钢渣在污水处理及生态治理中的应用

　　3 　钢渣在生态治理方面的应用研究

　　3. 1 　在人工湿地水处理系统中的应用人工湿地是一种新型生态污水处理技术,具有投资和运行费用低(仅为传统二级污水厂的1/ 10至1/ 2) 、抗冲击负荷、处理效果稳定、脱氮、除磷优势明显、出水水质好,芦苇可以利用(作为造纸原料) 等诸多优点[ 8 ] 。近年来国内外对人工湿地的研究与开发可谓如火如荼。随着对人工湿地研究的不断深入,钢渣被用做湿地的基质材料来强化对磷的去除作用,从而使钢渣的应用拓宽到生态水处理领域。人工湿地对污水中污染物的高效去除是利用土壤、微生物、植物这个生态系统的物理、化学和生物的协调作用,通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现的。而湿地土壤一直被公认为是进入湿地系统的磷的最终归宿[ 9 ] 。对湿地中磷的去除机理研究表明:吸附在悬浮颗粒物(SS) 上的磷进入表面流人工湿地后,随着SS 的沉淀而去除。水中的无机磷酸盐通过扩散交换进入土壤间隙水后,通过下面两个过程被去除: (1) 直接与间隙水中的Ca2 + 、Fe3 + 、Al3 +离子,及其水合物和氧化物反应,生成难溶化合物,经过互相聚合或吸附在土壤颗粒上,形成新的土壤; (2) 带负电的磷酸根被带正电的粘土颗粒所吸附,进而与粘土颗粒表面水合的Ca2 + 、Fe3 + 、Al3 + 离子发生离子交换而被结合,并与土壤中的硅酸盐发生置换而进粘土颗粒的晶格当中10 ] 。因此,湿地蓄存磷的能力主要靠土壤对磷的吸附及其理化性质决定,磷的去除率与湿地土壤类型密切相关[ 11 ] 。湿地土壤中有机质、Ca 、Fe 、Al 的质量分数及土壤通透能力等会极大地影响表面流人工湿地对磷的去除效率,尤其是铁铝氧化物含量更是决定着土壤对磷吸附能力的大小。国外学者通过研究不同类型的人工湿地基质得出结论:富含钙和铁铝质的基质,净化污水中磷素能力较强,硅质含量较高的基质净化能力较差[ 12 ] 。国内南京大学的学者袁东海等通过研究7种人工湿地基质材料净化污水磷素的机理也得出类似的结论[ 13 ] :基质饱和吸附磷后磷的含量依次为矿渣> 粉煤灰> 蛭石> 黄褐土> 下蜀黄土> 沸石> 砂子(矿渣取自南京梅山钢铁公司) ; 扣除基质背景磷含量,基质磷的饱和吸附量仍然是矿渣最大。之所以会得出上述结论,是因为钢渣的化学成分和性质恰恰能够满足磷去除对湿地基质的要求。在湿地基质中添加钢渣,钢渣能够向土壤中溶出Ca2 + 、Fe3 + 、Al3 + 及其水合物和氧化物,而本身的磷释放量很低,从而为磷的沉淀和吸附创造了优越的条件。另外,钢渣的加入能够改变湿地基质土壤的结构,改善土壤的类型,提高土壤中Ca 、Fe 、Al 的质量分数及土壤的通透能力,尤其是钢渣中的铁铝氧化物可提高基质对磷的吸附能力并增大基质对磷的吸附容量,从而提高表面流人工湿地对磷的去除效率,因此钢渣是一种很好的净化磷的基质材料。但是不能用钢渣做单一的基质材料,因其碱性较大,不适合植物的生长。但可以作为人工湿地砂子基质或土壤基质的中间吸附层。随着研究的不断深入,钢渣在水生态治理中将具有很好的应用前景。

