供水管网腐蚀沉积物对钒、砷和铬的富集机理研究

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供水管网腐蚀沉积物对金属污染物的富集行为增大了沉积物中金属污染物释放的风险,但同时供水管道对管网自身释放的金属污染物的富集又降低了用户的健康风险。因此,研究腐蚀沉积物对金属污染物的富集,掌握其富集规律与机理,不仅可估算实际管网腐蚀沉积物中的金属污染物含量并进一步预测金属污染物的释放程度和影响范围,而且有助于提出保持沉积物稳定、减少金属污染物释放的防控措施,进而保障饮水安全。本文首先对供水管网腐蚀沉积物和饮用水中的金属污染物进行含量检测和风险评价,结合Spearman相关性分析,对具有健康风险的污染物建立预测模型;针对V、As和Cr在腐蚀沉积物和饮用水中均存在的极显著正相关性,开展单一金属污染物体系/多种金属污染物共存的复合体系下腐蚀沉积物对V、As和Cr的富集研究,通过影响因素实验、动力学研究、吸附等温分析和微观表征技术确定单一/复合体系下沉积物对V、As和Cr的富集机理。主要成果如下:(1)各形态金属污染物在沉积物中的含量排序为:残渣态>铁锰氧化态和有机结合态>碳酸盐结合态>可交换态>水溶态。通过释放风险评价和暴露风险评价,确定Mn具有较高释放风险,因此建立了基于浊度和硫酸根的Mn浓度超标预测模型,该模型具有较高的预测准确度。同时,Spearman相关性分析指出腐蚀沉积物、饮用水中的多种金属污染物间具有显著相关性。(2)单一体系下,通过影响因素实验、动力学研究、吸附等温分析和微观表征技术,确定V和As与沉积物中的Fe通过配位络合,形成V-O-Fe和As-O-Fe结构;Cr通过氧化还原、化学沉淀和配位络合等方式富集在沉积物上。影响因素实验表明pH通过改变离子形态和沉积物表面Zeta电位来影响富集过程;温度升高促进V、As和Cr的富集;硫酸根对配位络合反应有一定抑制效果。(3)V-As体系中,V和As因富集方式相同而具有竞争作用,且V更具竞争优势。竞争作用使得pH和硫酸根的影响更为显著;与单一体系不同的是升高温度加剧了竞争作用。As-Cr体系中,As和Cr的富集方式不同,因此竞争作用较弱。Cr(Ⅲ)沉淀影响As富集方式,但总体而言促进了 As的富集。pH、温度和硫酸根的影响与单一体系下保持一致。V-Cr体系中,V和Cr可能通过氧化还原和共沉淀反应富集在沉积物表面。V-As-Cr体系与V-Cr体系相似,但As受Cr(Ⅲ)沉淀影响小,大部分As仍可通过配位络合与沉积物的Fe结合。
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