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钢渣作为PRB介质修复砷污染地下水的研究

廖国权  
【摘要】:目前许多国家和地区面临严重的地下水砷污染,将钢渣用于砷污染治理是一种以废治废、变废为宝的资源化利用方式。本研究以碳钢渣和不锈钢尾渣为对象,研发经济、稳定及高效的砷污染地下水修复材料与技术。分析了钢渣的资源利用特性与环境风险,进行了钢渣静态除砷的工艺参数优化,研究了不锈钢尾渣的改性方法和条件,通过动态柱试验研究了碳钢渣和铁改性不锈钢尾渣对模拟含砷水和实际水样的修复效果,最后探索了钢渣的再生方法和条件。本研究得出以下结论: (1)碳钢渣和不锈钢尾渣的组成主要包括Ca、Si、Fe、Mg、Al等元素,其矿物成分主要有磁铁矿、硅酸二钙或硅酸三钙、方铁矿,表面疏松多孔、比表面积大,可作为良好的絮凝、过滤和吸附材料。钢渣浸出液的酸碱性、氟和重金属质量浓度均低于标准限值,浸出污染风险很小。 (2)碳钢渣的静态除砷效果高于不锈钢尾渣。钢渣粒径、钢渣投加量、废水pH值、振荡时间、振荡速度及初始砷浓度等因素对钢渣除砷效果均有显著影响。在初始砷浓度0.2mg/L时,选择钢渣粒径20-100目、液固比50:1、pH为弱碱性、振荡时间30min、振荡速度160r/min,该条件下两种钢渣除砷效果最好。吸附动力学规律均拟合Lagergren二级方程,吸附过程均遵循Langmuir等温式和Freundlich等温式。 (3)FeCl3浸泡改性的不锈钢尾渣对砷的去除率比改性前显著提高。以0.5mol/L的FeCl3为改性剂,当液固比为10:1,改性时间为12h时,改性效果最好。在初始砷浓度0.2mg/L时,选择液固比50:1、pH为弱碱性、振荡时间30min、振荡速度160r/min,该条件下铁改性不锈钢尾渣除砷效果最好。吸附动力学规律拟合Lagergren二级方程,吸附过程遵循Langmuir等温式与Freundlich等温式。不锈钢尾渣改性后除砷性能提高的机理在于铁氧化物的量显著增加,且改性后孔道更加通畅,这能有效增加颗粒比表面积。 (4)应用钢渣为介质的PRB进行除砷模拟试验,发现当原水流速固定时,需要控制好初始砷浓度;而当初始砷浓度固定时,需要控制适当的停留时间。处理实际水样时,运行初期两种PRB修复能力相近,但继续运行铁改性不锈钢尾渣PRB的修复能力要低于碳钢渣PRB,且随处理水样量增加,差距会进一步扩大;但处理完6L水样,砷去除率仍可达为90%左右,出水水质符合要求。因此,两种PRB的实际应用效果良好。 (5)高温再生能使碳钢渣和铁改性不锈钢尾渣对砷的去除能力显著提高。当再生温度为300℃,时间为60min时,再生效果最好。经过4个周期的重复利用与再生,碳钢渣和铁改性不锈钢尾渣对砷的去除率仍可达到90%以上。充分说明再生钢渣仍具有较强的除砷能力,且除砷性能稳定,可作为PRB材料用于长期的地下水除砷。


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