铁炭修复地下水中硝酸盐污染的理论与应用研究

摘要

地下水中硝酸盐的污染日益严重，对人类健康产生了严重的危害。众所周知，水中的硝酸盐有使人发生致癌的危险，饮用了含高浓度硝酸盐氮的地下水后，容易因缺氧而患高铁血红蛋白症，严重的可致死亡。因此本文采用废铁屑和活性炭联合作用对地下水中硝酸盐污染进行修复。本课题也是南开大学与天津大学科技合作项目《沿海城市水环境生态修复基础研究》的子课题之一，主要研究内容包括： 1.在静态实验中分别研究了初始pH值、硝酸盐氮初始浓度、铁炭投加量、溶解氧(DO)等各种不同条件对反应的影响。实验结果表明： (1)在酸性范围内，pH越低，反应越快；随着反应的不断进行，溶液中的H+逐渐被消耗掉，溶液的pH不断升高。 (2)硝酸盐的去除速率随着硝酸盐初始浓度的增加而增大，随着反应的进行逐渐降低； (3)投加的铁屑与硝酸盐氮的最佳质量配比为400：1； (4)在硝酸盐去除反应的过程中，水样中的溶氧逐渐降低，水中的溶氧对反应的影响十分微弱，几乎可以忽略不计。 2.动态实验中，研究了铁炭填充柱的单因素影响以及柱子长时间的运行效果，得出如下结论： (1)溶液的pH值是影响反应的重要因素，硝酸盐在酸性条件下的去除效果远远大于中性条件下的去除效果。 (2)停留时间和硝酸盐的初始浓度对硝酸盐的去除有十分重要的影响：硝酸盐的去除率随停留时间的增加迅速提高，随着初始浓度的增大而减小。 (3)在相同的进水流速条件下，随着填充柱长度的增加，硝酸盐的去除率明显提高；填充柱越长，硝酸盐的去除率提高越快。 (4)柱子在酸性条件下长时间运行过程中，随着铁屑迅速被腐蚀，在铁屑表面产生氧化膜并逐渐增厚，阻碍了铁与硝酸盐的接触，同时也减少了柱子的孔隙率，导致了柱子的处理效果和渗透性同时下降。 3.铁炭处理硝酸盐的反应为动力学一级反应。 4.机理研究表明：(1)Fe0是铁屑还原硝酸盐反应唯一的电子供体，其腐蚀产物为Fe3O4；氨氮是铁屑还原硝酸盐氮的主要产物，N的平衡率为98％～101％；铁屑在接近中性条件下去除硝酸盐的反应方程式为： NO3-+2.8Fe0+0.8Fe2++2.2H2O=NH4++1.2Fe3O4+0.4OH-。(2)活性炭在硝酸盐去除过程中除了具有吸附作用以外，还与铁屑发生微电解作用，大大提高了铁屑还原硝酸盐氮的效果。 5.实际地下水长期实验过程中，采用规格为①60mm×500mm的玻璃填充柱，在水样pH=6.73，初始硝酸盐浓度53.35mg·N/L，停留时间为10h的条件下，柱子在2个月的时间内持续稳定运行，日处理水量为3.5L；出水中的硝酸盐浓度在3～11mg·N/L之间(平均浓度为7.13mg·N/L)，氨氮的生成率约为72％。

目录

文摘

英文文摘

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第一章前言

第一节地下水及其污染现状

1.1.1地下水的定义及特征

1.1.2地下水资源及其利用情况

1.1.3我国地下水污染概况

1.1.4地下水污染治理技术

第二节地下水的硝酸盐污染及其危害

1.2.1地下水硝酸盐污染现状

1.2.2地下水中硝酸盐的来源

1.2.3硝酸盐对环境和人体的危害

1.2.4地下水硝酸盐的污染控制对策

第三节地下水硝酸盐污染修复技术

1.3.1生物修复技术

1.3.2物理化学修复技术

1.3.3化学修复技术

第四节选题思路与研究内容

1.4.1目标作用物的选择意义

1.4.2选用技术的前沿性

1.4.3选用方法的适用性

1.4.5选用方法的创新性

1.4.6研究内容

第二章静态实验研究

第一节实验材料与方法

2.1.1化学试剂

2.1.2实验方法与反应装置

第二节实验结果与讨论

2.2.1铁屑投加量对硝酸盐去除的影响

2.2.2活性炭对硝酸盐去除的影响

2.2.3pH对硝酸盐去除的影响

2.2.4硝酸盐初始浓度的影响

2.2.5溶氧的影响

第三节实际地下水及离子影响实验

2.3.1实际地下水实验

2.3.2实际地下水中离子对硝酸盐去除影响实验

第四节小结

第三章铁炭法去除硝酸盐机理研究

第一节实验材料与方法

4.1.1化学试剂

4.1.2实验方法

第二节实验结果与讨论

3.2.1铁屑还原硝酸盐的机理研究

3.2.2活性炭促进硝酸盐去除研究

第三节小结

第四章动态实验条件探讨

第一节实验材料与方法

4.1.1化学试剂

4.1.2实验方法与反应装置

第二节单因素实验结果与讨论

4.2.1填料的影响

4.2.2停留时间的影响

4.2.3溶液初始浓度的影响

4.2.4铁屑的表面腐蚀

第三节小结

第五章铁炭填充柱去除地下水中硝酸盐应用研究

第一节实验材料与方法

5.1.1化学试剂

5.1.2实验方法与反应装置

第二节结果与讨论

5.2.1反应条件筛选

5.2.2实际地下水实验

第三节小结

第六章结论与建议

第一节实验结论

第二节建议

致 谢

参考文献

附录A实验中所用的化学试剂

附录B实验中所用仪器及目标物质的分析方法

个人简历