我國目前正處在高速城市化發(fā)展進程中,突發(fā)性水源重金屬污染事故頻發(fā),嚴重威脅區(qū)域生態(tài)環(huán)境和居民用水安全。針對傳統(tǒng)技術(shù)應對水源突發(fā)重金屬污染過程中存在的處置能力有限、金屬離子難以從水中有效清除及技術(shù)操作復雜等瓶頸,本文以重金屬鎘離子為代表性目標污染物,以吸附法為核心,采用廉價易得的稻殼基生物質(zhì)材料在微波輻射條件下快速制備了黃原酸化改性吸附劑;基于該改性材料建立了可實現(xiàn)鎘離子高效去除的應急吸附-混凝體系;針對該體系運行過程中產(chǎn)生的含鎘污泥,建立了廣義區(qū)間梯形模糊多準則群決策模型用以篩選適宜技術(shù)對該類危險廢物進行有效處置。本文研究了微波輔助黃原酸化改性吸附材料(RH_(MW)-Mg)的快速制備工藝。采用濃硫酸對稻殼進行碳化處理,以氫氧化鈉、二硫化碳和硫酸鎂為改性劑通過堿化、黃化及置換等過程對碳化材料進行微波輔助快速改性。采用響應曲面法對改性材料的制備參數(shù)進行了優(yōu)化,得到該材料的最佳制備條件為:微波堿化時間300 s,二硫化碳與稻殼投加比2:1(mL/g),微波黃化時間90 s。相較于常規(guī)水浴加熱方式,微波輻射技術(shù)可將改性時長由2.5 h縮減至0.11 h,且改性材料的鎘離子吸附容量可由137.16 mg/g提升至191.32 mg/g。采用紅外光譜、掃描電鏡及X-射線光電子能譜等分析測試手段對RH_(MW)-Mg進行了表征。結(jié)果表明:稻殼改性前后表面形貌出現(xiàn)了較大變化,由較為光滑變成了粗糙的多孔洞結(jié)構(gòu);改性材料的等電點為7.91,且對水體中鎘離子的吸附機制為離子交換和螯合作用。從多角度對RH_(MW)-Mg應用于凈水廠應急除鎘的可行性進行了考察。RH_(MW)-Mg在pH為5.0-8.0的范圍內(nèi)對鎘離子保持了較高的去除效果,表明該材料可在不調(diào)原水pH的情況下直接用于鎘離子的應急吸附;RH_(MW)-Mg在30min左右即可實現(xiàn)對鎘離子的吸附平衡,表明該材料可應用于原水輸水管線中利用管道輸水過程進行鎘離子的吸附,在水源水到達凈水廠前實現(xiàn)對鎘離子的主要去除;RH_(MW)-Mg在較低溫度下對鎘離子的吸附效果較好,符合實際應急處置過程;RH_(MW)-Mg對鉛、鎳和銻等其它可能與鎘離子共存的重金屬離子均有良好的吸附效果,可實現(xiàn)對存在于突發(fā)鎘污染中的各類重金屬離子的一次性去除,極大程度簡化了應急處置過程;鈉、鉀、鎂和鈣等共存陽離子對材料除鎘效果干擾較小,且儲存時間對其吸附性能無顯著影響。以上結(jié)果均表明RH_(MW)-Mg適合用于水源突發(fā)鎘污染的應急處置過程。對基于RH_(MW)-Mg建立的吸附-混凝體系應急除鎘性能進行了探究。結(jié)果表明:RH_(MW)-Mg在沒有聚合氯化鋁(PAC)助沉下的最大投量為390 mg/L;而在有PAC助沉情況下的最大投量為770 mg/L,超出此數(shù)值的改性材料投量會導致沉后水體濁度超出砂濾池進水濁度3 NTU的限值�；赗H_(MW)-Mg最大投量對吸附-混凝體系應急除鎘工藝參數(shù)進行了確定,給出了應對不同鎘離子濃度超標倍數(shù)所需的RH_(MW)-Mg和PAC投量。在滿足砂濾池進水濁度和凈水廠出水鎘離子濃度限值的前提下,當RH_(MW)-Mg和PAC投量分別為760和30mg/L時,該吸附-混凝體系可應對鎘離子濃度超標186.6倍的水源突發(fā)污染。對該吸附-混凝體系應急除鎘產(chǎn)生的含鎘污泥穩(wěn)定性進行了評估。結(jié)果表明:該體系可實現(xiàn)對鎘離子的穩(wěn)定去除,且產(chǎn)生的含鎘污泥較為穩(wěn)定,不會影響供水水質(zhì)。