再生水地表入渗补给地下水过程中极性有机污染物的吸附和迁移机理

Abstract: It is one of the effective measures to alleviate the shortage of water resources by recharging groundwater with surface infiltration of reclaimed water. Due to the relatively high solubility of the polar organic contaminants (POCs) detected in reclaimed water, they can easily enter groundwater and cause groundwater quality safety risk. During the infiltration process of reclaimed water, sorption and migration of POCs can be influenced by the special functional groups in the molecular structure, the characteristics of vadose zone media, environmental conditions, and nonequilibrium sorption. Especially the separation effect of dissolved organic matter (DOM) in reclaimed water that might be produced during its transport process on the environmental behavior of POCs is of great importance. In this study, the compounds with specific functional group (e.g., carbamazepine, norfloxacin, sulfamethoxazole) will be selected as representative POCs. By means of batch and column experiments and detailed microscopic characterization of DOM and the filling media, the separation mechanisms of DOM of different polarity, charge characteristics and molecular weight in the porous media will be revealed. The effects of porous media property variation resulted from porosity water-rock interaction and the separation of DOM during the reclaimed water infiltration on sorption of POCs will be investigated under various infiltration conditions. The study results will provide a scientific basis for safe recharge of groundwater by surface infiltration reclaimed water.

再生水地表入渗补给地下水是缓解水资源短缺的一个有效措施。由于再生水中的极性有机污染物（POCs）的溶解性一般较高，它们易进入地下水并引起水质安全风险。再生水下渗过程中，POCs的吸附和运移会受其结构上所含特定官能团、包气带介质特性、环境条件变化和非平衡吸附等因素的影响，特别是再生水中可溶性有机质（DOM）在包气带下渗过程中可能产生的分离效应会对POCs环境行为产生影响。本项目拟选取具有特定官能团的POCs（如卡巴西平、诺氟杀星、磺胺甲恶唑等），通过批实验、柱实验以及对DOM与介质的详细微观表征，研究再生水中不同极性、电荷特性和分子量的DOM 在不同孔隙介质中产生分离效应的机制，阐明不同再生水入渗条件下由于水-岩作用而产生的孔隙介质变异和再生水DOM 在运移过程中产生的分离效应等因素对目标POCs 吸附和迁移的影响机理，为安全地进行再生水回灌补给地下水提供一定的科学依据。

再生水回补地下水过程中会将其所含的极性污染物带入到地下环境中。为评估这些污染物在环境中的迁移风险并对其进行污染防控，本研究选取了典型极性污染物，探究了它们与土壤主要组分之间的相互作用机制，并研究了生物炭作为高效廉价的吸附剂添加到土壤中对污染物的固定机制。主要成果如下：. (1) 阳离子型的咪唑类离子液体（1-甲基-3-辛基咪唑氯化鎓）在土壤上的吸附主要由阳离子交换作用控制。土壤有机质的阳离子交换点位结合键能比粘土矿物的高。溶液中共存的溶解性有机质主要通过共吸附（静电作用和π-π电子供受体作用等）促进与离子液体在土壤中的吸附。. (2) 阴离子型消炎药（如酮洛芬、萘普生和双氯芬酸）在针铁矿上主要以单齿单核的氢键形式结合，吸附完全可逆且为放热反应，受离子强度影响显著。三电层表面络合模型可以很好地预测这些消炎药在针铁矿上吸附行为随pH的变化。共存小分子有机酸会改变针铁矿表面的疏水性和带电性，从而影响三种消炎药的吸附。. (3) 呈现不同离子形态的氧氟沙星（OFL）主要通过氢键作用和阳离子交换作用吸附到高岭土及凹凸棒土上。在偏酸性pH条件下，共存Cu(II)既可以与OFL竞争高岭土上的吸附点位从而抑制OFL的吸附，又可以与OFL形成络合物促进吸附；溶解性腐殖酸可以通过共沉淀的方式促进OFL在高岭土的吸附。. (4) 选取了生物炭和土壤作为典型吸附剂，针对分子型极性化合物（如硝基苯、酚类、农药类、高氟和硅氧烷等）和离子型化合物（如药用活性物质）分别建立了相应的多参数线性自由能模型（pp-LFERs）以预测它们吸附分配系数。根据模型结果分别分析了各种作用机理（如空穴作用和氢键作用）对不同类型化合物总吸附的贡献。. (5) 不同炭化温度下的生物炭对阳离子型污染物[OMIM]Cl的吸附去除机理主要由静电引力、氢键作用和π-π电子供受体作用等，吸附阴离子型消炎药酮洛芬的主要机理为π-π电子供受体作用。无论是单药物溶质组分还是双药物溶质组分体系，生物炭添加到土壤中会极大促进药物污染物的吸附。