使用碱性材料如石灰石、石灰等处理AMD(Acidminedrainage)是一项成熟的废水处理技术,结合AMD的特性,研究碱性材料诱导下AMD中铁次生矿物相的形成与转变及对重金属的稳定化机制能对改进碱性材料处理AMD及中和渣的废物利用提供有效的理论指导。因此,本文通过添加不同用量的石灰石探究不同饱和程度中和下沉积物中铁次生矿物相的变化及其对重金属的去除效果与稳定化机制,同时通过高温环境模拟石灰石和石灰过饱和中和处理下沉积物中铁次生矿物的自然老化,研究pH、温度及时间的变化对铁矿物相的影响;并通过研究实验室自制的石灰石和石灰中和AMD的中和渣及废水处理厂采集的二段中和处理后的两段中和渣对As的吸附效果,探讨AMD中和渣作为As吸附材料的可行性。主要研究结果如下: (1)通过添加不同用量的石灰石使AMD分别处于pH为3.84-4.14(不饱和),4.63-6.82(饱和)和6.97-7.46(过饱和)三种范围内,通过监测液相中重金属的含量,和使用XRD、FTIR、SEM和XPS等现代仪器表征,研究铁次生矿物相的转变及其对重金属的去除和稳定化机制。研究结果表明在300d的培养时间下,不饱和添加石灰石后AMD中的Fe在1d内完全去除,Cu和Zn的去除率分别为7.67-15.31%和19.29%-30.06%,沉积物中的Fe主要由无定型铁如施氏矿物等向针铁矿转变,沉积物中的重金属会因为矿物相转变而释放但会重新被矿物相表面的羟基吸附结合从而使固液中重金属含量趋于平衡。在饱和添加石灰石后,AMD的pH先上升后下降,在1d内Cu和Fe完全去除但Zn的去除相对滞后去除率仅为74.28%,并且Zn的去除率随着pH的变化而变化,当pH降低时Zn的去除率也随着降低由98.06%(30d)降低至90.13%(300d)。沉积物中的Fe由无定型铁次生矿物向针铁矿转变,Cu会因为矿物相的转变由与Fe结合的Cu2+向与碳酸盐结合等形态转变从而不会再释放进入液相中,同时重金属形态分析结果显示Cu与Fe结合的形态减少了11.40%。长时间培养下(150d-300d),晶型铁氧化物增加了35.70%,因此部分Zn会被表面吸附从而导致随着pH的降低被释放,但是Zn的晶型铁氧化物结合态增加了25.65%,说明对沉积物再利用时更应警惕Cu的释放。在过饱和添加石灰石后,Fe和Cu在2-6h内快速且同步完全沉降,Zn的去除依旧滞后在1d时去除率为94.53%。沉积物中出现纤铁矿和针铁矿,与饱和情况不同的是,在矿物相的转变过程中原本以表面吸附或是碳酸盐结合等形态结合的Cu2+会进入到新形成的铁羟基氧化物的矿物晶格内,同时Zn的晶型铁氧化物结合态降低了15.09%,弱晶型铁氧化物结合态上升了14.86%,由于pH的不断上升因此Zn并未随着铁矿物的变化而重新释放,但仍要注意因环境的变化导致再释放的风险。 (2)使用石灰石和石灰过饱和添加处理AMD,通过设置50℃和80℃两种高温环境,模拟沉积物中的铁次生矿物在自然下长时间的老化过程,研究不同碱性材料、pH诱导下沉积物中铁次生矿物的相转变类型及重金属的稳定效果。研究结果表明石灰石高温处理下Zn的去除依旧滞后于Fe和Cu,而石灰处理下Cu、Zn均能形成氢氧化物沉淀,说明高温能加快碱性材料对AMD的中和效率但不改变其去除规律。对沉积物中的铁次生矿物进行动态监测表明,温度的升高能在短时间内使沉积物中的Fe形成晶型铁(氢)氧化物,但不同的碱性材料、pH等的变化会导致铁(氢)氧化物向不同的类型转化,XRD结果表明石灰石高温处理下主要形成赤铁矿、磁铁矿和针铁矿而石灰处理下则主要为针铁矿和赤铁矿。FTIR结果表明在石灰石中和沉积物中Fe主要以470cm-1处的Fe-O的伸缩振动峰为主而在石灰中和渣中则主要为877cm-1处的Fe-OH的弯曲振动峰。随着铁矿物相的快速变化,沉积物中的重金属均并未向溶液中释放。 (3)采集AMD处理厂使用二段石灰中和处理后的一段和二段中和渣,以及实验室制备的过饱和添加石灰和石灰石处理的中和渣,研究四种不同的中和渣对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附效果。研究结果表明四种中和渣对As(Ⅴ)的吸附效果均优于As(Ⅲ),对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附过程更符合准二级动力学;石灰石中和渣、石灰中和渣、一段渣和二段渣对As(Ⅲ)的拟合最大吸附量分别为3.859mgg-1,3.515mgg-1,2.609mgg-1和1.371mgg-1。对As(Ⅴ)的拟合最大吸附量分别为4.988mgg-1、4.919mgg-1、4.965mgg-1和4.876mgg-1。四种中和渣对As(Ⅲ)的等温吸附更符合Freundlich模型,石灰石和石灰中和渣对As(Ⅴ)的吸附更符合Langmuir模型。As(Ⅲ)在pH为3的条件下解析率最高而As(Ⅴ)在pH为9的条件下解析率最高。吸附前后中和渣的XRD结果显示,石灰石、石灰及一段渣在吸附过程中会形成含砷的铁羟基硫酸矿物。FTIR表征显示石灰石中和渣在吸附后其Fe-OH弯曲振动峰远强于其余三种中和渣,因此更容易通过表面正电荷吸引吸附砷氧阴离子从而对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附效果最好。