為對該體系應用于凈水廠應急除鎘過程中產(chǎn)生的含鎘污泥進行有效處置,提出了廣義區(qū)間梯形模糊多準則群決策模型,對可行的水泥固化-安全填埋技術(shù)、回轉(zhuǎn)窯焚燒技術(shù)、水泥窯協(xié)同處置技術(shù)和濕法冶金金屬回收技術(shù)進行優(yōu)選。采用循環(huán)修正的Group-G1方法對技術(shù)評估體系進行指標賦權(quán);采用廣義區(qū)間梯形模糊數(shù)對各專家意見進行模糊化表示,通過對區(qū)間梯形模糊數(shù)的標準化處理及相似度計算獲得各專家在評估各技術(shù)方案時的專家權(quán)重;在此基礎(chǔ)上運用HOWA加權(quán)聚合算子對專家意見進行客觀聚合;最后采用Fuzzy-TOPSIS排序法對聚合后的專家意見進行處理,得出技術(shù)方案優(yōu)選順序,即回轉(zhuǎn)窯焚燒技術(shù)是處置凈水廠含鎘污泥的最優(yōu)處置方案。對本文基于RH_(MW)-Mg建立的吸附-混凝體系和基于模糊理論建立的廣義區(qū)間梯形模糊多準則群決策模型的普適性進行了評估。結(jié)果表明:該吸附-混凝體系具備應用于鉛、鎳及銻等其它重金屬污染應急減免過程的巨大潛力;該廣義區(qū)間梯形模糊多準則群決策模型可應用于多類環(huán)境問題的決策過程,輔助決策者做出合理的環(huán)境管理決策。本文的研究成果豐富了水源突發(fā)重金屬污染的應急處置技術(shù)方案選擇,為解決包括環(huán)境技術(shù)篩選在內(nèi)的多種環(huán)境管理群決策問題提供了新的模型算法,具有較強的理論價值和現(xiàn)實指導意義。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：X52;TU991.15
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 緒論
    1.1 課題來源
    1.2 研究背景
    1.3 我國突發(fā)鎘污染現(xiàn)狀分析
        1.3.1 水體鎘污染來源及危害
        1.3.2 我國突發(fā)鎘污染事故概述
        1.3.3 我國突發(fā)鎘污染事故的應急處置
    1.4 突發(fā)鎘污染應急處置技術(shù)現(xiàn)狀分析
        1.4.1 水體除鎘技術(shù)研究進展
        1.4.2 水體除鎘技術(shù)的應急適用性分析
    1.5 突發(fā)鎘污染應急吸附材料現(xiàn)狀分析
        1.5.1 用于水體除鎘的吸附材料研究進展
        1.5.2 吸附材料的應急除鎘適用性分析
        1.5.3 微波輔助改性吸附材料制備的研究進展
    1.6 環(huán)境技術(shù)評估方法現(xiàn)狀分析
        1.6.1 多屬性群決策方法
        1.6.2 模糊集理論
    1.7 研究目的意義與主要研究內(nèi)容
        1.7.1 目前研究存在問題
        1.7.2 研究目的和意義
        1.7.3 研究內(nèi)容和技術(shù)路線
第2章 實驗材料與方法
    2.1 實驗試劑與儀器
        2.1.1 實驗試劑
        2.1.2 實驗儀器
    2.2 實驗方法
        2.2.1 微波輔助黃原酸化改性吸附材料的制備
        2.2.2 材料性能表征方法
        2.2.3 改性生物質(zhì)材料的吸附實驗
        2.2.4 改性生物質(zhì)材料的混凝實驗
        2.2.5 水樣分析方法
    2.3 響應曲面分析方法
        2.3.1 過程變量及響應變量識別
        2.3.2 實驗設(shè)計選擇