　　3. 2 　钢渣在海洋工程的应用

　　钢渣在海洋工程方面的应用是一个比较新的领域,日本自上世纪九十年代开始加强该领域的理论和应用研究,取得了一定的进展。

　　3. 2. 1 　用来做人造岩块

　　日本N KK公司开发了将钢渣做成岩块在海洋里做人工礁石[ 14 ] 。向钢渣通入二氧化碳气体,二氧化碳气体和钢渣中的氧化钙等结合,使钢渣碳酸化。二氧化碳气体沿钢渣间的缝隙将钢渣结合在一起,孔隙比较均匀地分布在钢渣中,并制作成钢渣岩块。钢渣岩块在海水中可以促进海洋植物的生长。图1 是钢渣岩块和天然大理石块和混凝土块在海洋中放置后海水植物生长情况的比较。试验表明,钢渣比较适合植物的生长,这主要归结于钢渣具有气孔、表面粗糙度适当和化学稳定性好等特点。

　　3. 2. 2 　促进海水吸收温室气体

　　日本学者将钢渣投加到人工海水中,通过稳定相图对钢渣中含有的营养元素铁、硅、磷和一些钢渣中含有的环境敏感性元素Ca 、Mg、Mn 、Cd、Cr 、Pb 、As、F 等在海水中的溶出行为进行了研究[ 15 ,16 ] 。对营养元素溶出行为的研究表明[ 15 ] :钢渣中含有的铁、硅和磷等营养元素在海水中可以对浮游植物的生长起促进作用。浮游植物的生长要依赖于光合作用,光合作用将从大气中吸收二氧化碳,因此通过钢渣的促进作用可以使海洋吸收大量二氧化碳,从而改善温室气体效应。主要作用机理为[ 15 ] :钢渣中的主要成分FetO在海水中很易被水合生成Fe ( OH) 2 , 而与Fe (OH) 2 处于平衡状态的Fe2 + 的质量浓度约为1 mg/ L ,这个浓度足以促进海水中浮游植物的繁殖。钢渣中的磷主要以2CaO·P2O5 、3CaO·P2O5和4CaO·P2O5 的形式存在。磷会从4CaO·P2O5相溶解到海水中,但不会从2CaO·P2O5 和3CaO·P2O5 相中溶解出来。

　　硅在钢渣中是以3CaO·SiO2 、2CaO·SiO2 、3CaO·2SiO2 、CaO·SiO2 、SiO2 、CaO·Al2O3 ·SiO2及3Al2O3 ·2SiO2 的形式存在。Si 会从3CaO·SiO2 、2CaO·SiO2 、CaO·Al2O3 ·SiO2 及3Al2O3 ·2SiO2 相中溶出,而不会从钢渣的CaO·SiO2 和3CaO·2 SiO2 相中溶到海水中。

　　对环境敏感性元素溶出行为的研究表明:钢渣的成分对氟的溶出影响很大[ 16 ] ,当钢渣中P2O5 含量高而CaO 含量低时氟不溶出;相反则氟易溶出。因此只要在钢渣排放后立即参入P2O5 含量高的渣将氟稳定化,即可控制氟的溶出。其它环境限制性元素Cd、Pb 、Cr6 + 、CN 、Se等在实验期间没有被检出;Mn 、As 从钢渣中溶出浓度非常小; PbO、CdO、As2O3 的活性在不超过10 - 5 、10 - 7 、5 ×10 - 6 mol/ L 时,对环境无影响,若超过环境容许浓度必须首先对这些金属元素进行固化;海水中大量的Mg2 + 对于钢渣加入海水后的p H 值起缓冲调节的作用,使海水的p H 值不会因为钢渣的加入而发生剧烈变化。总体来说,钢渣的组成对钢渣在海洋中的应用至关重要。利用含有3CaO·SiO2 ,2CaO·SiO2 ,4CaO·P2O5 和FetO 相的钢渣不仅能够向海水中提供硅、磷和铁等矿物元素,而且能使海水中营养元素的浓度比更接近于海洋中浮游植物生长的最适宜比例,促进浮游植物生长繁殖,达到了吸收二氧化碳减少温室气体的目的。

　　4 　结　语

　　钢渣作为钢铁企业的重要副产物,产生量大,加工使用方便。同时钢渣具有高机械强度、强耐酸耐碱性、良好的热稳定性及其独特的化学组成和性质。这些特点都适合做水处理中的过滤材料及水的深度处理滤料,也可以用于污水的深度处理。除此之外,开发钢渣在水生态治理中的应用,价格便宜,应用量大,是一种经济而有效的处理方法,也是钢渣资源化的一个重要途径。不仅环境效益和社会效益十分明显,而且具有广泛的实用意义,应用前景广阔。

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