土壤含水层系统对回灌水体中四环素和阿莫西林的去除效能及机制

摘要

水污染、水资源短缺以及地下水过度开采等现状引发了污水回用的研究热潮，如何获得廉价高效的再生水资源成为焦点。城市污水处理厂二级出水产量大且水质水量较稳定，具有广阔的回用前景；但随着抗生素使用量的不断增大，污水处理厂中也检测到有痕量抗生素的存在，虽然其浓度多为μg/L甚至 ng/L级，但其仍对处理后污水的回用造成安全隐患。土壤含水层处理(SAT)技术在各种污染物的去除上显示出一定的能力，是回用水回灌地下前的一道屏障。本论文通过实验室模拟SAT系统，对两种不同性质的抗生素，即四环素（TC）和阿莫西林（AMO）在SAT系统中的去除效能和降解机制进行研究。
　　为确定目标研究抗生素，本文依据持久性污染物的加权评分法则，以使用量（暴露程度）、迁移性及其环境生态毒性这三项作为目标抗生素的筛选指标，建立筛选体系，最终确定目标研究抗生素为TC和AMO。
　　采用平衡震荡法对TC和AMO在黑土、黄土和高岭土中的吸附特性进行研究，分别考察了 TC初始浓度、吸附时间、pH、温度、土壤有机质及土壤氧化还原电位对吸附效果的影响。同时，研究了三种土壤对TC和AMO的吸附动力学和吸附热力学特性。结果表明 TC在黑土中的吸附效果最好，其饱和吸附量为85 mg/g，黄土对AMO的吸附能力在三者中最高为92 mg/g；酸性pH条件有利于黑土、黄土及高岭土对 TC的吸附；相对应的，酸性和碱性条件有利于三种土壤对AMO的吸附；当土壤中的有机物去掉后，其对TC和AMO的吸附能力均出现一定的降低，如黑土对TC的吸附能力从106 mg/g降低至94mg/g，降低了约10%；吸附动力学模拟结果显示用一级反应动力学方程能够较好的模拟黑土对TC吸附；黄土和高岭土对TC的吸附动力学则比较符合准二级动力学方程，三种土壤对AMO的吸附动力学过程更适合用准二级动力学方程来模拟。黄土和粘土对TC的吸附满足Langmuir吸附等温式，即认为黄土对TC的吸附过程为单分子层吸附，常用来表征竞争吸附的Freundlich方程更符合黑土对TC的吸附。Langmuir吸附等温式可以很好的对三种土壤吸附 AMO进行热力学模拟。
　　研究模拟 SAT系统对 TC和 AMO的去除效果，表明模拟 SAT系统对 TC的去除率94%左右，出水TC浓度也基本稳定在3μg/L，去除效果比较理想；AMO的去除率则是在91.5%左右。TC主要在0～50 cm深度的土层内被吸附和降解去除，且占整个土壤柱对 TC去除效果的65%；相对应的64%的 AMO在50-100 cm的土壤层得到去除。这说明TC在相对氧含量较高的表层土壤中去除效果较好，而AMO在相对厌氧的环境下易于被降解去除。TC在好氧条件下的去除效果最明显，序批式土壤柱对其最终的稳定去除率达到了68%，而在硝酸还原和硫酸还原状态下的去除率相比好氧条件下降了近7%，厌氧条件下其降解率最小为52%左右；AMO在厌氧和硝酸还原条件下的降解效果最佳，而在好氧和硫酸还原条件下的降解去除率均低于50%。
　　对TC和AMO在模拟SAT系统停止运行后的残留量进行分析，结果显示在反应器停止运行后60 d，TC在表层土壤的残留量最少，约为6.7μg/g，在50 cm和100 cm处的残留量则分别为13.2μg/g和25.8μg/g；对于AMO，反应器停止运行60 d之后，三个土壤层中AMO残留量消减至26.8μg/g、20.0μg/g、13.4μg/g。TC在模拟 SAT系统中的降解途径主要为差向异构化，同时，在弱碱性的条件下，TC的碳环可能被破坏，生成失活的异化物；AMO则是在微生物相关酶作用下发生酰胺碳环的断链，开环后的羧基可能发生脱羧作用，并进一步被降解。

目录

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 污水厂二级出水中的抗生素及其处理技术

1.3 土壤含水层处理系统

1.4 本课题研究内容与研究意义

第2章 实验材料和方法

2.1 实验室模拟SAT处理系统及序批式土壤柱系统

2.2 实验用药品及仪器

2.3 实验方法

第3章 目标抗生素的筛选与确定

3.1 引言

3.2 确定待筛选抗生素范围

3.3 筛选指标体系的建立

3.4 综合评分确定目标抗生素

3.5 本章小结

第4章 四环素和阿莫西林在典型土壤中的吸附特性

4.1 引言

4.2 抗生素初始浓度对吸附的影响

4.3 时间对吸附的影响

4.4 pH对吸附的影响

4.5 温度影响

4.6 土壤有机质对吸附的影响

4.7 土壤氧化还原电位对吸附效能的影响

4.8 吸附动力学

4.9 吸附热力学

4.10 本章小结

第5章 四环素和阿莫西林在SAT系统的去除效能及机制

5.1 引言

5.2 模拟SAT系统的土壤柱装置的运行效能

5.3 模拟SAT系统对四环素和阿莫西林的去除效果

5.4 四环素和阿莫西林在四种不同氧化还原条件下的降解行为

5.5 四环素和阿莫西林在SAT系统中土壤残留及降解途径

5.6 SAT系统中土壤微生物菌群结构浅析

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