矿冶废渣对污水中氮磷及有机物质的净化效果研究

摘要

本课题选用江西省工矿业废渣（主要包括钢渣、炉渣和钛渣等9种矿冶废渣基质）作为研究对象，模拟它们在实际应用环境下较长时间内对有机物和营养物质的去除过程，分析单一基质和钢渣、炉渣与钛渣的组合基质对溶解性有机碳（DOC）、氮磷营养物质的去除效果，确定它们在实际应用中的可能性。使用PHREEQC地球化学模拟计算软件对室内柱体试验中水和矿物之间的相互作用过程进行地球化学模拟分析，反映在污染物去除过程中矿物的溶解和沉淀情况。运用多元线性回归分析化学成分等对溶解性有机碳（DOC）、氮磷营养物质去除效果的显著性影响，揭示了主要影响各矿冶废渣去除能力的化学成分。
　　主要研究结果如下：
　　1.钢渣主要矿物成分由斜硅钙石和黑钙铁矿组成，主要元素成分是Ca，Fe，Si和Mg等；JX2、JX4和JX7号炉渣均含有超过50％的非晶体物质，JX3号炉渣的主要矿物是钙黄长石，主要元素成分是Ca，Si，Al和Mg等；钛渣的优势矿物为硫酸钙，伴生矿物为氧化铁（如赤铁矿和磁铁矿），主要元素成分为Ca，Fe和S等。各基质痕量元素成分分析发现，在将这些废渣大规模应用于实际环境之前，有必要对残渣中痕量元素的生物可利用性和可淋洗性进行检查。
　　2.单一基质（钢渣、炉渣及钛渣）对水中有机物和营养物质的去除的一系列圆柱试验，结果表明：
　　（1）各基质对DOC的去除能力依次为JX8> JX4> JX5=JX6> JX2> JX1>JX7> JX3> JX9.
　　（2）各基质对TN的去除能力依次为JX3> JX2> JX7>JX8> JX6> JX4> JX5>JX1> JX9；各基质对NOx-N的去除能力依次为JX3> JX2> JX4>JX7> JX5> JX1>JX6> JX9> JX8；除了钛渣对NH3-N有一定的去除效果，JX8号钢渣对NH3-N没什么作用外，其他基质均出现净增长现象；大部分的炉渣（JX7号炉渣除外）和钛渣出液中DON的出现净增长，钢渣对DON都有一定的吸附作用。
　　（3）基质对污水中TP的去除效果都很好。其中，钢渣和炉渣对TP的去除效果显著，去除率均达到90%以上，钛渣去除率为82%.
　　3.组合基质（钢渣、炉渣与钛渣质量比1:1）对水中有机物和营养物质的去除的一系列圆柱试验，结果表明：
　　（1）各组合基质对DOC均有较好的去除效果，去除能力依次为JX7/JX9>JX6/JX9> JX2/JX9>JX4/JX9> JX8/JX9> JX3/JX9.
　　（2）各种组合基质对污水中TN的去除能力依次为 JX8/JX9>JX7/JX9>JX6/JX9>JX2/JX9> JX4/JX9> JX3/JX9；各种组合基质对污水中NOx-N的去除能力依次为JX7/JX9>JX8/JX9>JX4/JX9>JX2/JX9>JX6/JX9> JX3/JX9；除JX4/JX9组合基质基质外，其他组合基质对污水中的NH3-N均有一定的去除效果，去除能力依次为JX3/JX9>JX2/JX9>JX8/JX9>JX7/JX9>JX6/JX9>JX4/JX9；除JX7/JX9组合基质外，其他组合基质对污水中的DON均有一定的去除效果，去除能力依次为JX8/JX9>JX6/JX9>JX3/JX9>JX2/JX9>JX4/JX9> JX7/JX9.
　　（3）组合基质对污水中总磷的去除效果非常显著，去除率均达到90%以上。
　　（4）综上，结合单一基质对有机物和营养物质的去除效果，可以发现，组合基质对DOC的去除效果略微增强；对氮的去除效果明显增强了很多；对磷的去除效果略有降低但依然很高，影响不大。说明下一步工作中有必要就钢渣、炉渣与钛渣的不同配比组合基质对有机物和营养物质的去除效果进行研究，探讨最适合的组合基质配比。
　　4.根据DOC、TN和TP等3个指标的权重不同综合评判单一基质和组合基质对有机物和营养物质的综合去除效果，单一基质的综合评判为JX8>JX4>JX6>JX5>JX1>JX2>JX7>JX3>JX9；组合基质的综合评判为JX7/JX9>JX8/JX9>JX6/JX9>JX2/JX9>JX4/JX9>JX3/JX9.
　　5.地球化学模拟的结果表明钢渣出水的地球化学性质主要受到非定型氢氧化铝、钙长石、含铁矿物水铁矿和方解石的影响较大；炉渣出水的地球化学性质主要受到非定型氢氧化铝、钙长石、含铁矿物水铁矿和方解石的影响较大；钛渣出水的地球化学性质主要结晶较差的羟矾石、含铁矿物水铁矿、黄钾铁矾--钾和含钙矿物石膏的影响较大；组合基质出水的地球化学性质主要受到非定型氢氧化铝、斜铝矿、含铁矿物水铁矿和含钙矿物石膏的影响较大。

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第1章 绪论

1.1 农业面源污染现状

1.2 农业面源污染水质控制技术

1.3 国内外研究现状

1.4 研究内容及意义

第2章 人工湿地基质的理化性质

2.1 材料和方法

2.2基质理化性质分析

2.3 小结

第3章 基质对污水中有机物及氮磷的动态吸附试验

3.1 材料和方法

3.2 单一基质对污水中有机物及氮磷的去除效果分析

3.3 组合基质对污水中有机物及氮磷的去除效果分析

3.4 模糊综合评判

3.5 小结

第4章 地球化学模拟分析

4.1 地球化学模型

4.2 地球化学模拟分析

4.3 小结

第5章 结论与建议

5.1 结论

5.2 未来工作的建议

致谢

参考文献

附录A工矿业废渣X射线衍射图谱

攻读学位期间的研究成果