典型化工污染土壤的微波修复技术研究-环境工程专业论文.docx

华 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 I I 摘 要 随着我国工业化和城市化发展及《斯德哥尔摩国际公约》的履约进程，近几 年出现了一大批关闭搬迁或即将退役的化工企业。废弃的化工污染场地被开发作 商用和民用，污染场地中大量有毒物质的存在严重影响着生态环境和人居环境安 全，因此亟需对化工污染场地进行高效、快速的修复。 在污染场地修复工程中，热修复技术作为一种最主要的场地修复技术得到广 泛应用。土壤热修复技术中，由于常规加热的传热机制导致能量传递速度慢，处 理效率低下；另外由于需要将土壤进行整体加热，消耗的能量较大。近年来有研 究采用微波（Microwave, MW）来替代常规加热的热源，利用 MW 的特殊加热 方式来迅速提高土壤温度，促进污染物的解吸、分解或固定化过程并实现土壤修 复；同时 MW 加热具有选择性，直接作用于土壤中的极性污染物和水分子等吸 波物质，可大大节省能量。MW 技术具有对污染物的种类和性质无选择性、处理 时间短等优点，对于化工场地土壤中种类繁多、毒性大、浓度高的污染物是一种 非常合适的治理技术。 本文分别以制药业的抗生素、有机化工的硝基化合物和无机化工的重金属三 类不同污染物为研究对象，研究了污染土壤 MW 修复技术的影响因素和机理， 在小试研究的基础上对 MW 土壤修复设备进行了研究开发。本文的主要研究内 容与结论有： （1）研究了氯霉素（Chloramphenicol, CAP）污染土壤的 MW 修复条件及 机理，结果表明：MW 敏化剂对 MW 修复 CAP 污染土壤的效果依次为颗粒活性 炭（GAC）铁粉水二氧化锰；GAC 作 MW 敏化剂时，MW 功率和 GAC 剂 量对修复效率影响最大；在一定范围内，土壤修复效果随土壤量的增加而显著增 大，对于 3 g 土壤，CAP 的去除率在辐射 5 min 时可达到 93%，而对于 0.5 g 土 壤，MW 辐射 20 min 后去除率仅为 80%；污染物的初始浓度对修复效果影响较 小；MW 辐射下 CAP 经历了 C－C 键的断裂和氧化反应，部分裂解碎片与土壤 有机质发生反应，生成了新的大分子产物，但产物的浓度极低，辐射时没有脱氯 过程的发生。 （2）研究了 4-硝基酚（4-nitrophenol, 4-NP）模拟污染土壤的 MW 修复条件 II II 及机理，并对实际污染土壤的修复效果进行了考察，结果表明：几种 MW 敏化 剂中 GAC 的敏化效果最好，向土壤中添加一定水分可使 4-NP 的去除率有所提 高，但提高率不足 10%；MW 功率越高去除效果越好，4-NP 初始浓度对去除率 无显著影响。加入 GAC 作 MW 敏化剂时可显著促进 MW 修复 4-NP 污染实际土 壤的效果，以 1 g 污染土为处理对象并加入 0.3 g GAC，采用 700 W 的 MW 功率 辐射 20 min 后 4-NP 去除率达 70%；保持土壤量和 GAC 剂量的比值一定，增加 土壤量可以显著促进 4-NP 的去除率，当土壤量大于 2 g 时 4-NP 去除率达 96% 以上；4-NP 在 MW 辐射下的去除无挥发作用的发生，其机理很可能为在高温下 直接矿化为 CO2 和 H2O，或者本身和分解的中间产物直接同土壤产生化学结合 而被固定，因而从土壤中无法被萃取出来。 （3）研究了土壤中 Cr（VI）的 MW 强化还原技术，结果发现：土壤有机质 的存在本身会使土壤中的 Cr（VI）还原，初期还原速率较快，初始浓度为 100 mg·kg-1 的 Cr（VI）污染土壤，放置 3 天后 Cr（VI）还原率接近 70%，后期还原 速率显著降低，Cr（VI）的浓度趋于平稳；当有机质含量一定时，Cr（VI）初 始浓度越高，还原率越低，但实际还原量增大。以 GAC 作为还原剂，采用 MW 辐射对土壤中的 Cr（VI）进行强化还原，MW 辐射在 1-3 min 内就可将土壤中 85%以上的 Cr（VI）还原成 Cr（Ⅲ），其中 GAC 的剂量是影响还原效果的重要 因素，辐射时间和 MW 功率对 Cr（VI）的还原率影响不大；Cr（VI）初始浓度 对还原率无显著影响，MW 辐射处理 3 min 对浓度范围为 7.34-610.48 mg·kg-1 的 Cr（VI）污染土壤还原率都能达到 75%以上；若仅依靠土壤有机质对 Cr（VI） 的还原作用，将土壤中 85%的 Cr（VI）还原成 Cr（III）需数十天的时间，而采 用 MW 辐射技术仅需 1-3 min 就可获得同样的还原效果；对于土壤中 Cr（VI） 的还原，MW 强化还原技术具有高效、快速的特点。 （4）在小试研究基础上，设计加工了 MW 原位土壤修复和 MW 脱氮中试 设备。土壤修复中试设备对污染土壤有着较好的修复