矿冶废渣在水污染治理中应用的试验研究

【摘要】： 对工业、农业和城市废水中有机物、营养物质、重金属离子和酸性的有效去除是水处理的关键,大量廉价的选矿和冶炼废渣提供了更加经济的水处理材料,本研究选取钢铁选矿和冶炼废渣(磁铁矿选铁尾矿渣、含钛高炉渣、普通高炉渣、钢渣)、钛选矿废渣(磁铁矿选钛尾矿渣)和铝冶炼废渣(赤泥)作为研究对象,论证将其应用于环境治理尤其是水污染治理的可行性。 首先对钢铁、钛、铝矿冶废渣进行物理、化学和矿物学特征分析,它们主要由Al、Fe、Mn氧化物矿物和Ca、Mg矿物组成。这些矿物由于具有特殊的表面吸附效应、沉淀效应、氧化还原效应、离子交换效应、孔道效应、结构效应、结晶效应等,对水中有机物、营养物质、重金属离子有很好的截留和去除能力,对酸有很好的中和能力。最主要的污染物去除机理源于表面吸附效应、沉淀效应、氧化还原效应和离子交换效应。 一系列的圆柱试验用来检验钢铁、钛、铝矿冶废渣和填充物质石英砂对水中溶解性有机碳(DOC)、磷酸盐(PO4-P)、氨氮(NH3-N)、硝酸盐/亚硝酸盐氮(NOX-N)、溶解性有机氮(DON)和总氮(TN)的去除能力。结果表明,试验所用的钢渣和磁铁矿选铁尾矿渣对水中有机物和营养物质有良好的去除效果,对磷的去除效果尤佳。其它矿冶废渣对水中含磷营养物也有良好的去除效果,对有机物和含氮营养物有一定的去除效果。 一系列的圆柱试验用来检验钢铁、钛、铝矿冶废渣和填充物质石英砂对水中重金属离子Cd2+、Co2+、Cu2+、Mn2+、Ni2+、Zn2+的截留能力以及对水中酸的中和能力。结果表明,各种矿冶废渣对水中重金属离子有很好的截留能力,对酸也有很好的中和能力。钢渣、赤泥和含钛高炉渣对水中重金属离子的截留能力最好。普通高炉渣、钢渣和磁铁矿选铁尾矿渣对水中酸的中和能力最好。 使用PHREEQC地球化学模拟计算软件对圆柱中水和矿物之间的相互作用过程进行地球化学模拟分析,评估试验圆柱出水中的含Al、Fe、Mn、Ca、Mg矿物饱和指数(SI)的变化情况,这些矿物会强烈影响试验圆柱或以后在可渗透反应墙等应用中其它大多数主要和痕迹元素的形态分布。PHREEQC软件的模拟结果不但反映了矿冶废渣圆柱体系在去除水中污染物过程中矿物的溶解和沉淀情况,为了解以后在实际应用中体系内地球化学变化的情况提供依据,而且得到了污染物去除过程中可能影响各矿冶废渣去除能力的矿物成分。 研究结果表明,钢铁、钛、铝矿冶废渣中Al、Fe、Mn氧化物矿物和Ca、Mg矿物含量对其污染物去除能力有很大的影响,Al、Fe、Mn氧化物矿物和Ca、Mg矿物含量都很高的钢渣对水中污染物的综合去除能力最好。钢铁、钛、铝矿冶废渣在水污染治理方面有很好应用前景,它们可作为具有过滤作用的垫层、湿地的基材以及可渗透反应墙的填充介质等,应用于：(1)治理地表水、地下水、城市和农业废水中的有机物和营养物污染；(2)防止垃圾场和排污渠污染物的扩散与蔓延；(3)处理重金属离子含量高的工业和矿山酸性废水。 【关键词】：钢铁 钛 铝矿冶废渣 有机物 营养物质 重金属离子 酸性 水处理 地球化学模拟
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：X703
【目录】：

• 中文摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第1章 绪论14-32
• 1.1 钢铁矿冶废渣的产生及利用14-16
• 1.2 钛选矿废渣的产生及利用16-17
• 1.3 铝冶炼废渣的产生及利用17-18
• 1.4 矿冶废渣在环境治理中的应用18-23
• 1.4.1 钢铁矿冶废渣在环境治理中的应用18-20
• 1.4.2 钛选矿废渣在环境治理中的应用20
• 1.4.3 铝冶炼废渣在环境治理中的应用20-23
• 1.5 矿冶废渣在环境治理中应用的作用机理23-30
• 1.5.1 表面吸附效应24-27
• 1.5.2 沉淀效应27-28
• 1.5.3 氧化还原效应28
• 1.5.4 离子交换效应28
• 1.5.5 孔道效应28-29