        2.3.3 模型參數(shù)確定
        2.3.4 方差分析
    2.4 吸附模型分析方法
        2.4.1 吸附動力學模型
        2.4.2 吸附等溫線模型
        2.4.3 吸附熱力學模型
MW-Mg及性能表征'>第3章 微波輔助快速制備RH_MW-Mg及性能表征
    3.1 引言
MW-Mg制備原理'>    3.2 基于微波輻射的RH_MW-Mg制備原理
MW-Mg制備工藝'>    3.3 響應曲面法優(yōu)化RH_MW-Mg制備工藝
        3.3.1 制備過程影響因素分析
        3.3.2 制備過程影響因素優(yōu)化
    3.4 材料性能表征
        3.4.1 表面官能團結(jié)構(gòu)分析
        3.4.2 表面形貌特征分析
        3.4.3 元素含量分析
        3.4.4 零電荷點測定
        3.4.5 吸附機制探討
    3.5 本章小結(jié)
MW-Mg的吸附-混凝體系應用于凈水廠應急除鎘研究'>第4章 基于RH_MW-Mg的吸附-混凝體系應用于凈水廠應急除鎘研究
    4.1 引言
MW-Mg應用于凈水廠應急除鎘的可行性研究'>    4.2 RH_MW-Mg應用于凈水廠應急除鎘的可行性研究
        4.2.1 pH適應性分析
        4.2.2 吸附速率分析
        4.2.3 吸附溫度分析
        4.2.4 對其它重金屬的吸附
        4.2.5 共存離子影響分析
        4.2.6 與其它生物質(zhì)材料綜合對比分析
MW-Mg的吸附-混凝體系除鎘性能研究'>    4.3 基于RH_MW-Mg的吸附-混凝體系除鎘性能研究
MW-Mg最大投量探究'>        4.3.1 RH_MW-Mg最大投量探究
        4.3.2 吸附-混凝體系除鎘工藝參數(shù)確定
    4.4 吸附-混凝體系除鎘的污泥穩(wěn)定性評估
    4.5 吸附-混凝體系的廣泛適用性評估
    4.6 本章小結(jié)
第5章 基于模糊多準則群決策模型的凈水廠含鎘污泥處置技術(shù)篩選研究
    5.1 引言
    5.2 處置技術(shù)方案庫的建立
        5.2.1 固化-安全填埋技術(shù)
        5.2.2 焚燒技術(shù)
        5.2.3 水泥窯協(xié)同處置技術(shù)
        5.2.4 金屬回收技術(shù)
    5.3 處置技術(shù)評估體系的構(gòu)建
        5.3.1 評估指標選擇
        5.3.2 基于循環(huán)修正的Group-G1 指標賦權(quán)
    5.4 區(qū)間模糊群決策技術(shù)評估模型的建立
        5.4.1 基于廣義區(qū)間梯形模糊數(shù)的專家意見模糊化表示
        5.4.2 模糊決策矩陣的標準化
        5.4.3 專家權(quán)重計算
        5.4.4 基于HOWA加權(quán)算子的專家決策意見聚合
        5.4.5 基于Fuzzy-TOPSIS的方案排序
    5.5 不確定性分析
    5.6 模型普適性評估
    5.7 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻
攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及其它成果
致謝
個人簡歷

【參考文獻】

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本文編號：2864730