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典型化工污染土壤的微波修复技术研究

林莉  
【摘要】:随着我国工业化和城市化发展及《斯德哥尔摩国际公约》的履约进程,近几年出现了一大批关闭搬迁或即将退役的化工企业。废弃的化工污染场地被开发作商用和民用,污染场地中大量有毒物质的存在严重影响着生态环境和人居环境安全,因此亟需对化工污染场地进行高效、快速的修复。 在污染场地修复工程中,热修复技术作为一种最主要的场地修复技术得到广泛应用。土壤热修复技术中,由于常规加热的传热机制导致能量传递速度慢,处理效率低下;另外由于需要将土壤进行整体加热,消耗的能量较大。近年来有研究采用微波(Microwave, MW)来替代常规加热的热源,利用MW的特殊加热方式来迅速提高土壤温度,促进污染物的解吸、分解或固定化过程并实现土壤修复;同时MW加热具有选择性,直接作用于土壤中的极性污染物和水分子等吸波物质,可大大节省能量。MW技术具有对污染物的种类和性质无选择性、处理时间短等优点,对于化工场地土壤中种类繁多、毒性大、浓度高的污染物是一种非常合适的治理技术。 本文分别以制药业的抗生素、有机化工的硝基化合物和无机化工的重金属三类不同污染物为研究对象,研究了污染土壤MW修复技术的影响因素和机理,在小试研究的基础上对MW土壤修复设备进行了研究开发。本文的主要研究内容与结论有: (1)研究了氯霉素(Chloramphenicol, CAP)污染土壤的MW修复条件及机理,结果表明:MW敏化剂对MW修复CAP污染土壤的效果依次为颗粒活性炭(GAC)铁粉水二氧化锰;GAC作MW敏化剂时,MW功率和GAC剂量对修复效率影响最大;在一定范围内,土壤修复效果随土壤量的增加而显著增大,对于3 g土壤,CAP的去除率在辐射5 min时可达到93%,而对于0.5 g土壤,MW辐射20 min后去除率仅为80%;污染物的初始浓度对修复效果影响较小;MW辐射下CAP经历了C-C键的断裂和氧化反应,部分裂解碎片与土壤有机质发生反应,生成了新的大分子产物,但产物的浓度极低,辐射时没有脱氯过程的发生。 (2)研究了4-硝基酚(4-nitrophenol, 4-NP)模拟污染土壤的MW修复条件及机理,并对实际污染土壤的修复效果进行了考察,结果表明:几种MW敏化剂中GAC的敏化效果最好,向土壤中添加一定水分可使4-NP的去除率有所提高,但提高率不足10%;MW功率越高去除效果越好,4-NP初始浓度对去除率无显著影响。加入GAC作MW敏化剂时可显著促进MW修复4-NP污染实际土壤的效果,以1 g污染土为处理对象并加入0.3 g GAC,采用700 W的MW功率辐射20 min后4-NP去除率达70%;保持土壤量和GAC剂量的比值一定,增加土壤量可以显著促进4-NP的去除率,当土壤量大于2 g时4-NP去除率达96%以上;4-NP在MW辐射下的去除无挥发作用的发生,其机理很可能为在高温下直接矿化为CO2和H2O,或者本身和分解的中间产物直接同土壤产生化学结合而被固定,因而从土壤中无法被萃取出来。 (3)研究了土壤中Cr(VI)的MW强化还原技术,结果发现:土壤有机质的存在本身会使土壤中的Cr(VI)还原,初期还原速率较快,初始浓度为100 mg·kg-1的Cr(VI)污染土壤,放置3天后Cr(VI)还原率接近70%,后期还原速率显著降低,Cr(VI)的浓度趋于平稳;当有机质含量一定时,Cr(VI)初始浓度越高,还原率越低,但实际还原量增大。以GAC作为还原剂,采用MW辐射对土壤中的Cr(VI)进行强化还原,MW辐射在1-3 min内就可将土壤中85%以上的Cr(VI)还原成Cr(Ⅲ),其中GAC的剂量是影响还原效果的重要因素,辐射时间和MW功率对Cr(VI)的还原率影响不大;Cr(VI)初始浓度对还原率无显著影响,MW辐射处理3 min对浓度范围为7.34-610.48 mg·kg-1的Cr(VI)污染土壤还原率都能达到75%以上;若仅依靠土壤有机质对Cr(VI)的还原作用,将土壤中85%的Cr(VI)还原成Cr(III)需数十天的时间,而采用MW辐射技术仅需1-3 min就可获得同样的还原效果;对于土壤中Cr(VI)的还原,MW强化还原技术具有高效、快速的特点。 (4)在小试研究基础上,设计加工了MW原位土壤修复和MW脱氮中试设备。土壤修复中试设备对污染土壤有着较好的修复效果,对200 g初始浓度为100 mg·kg~(-1)的4-NP污染硅藻土,600 W的MW功率下辐射处理50 min时4-NP的去除率为68-82%,且设备运行稳定、操作方便,也无MW泄漏现象的发生,但MW敏化剂的回收和循环使用问题还需要解决。MW脱氮中试设备的日处理量为5吨,MW功率为4.8 kW,该设备对实际焦化废水的脱氮率可达74-84%;较低的环境温度和较高的废水流速会降低脱氮效率,废水的初始氨氮浓度对脱氮效果影响不大,曝气能使脱氮率增加9-10%;该设备比常规蒸氨工艺所需成本稍低。


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