受污染底泥就地稳定化新型帽封材料研究

摘要

苏州河是上海的母亲河，也是黄浦江最大的支流。由于近百年来的污水直排，苏州河底泥中累积了大量的有毒有害污染物。通过一定的交换作用，底泥中的污染物在适当条件下会重新释放，已经成了影响和制约上覆水质的主要二次污染源。因此，河流底泥污染的研究和治理，是城市河流污染综合整治的重要内容，是从根本上解决河流污染问题的重要途径。 在河流底泥治理治理方面，国内外已经有了多种成功的修复技术。借鉴国外的成功治理经验，研究探索一种适合我国河流底泥治理最优化的方法，是目前我国河流底泥处理的一条思路。本文就是在对苏州河底泥污染状况进行深入调查研究的基础上，主要以底泥中的重金属为处理目标，以就地稳定的原位帽封为处理方法，以环境矿物磷灰石和膨润土、高吸水性丙烯酸树脂为处理材料制作出新型活性帽封材料，并借鉴美国AQUABLOK<'TM>帽封材料的成功经验，进行了一系列的实验和模拟研究。河流底泥就地稳定化原位帽封治理，涉及了物理化学、地质地貌、工程管理等多方面的因素和问题。 本文主要以底泥中重金属污染物为主要目标，结合所采用环境矿物材料对不同价态阳离子的吸附交换作用的特性，在对苏州河污染底泥性质的深入了解基础上，采用重金属化学形态分析五步提取方法、美国EPA的浸出毒性实验(TCLP)、吸附后帽封材料在不同pH条件下的浸出稳定性和在帽封稳定过程中的pH及ORP变化情况等技术指标来定量表征新型活性复合帽封材料对重金属污染物的稳定效果。利用专门设计制作的有机玻璃箱静态模拟苏州河水体，研究了新型帽封材料的帽封效果。 研究结果表明： (1)新型活性符合帽封材料吸附多种混合重金属污染，在100h以后会到较高的吸附效果。其中铅的吸附速率最快，到84小时吸附率就达到了90％，而此时镉的吸附率只有53％。到最终吸附达平衡时，吸附率都能达到80％以上，铅和铬的吸附率超过了99％。最终吸附率大小比较是Pb>Cr>Zn>Ni>Cd。 (2)帽封材料投加入重金属溶液，在吸附达到稳定后，重金属溶液的pH总是在6-7之间波动。由于初期对重金属的较强吸附作用，影响到ORP在一定的吸附时间断有较大的起伏，而在吸附100小时逐步达到吸附平衡以后，ORP的变化变缓，在150mV到180mV之间以波动为主。(3)底泥加标后，经过三个月可以基本达到稳定，继续静置稳定对重金属形态变化不大。通过形态分析表明，经过一定时间的帽封后，底泥中的重金属主要是可交换态或是碳酸盐态有所减少。 (4)吸附10天达到稳定的帽封材料，当pH在6以上时，帽封材料吸附体有很好的稳定性。在pH小于6时，帽封材料对Cr，Pb和Zn的稳定效果也很好。 (5)帽封材料在TCLP条件下的稳定性实验表明，对Pb和Cr从吸附初期开始就有很好的吸附稳定性，浸出率一直保持在7％以下。而对于Zn、Ni、Cd帽封材料的吸附稳定性是随着时间逐步加强的，到十天基本吸附稳定后，帽封材料对重金属才达到一个较好的吸附稳定性。 (6)静态模拟底泥污染物帽封实验中，Zn、Pb、Cr、Ni、Cd种重金属的浓度变化不明显，但帽封条件下重金属浓度减少趋势较非帽封条件下要小一些，说明帽封材料对底泥污染物的稳定效应还是非常显著的，同时也说明了底泥迁移是一个复杂而长期的过程，对其原位控制也是一个长期的过程。 (7)静态模拟实验分层研究表明：重金属在底泥中的迁移主要发生在近固液界面处，而底泥最下面两层在实验时间内重金属迁移量变化不明显。在帽封和非帽封条件下近泥水界面层中的重金属随着时间的延长，都有一定程度向上的迁移作用，而非帽封条件下的迁移量要明显大一些。由于帽封覆盖层的作用，使得帽封条件下的重金属向上迁移量减少趋势较非帽封条件下要缓慢。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章前言

1.1苏州河底泥的污染状况

1.1.1苏州河底泥的物理性质

1.1.2苏州河底泥的主要污染物

1.1.3苏州河底泥的重金属污染

1.1.4苏州河底泥的有机物污染

1.1.5苏州河底泥对环境及人体的危害

1.2底泥处理处置的主要方式

1.2.1疏浚

1.2.2生物修复

1.2.3自然修复技术

1.2.4就地帽封控制技术

1.2.5就地帽封关键材料及其发展

1.3本文对就地稳定处理方法的研究介绍

1.4课题研究设计思想及关键问题

1.4.1研究目的和意义

1.4.2研究技术路线

1.4.3研究主要内容

第二章实验方法及过程

2.1主要实验材料

2.2主要实验仪器和设备

2.3实验方法

2.3.1底泥采样及加标处理

2.3.2重金属形态分析方法

2.3.3 pH值和氧化还原电位（ORP）

2.3.4 TCLP浸出试验

2.3.5吸附过程及测量

2.3.6模拟帽封实验

第三章新型帽封材料结构特点与组成

3.1新型帽封材料的结构与特点

3.2新型帽封材料的物理参数

3.2.1新型帽封材料的膨胀性能

3.2.2新型帽封材料的分散性能

3.2.3新型帽封材料的包覆量

3.2.4实验用帽封材料的粒度分布

3.3新型帽封材料的组成

3.3.1新型帽封原材料—磷灰石

3.3.2新型帽封原材料—膨润土

3.3.3新型帽封原材料—丙烯酸树脂

第四章新型帽封材料吸附性能及其稳定性

4.1新型帽封材料的吸附性能

4.1.1对不同浓度重金属的吸附

4.1.2投加量对吸附效果的影响

4.1.3静置和振荡吸附的比较

4.1.4振荡条件下的竞争吸附

4.1.5对五种重金属混合溶液的吸附

4.1.6对pH值和ORP的影响

4.2重金属形态分析

4.3新型帽封材料的吸附稳定性

4.3.1不同pH条件下的浸出

4.3.2 TCLP浸出

第五章新型帽封材料的帽封模拟性能

5.1静态模拟帽封

5.1.1重金属向上层水体的迁移

5.1.2底泥中的重金属含量

5.1.3底泥中重金属的分层迁移

5.1.4pH值和ORP的变化情况

5.2新型帽封材料在工程应用中的铺设厚度

5.2.1隔离层Ti

5.2.2生物扰动层Tb

5.2.3混合层Tcc

5.2.4抗水体扰动层Tp

5.2.5化学隔离层Tci

5.2.6帽封层最终推荐厚度

5.2.7帽封层厚度的适合范围

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文

作者在攻读硕士学位期间从事的项目