸渗实验和动力学模型，明晰了制备的复合材料对目标抗生素的吸附机理包括静电相互作用、氢键、π-π相互作用和Lewis酸碱相互作用,ATP/BC可以作为一种有效的吸附剂用于去除废水和地下水中的抗生素污染；阐明了复合材料对目标抗生素在土壤中吸附、淋溶等行为的影响因素包括淋溶量、pH和SD初始浓度；以凹凸棒土和水稻秸秆为原料制备而成的复合材料被证实在土壤和地下水中能够发挥吸附作用，对磺胺类抗生素的迁移有着良好的阻控效果，同时复合材料在改善土壤结构，减少有机质与污染物的渗出方面有一定效果。本研究为防控地下水环境抗生素污染提供了修复路径和科学依据。