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焦化废水通常是焦化厂在炼焦或制煤气过程中产生的一种高浓度有机废水,在经过生化处理后其仍残留有一定浓度的难降解有机污染物,且以溶解性有机物为主,极性较高。而传统的絮凝剂对这类有机物的去除效率较低,导致在焦化废水的絮凝处理过程中絮凝剂用量大、出水水质较差,难以达标排放或满足后续处理要求。聚硅酸盐絮凝剂作为一种新型无机高分子絮凝剂具有良好的电荷中和、吸附架桥及网捕能力,在对有机物的去除上已显示了良好的潜能;同时其原料来源广,粉煤灰、煤矸石、金属尾矿等硅酸盐固废都能符合要求,这对于提高硅酸盐固废的综合利率用具有重要意义。然而,当前对聚硅酸盐絮凝剂絮凝性能的研究主要集中在除浊、除色和除COD等指标上,而深入研究絮凝剂对废水中各有机物组分的去除特性还鲜有报道;且由于原料和水质的差异,各研究者合成的絮凝剂最佳配比并不一致。本研究首先通过合成聚硅酸铝(PASiC)、聚硅酸铁(PFSiC)、聚硅酸铝铁(PAFSiC)三种具有代表性的聚硅酸盐絮凝剂,考察其对焦化废水生化出水中有机物的去除特性,并通过研究絮凝过程中絮体的形态结构对其沉降性能进行评价,选择出最适用于焦化废水的絮凝剂类型;然后以煤矸石为原料制备出高效PAFSiC絮凝剂并对其进行优化,考察铝/铁/硅配比、废水pH、投加量对絮凝效果的影响,利用Zeta电位及絮体显微图像对其絮凝机理进行分析;最后对影响煤矸石基PAFSiC性能较大的硅含量因素进行深入研究,考察不同的硅含量对煤矸石基PAFSiC形貌结构、絮凝性能以及絮体特性的影响,明确硅含量影响絮凝性能的主要因素和机理。为制备适用于焦化废水的高效煤矸石基聚硅酸盐絮凝剂奠定理论基础。主要研究内容和结论如下:(1)通过对三种聚硅酸盐絮凝剂絮凝性能的研究发现:PASiC、PFSiC对废水中有机物的去除具有差异。三维荧光分析显示:PASiC对类溶解性微生物代谢产物和类富里酸具有较好的去除作用,而PFSiC则对类腐殖酸的去除效果显著;GC-MS的进一步分析表明:PASiC对长链烃、多环芳烃和羧酸/醇/酯类有机物的有机物都有较好的去除能力,而PFSiC主要对含-COOH、-COO-、-CO-等官能团的羧酸/醇/酯类有机物去除效果明显;PAFSiC结合了两者的优势具有更宽范围的有机物去除能力,其絮凝性能最高,色度、UV254、溶解性有机碳(DOC)的去除率分别达到83.8%、59.9%和54.9%。此外,通过对三者絮体特性的研究可知:PFSiC絮体粒径大且结构紧密,具有良好的沉降性能;PASiC絮体粒径最小且松散;PAFSiC的絮体粒径及强度略小于PFSiC,但其具有良好的网链结构,而这一结构有利于对焦化废水生化出水中难降解有机物污染的捕集、吸附和卷扫。(2)以煤矸石为原料合成了PAFSiC,其最佳配比为Al/Fe摩尔比3:1,(Al+Fe)/Si摩尔比13:1;煤矸石基PAFSiC对pH为6-9之间的水质都具有良好的絮凝性能;在不改变废水pH值,投加量为125 mg/L的条件下,PAFSiC对焦化废水色度、浊度、UV254、COD、DOC的去除率分别为78%、88.2%、50.1%、54.3%、34.5%。絮凝后出水COD为66.8 mg/L,达到了《炼焦化学工业污染物排放标准》(GB16171-2012)。而Zeta电位和絮体显微图像分析显示:煤矸石基PAFSiC的絮体体积较大,网链结构发达,其絮凝过程是吸附电性中和、吸附架桥和网捕卷扫等共同作用的结果。(3)通过研究不同硅含量下煤矸石基PAFSiC的性能发现:硅含量不仅对Si-O-Al和Si-O-Fe等官能团的形成具有作用,还影响着PAFSi C形貌结构。在较高的硅含量下,PAFSiC主要呈现出片层结构且有大量不规则颗粒分布,而随着硅含量的降低,颗粒逐渐溶解并有融合形成网链结构的趋势,在(Al+Fe)/Si摩尔比为10:1和13:1时PAFSiC出现了良好的网链形态。而絮凝实验显示:过高或过低的硅含量都不利于PAFSiC絮凝性能的提升,PAFSiC对色度、UV254的最佳去除效果是在(Al+Fe)/Si摩尔比为13:1时,而对DOC的最佳去除在10:1和13:1间。硅含量对絮体结构也有显著影响。随着硅含量的降低,PAFSiC絮体平均粒径逐渐减小,但絮体的分形维数和强度因子却是先逐渐升高在(Al+Fe)/Si摩尔比为10:1和13:1时趋于最大(Df=2.7,Sf=0.78),之后又快速下降,表明在(Al+Fe)/Si摩尔比为10:1和13:1时虽然絮体粒径有所降低,但絮体密实性好且抗水力冲击能力强。