壬基酚在污灌区土壤中吸附行为及垂直分布特征研究

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壬基酚属于内分泌干扰物(EDCs),在环境中具有亲脂性、高毒性和持久性,被定义为持久性有机污染物(POPs)。壬基酚作为非离子表面活性剂主要原料,在工业生产过程中被广泛利用,并在全球范围内各种环境介质中都能检测到该类污染物质,尤其在城市污水处理厂污水和污泥中,且其浓度相对较高。污水灌溉是缓解水资源缺乏区域农业用水紧张的有效途径,但污水灌溉方式不够合理,可能会对灌溉区域生态环境带来一系列问题,土壤和地下水中重金属和有机物污染会越来越严重。灌区农田土壤是灌溉废水的必经场所,对污染物在灌区土壤中归宿起到决定作用,而该过程受土壤中各种因素影响,包括土壤理化性质和微生物活性等。调查研究污染物在土壤中吸附分配行为对评价该类污染物在环境中迁移转化行为具有重要意义。因此本研究探讨了壬基酚在灌溉区土壤中吸附行为,同时调查了壬基酚在灌区剖面土和钻孔沉积物中垂直分布特征,为城市废水合理灌溉农田提供一定的指导意义。本研究选取太原小店污灌区土壤为研究对象,研究了壬基酚在灌区土壤中吸附行为和垂直分布特征。采用序批式室内实验,利用液液萃取—高效液相方法研究了壬基酚在灌区土壤、腐殖酸和矿物质上的吸附行为,同时探讨研究了土壤中不同因素对吸附行为影响,包括pH、离子强度、黑炭、矿物质和温度。并采集了灌区不同灌溉方式区域中6个剖面土和3个钻孔点沉积物,运用超声萃取-气相色谱质谱方法检测了样品中壬基酚浓度,分析了灌区包气带土壤中壬基酚垂直分布特征,对灌区浅层土壤和深层土壤中壬基酚分布特征具有了一定程度了解。通过研究和分析,获得了以下一些有意义结论:(1)吸附动力学:土壤吸附壬基酚过程中包括两个阶段:快吸附和慢吸附,高浓度壬基酚容易在土壤吸附过程中出现解吸附现象;线性准二级动力学能够很好的模拟本研究壬基酚在土壤中吸附行为;吸附动力学模拟Weber-Morris方程,将吸附行为分为三个阶段,内颗粒扩散不是限速阶段;腐殖酸吸附壬基酚初始速率要远高于土壤和矿物质(Si02)吸附剂。(2)吸附和解吸附等温线:壬基酚在腐殖酸中吸附行为符合非线性(Freundlich)模式,在土壤和矿物质(SiO2)中符合线性模式;吸附能力顺序为:腐殖酸>土壤>矿物质(Si02)。清灌土壤吸附壬基酚能力高于污灌土壤,土壤中有机质含量对壬基酚吸附行为影响较大。污灌和清灌土壤中有机质吸附系数(Koc)分别为3.1×104L·kg-1和3.2×104L·kg-1,相对于其它研究区域较小,土壤中吸附NP很难受外部作用力等因素发生迁移。壬基酚解吸附含量和磁滞系数(H)较小,壬基酚不易发生脱附现象;但相对清灌区土壤,污灌区土壤中壬基酚更容易受到淋滤等作用影响向深层土壤迁移。(3)影响因素:pH和离子强度对士壤吸附壬基酚行为都会产生明显影响;pH影响程度更大,但离子强度对吸附行为影响机制更为复杂,盐析效应和电荷转移机制等多种因素导致。壬基酚在土壤炭黑和矿物质中吸附行为同样符合线性模式,吸附能力(Kd)都有所下降,土壤自身矿物组成成分对壬基酚吸附行为也存在一定影响。吸附反应能够自发进行,温度升高不利于土壤吸附壬基酚,吸附反应热是疏水键、氢键、范德华力和偶极键等多种作用力协同作用结果。(4)灌区壬基酚分布特征:所有剖面土土壤和钻孔点沉积物中都能检测到壬基酚,表层土壤中壬基酚浓度范围为:79.6-1017.2nng·g-1(污灌区);60.4nng·g-1(过渡区);37.2ng·g-1(清灌区)。总体上,灌区表层土中壬基酚浓度顺序为:污灌区>过渡区>清灌区。污灌区、过渡区和清灌区剖面土壤中壬基酚浓度范围分别为:31.2~1017.2ng·g-1、8.4~3384.8ng·g-1和28.4~209.6ng·g-1;剖面土中壬基酚浓度都会随着深度增加而降低,同时发现壬基酚在污灌区剖面和清灌区部分剖面有向深层土壤迁移的趋势。(5)灌区壬基酚分布特征影响因素:灌渠污水横向渗漏对剖面土中壬基酚分布特征影响较大。污水灌溉对钻孔点沉积物中壬基酚分布特征影响较大,且变化形式更为复杂;沼泽区沉积物岩性对壬基酚垂直分布特征影响较为明显。剖面土中壬基酚与土壤TOC呈显著正相关,与土壤pH呈负相关,但与土壤含水率相关性不够显著;而灌区钻孔点沉积物中壬基酚分布特征与其理化性质并不具备明显相关性,深层土壤中有机物质分布更为复杂。
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