• 1.5.6 结构效应29-30
• 1.5.7 结晶效应30
• 1.5.8 水合效应30
• 1.6 课题研究的内容及意义30-32
• 第2章 试验材料、仪器设备及方法32-43
• 2.1 试验材料32-33
• 2.2 试验材料的表征33-34
• 2.2.1 一般特征分析33
• 2.2.2 矿物学分析33
• 2.2.3 化学分析33-34
• 2.3 有机物和营养物质去除试验34-38
• 2.3.1 试验圆柱设计34-36
• 2.3.2 试验用水36
• 2.3.3 试验进出水水质分析36-37
• 2.3.4 试验结果分析37-38
• 2.4 重金属离子去除及酸中和试验38-40
• 2.4.1 试验圆柱设计38
• 2.4.2 试验用水38
• 2.4.3 试验进出水水质分析38-39
• 2.4.4 试验结果分析39-40
• 2.5 地球化学模拟分析40-43
• 2.5.1 地球化学模拟简介40-41
• 2.5.2 地球化学模拟的意义41-43
• 第3章 矿冶废渣和石英砂的表征43-65
• 3.1 参照对比材料石英砂43-45
• 3.1.1 石英砂的一般特征分析43-44
• 3.1.2 石英砂的矿物学分析44
• 3.1.3 石英砂的化学分析44-45
• 3.2 磁铁矿选铁尾矿渣45-48
• 3.2.1 磁铁矿选铁尾矿渣的一般特征分析45-47
• 3.2.2 磁铁矿选铁尾矿渣的矿物学分析47
• 3.2.3 磁铁矿选铁尾矿渣的化学分析47-48
• 3.3 含钛高炉渣48-51
• 3.3.1 含钛高炉渣的一般特征分析48-50
• 3.3.2 含钛高炉渣的矿物学分析50
• 3.3.3 含钛高炉渣的化学分析50-51
• 3.4 普通高炉渣51-54
• 3.4.1 普通高炉渣的一般特征分析51-52
• 3.4.2 普通高炉渣的矿物学分析52-53
• 3.4.3 普通高炉渣的化学分析53-54
• 3.5 钢渣54-56
• 3.5.1 钢渣的一般特征分析54-55
• 3.5.2 钢渣的矿物学分析55-56
• 3.5.3 钢渣的化学分析56
• 3.6 磁铁矿选钛尾矿渣56-59
• 3.6.1 磁铁矿选钛尾矿渣的一般特征分析56-58
• 3.6.2 磁铁矿选钛尾矿渣的矿物学分析58-59
• 3.6.3 磁铁矿选钛尾矿渣的化学分析59
• 3.7 赤泥59-62
• 3.7.1 赤泥的一般特征分析59-61
• 3.7.2 赤泥的矿物学分析61-62
• 3.7.3 赤泥的化学分析62
• 3.8 讨论分析62-64
• 3.9 本章小结64-65
• 第4章 矿冶废渣对水中有机物和营养物质去除试验65-88
• 4.1 参照对比材料石英砂65-67
• 4.1.1 石英砂对水中DOC的去除试验65
• 4.1.2 石英砂对水中磷的去除试验65-66
• 4.1.3 石英砂对水中氮的去除试验66-67
• 4.2 磁铁矿选铁尾矿渣67-70
• 4.2.1 磁铁矿选铁尾矿渣对水中DOC的去除试验68
• 4.2.2 磁铁矿选铁尾矿渣对水中磷的去除试验68-69
• 4.2.3 磁铁矿选铁尾矿渣对水中氮的去除试验69-70
• 4.3 含钛高炉渣70-73
• 4.3.1 含钛高炉渣对水中DOC的去除试验70-71
• 4.3.2 含钛高炉渣对水中磷的去除试验71
• 4.3.3 含钛高炉渣对水中氮的去除试验71-73
• 4.4 普通高炉渣73-75
• 4.4.1 普通高炉渣对水中DOC的去除试验73
• 4.4.2 普通高炉渣对水中磷的去除试验73-74
• 4.4.3 普通高炉渣对水中氮的去除试验74-75
• 4.5 钢渣75-78
• 4.5.1 钢渣对水中DOC的去除试验75-76
• 4.5.2 钢渣对水中磷的去除试验76
• 4.5.3 钢渣对水中氮的去除试验76-78
• 4.6 磁铁矿选钛尾矿渣78-80
• 4.6.1 磁铁矿选钛尾矿渣对水中DOC的去除试验78
• 4.6.2 磁铁矿选钛尾矿渣对水中磷的去除试验78-79
• 4.6.3 磁铁矿选钛尾矿渣对水中氮的去除试验79-80
• 4.7 赤泥80-83
• 4.7.1 赤泥对水中DOC的去除试验80-81
• 4.7.2 赤泥对水中磷的去除试验81
• 4.7.3 赤泥对水中氮的去除试验81-83
• 4.8 讨论分析83-87
• 4.9 本章小结87-88
• 第5章 矿冶废渣对水中重金属离子去除及酸中和试验88-112
• 5.1 参照对比材料石英砂88-90
• 5.1.1 石英砂对水中重金属离子去除及酸中和试验88-89
• 5.1.2 石英砂试验前后矿物学性质对比89-90
• 5.2 磁铁矿选铁尾矿渣90-93
• 5.2.1 磁铁矿选铁尾矿渣对水中重金属离子去除及酸中和试验90-91
• 5.2.2 磁铁矿选铁尾矿渣试验前后矿物学性质对比91-93
• 5.3 含钛高炉渣93-95
• 5.3.1 含钛高炉渣对水中重金属离子去除及酸中和试验93-94
• 5.3.2 含钛高炉渣试验前后矿物学性质对比94-95
• 5.4 普通高炉渣95-98
• 5.4.1 普通高炉渣对水中重金属离子去除及酸中和试验95-97
• 5.4.2 普通高炉渣试验前后矿物学性质对比97-98
• 5.5 钢渣98-100
• 5.5.1 钢渣对水中重金属离子去除及酸中和试验98-99
• 5.5.2 钢渣试验前后矿物学性质对比99-100
• 5.6 磁铁矿选钛尾矿渣100-103
• 5.6.1 磁铁矿选钛尾矿渣对水中重金属离子去除及酸中和试验101-102
• 5.6.2 磁铁矿选钛尾矿渣试验前后矿物学性质对比102-103
• 5.7 赤泥103-106
• 5.7.1 赤泥对水中重金属离子去除及酸中和试验103-104
• 5.7.2 赤泥试验前后矿物学性质对比104-106
• 5.8 讨论分析106-111
• 5.9 本章小结111-112
• 第6章 地球化学模拟分析112-158
• 6.1 矿冶废渣对水中污染物去除试验的地球化学模拟分析112-114
• 6.2 矿冶废渣对水中有机物和营养物质去除试验的地球化学模拟分析114-134
• 6.2.1 磁铁矿选铁尾矿渣的地球化学模拟分析115-118
• 6.2.2 含钛高炉渣的地球化学模拟分析118-121
• 6.2.3 普通高炉渣的地球化学模拟分析121-124
• 6.2.4 钢渣的地球化学模拟分析124-128
• 6.2.5 磁铁矿选钛尾矿渣的地球化学模拟分析128-131
• 6.2.6 赤泥的地球化学模拟分析131-134
• 6.3 矿冶废渣对水中重金属离子去除及酸中和试验的地球化学模拟分析134-156
• 6.3.1 磁铁矿选铁尾矿渣的地球化学模拟分析134-138
• 6.3.2 含钛高炉渣的地球化学模拟分析138-141
• 6.3.3 普通高炉渣的地球化学模拟分析141-145
• 6.3.4 钢渣的地球化学模拟分析145-149
• 6.3.5 磁铁矿选钛尾矿渣的地球化学模拟分析149-152
• 6.3.6 赤泥的地球化学模拟分析152-156
• 6.4 讨论分析156-157
• 6.5 本章小结157-158
• 第7章 矿冶废渣对水中污染物的去除效果分析158-167
• 7.1 分析依据158
• 7.2 矿冶废渣对水中有机物的去除效果分析158-159
• 7.3 矿冶废渣对水中磷的去除效果分析159-161
• 7.4 矿冶废渣对水中氮的去除效果分析161-163
• 7.5 矿冶废渣对水中重金属离子的去除效果分析163-164
• 7.6 矿冶废渣对水中酸性的去除效果分析164-165
• 7.7 本章小结165-167
• 第8章 结论及建议167-169
• 8.1 结论167-168
• 8.2 建议168-169
• 参考文献169-177
• 致谢177-178
• 攻读学位期间发表的学术论文目录178

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