3 　鋼渣在生態(tài)治理方面的應(yīng)用研究

　　3. 1 　在人工濕地水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用人工濕地是一種新型生態(tài)污水處理技術(shù),具有投資和運(yùn)行費(fèi)用低(僅為傳統(tǒng)二級污水廠的1/ 10至1/ 2) 、抗沖擊負(fù)荷、處理效果穩(wěn)定、脫氮、除磷優(yōu)勢明顯、出水水質(zhì)好,蘆葦可以利用(作為造紙?jiān)? 等諸多優(yōu)點(diǎn)[ 8 ] 。近年來國內(nèi)外對人工濕地的研究與開發(fā)可謂如火如荼。隨著對人工濕地研究的不斷深入,鋼渣被用做濕地的基質(zhì)材料來強(qiáng)化對磷的去除作用,從而使鋼渣的應(yīng)用拓寬到生態(tài)水處理領(lǐng)域。人工濕地對污水中污染物的高效去除是利用土壤、微生物、植物這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物的協(xié)調(diào)作用,通過過濾、吸附、共沉、離子交換、植物吸收和微生物分解來實(shí)現(xiàn)的。而濕地土壤一直被公認(rèn)為是進(jìn)入濕地系統(tǒng)的磷的最終歸宿[ 9 ] 。對濕地中磷的去除機(jī)理研究表明:吸附在懸浮顆粒物(SS) 上的磷進(jìn)入表面流人工濕地后,隨著SS 的沉淀而去除。水中的無機(jī)磷酸鹽通過擴(kuò)散交換進(jìn)入土壤間隙水后,通過下面兩個(gè)過程被去除: (1) 直接與間隙水中的Ca2 + 、Fe3 + 、Al3 +離子,及其水合物和氧化物反應(yīng),生成難溶化合物,經(jīng)過互相聚合或吸附在土壤顆粒上,形成新的土壤; (2) 帶負(fù)電的磷酸根被帶正電的粘土顆粒所吸附,進(jìn)而與粘土顆粒表面水合的Ca2 + 、Fe3 + 、Al3 + 離子發(fā)生離子交換而被結(jié)合,并與土壤中的硅酸鹽發(fā)生置換而進(jìn)粘土顆粒的晶格當(dāng)中10 ] 。因此,濕地蓄存磷的能力主要靠土壤對磷的吸附及其理化性質(zhì)決定,磷的去除率與濕地土壤類型密切相關(guān)[ 11 ] 。濕地土壤中有機(jī)質(zhì)、Ca 、Fe 、Al 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及土壤通透能力等會(huì)極大地影響表面流人工濕地對磷的去除效率,尤其是鐵鋁氧化物含量更是決定著土壤對磷吸附能力的大小。國外學(xué)者通過研究不同類型的人工濕地基質(zhì)得出結(jié)論:富含鈣和鐵鋁質(zhì)的基質(zhì),凈化污水中磷素能力較強(qiáng),硅質(zhì)含量較高的基質(zhì)凈化能力較差[ 12 ] 。國內(nèi)南京大學(xué)的學(xué)者袁東海等通過研究7種人工濕地基質(zhì)材料凈化污水磷素的機(jī)理也得出類似的結(jié)論[ 13 ] :基質(zhì)飽和吸附磷后磷的含量依次為礦渣> 粉煤灰> 蛭石> 黃褐土> 下蜀黃土> 沸石> 砂子(礦渣取自南京梅山鋼鐵公司) ; 扣除基質(zhì)背景磷含量,基質(zhì)磷的飽和吸附量仍然是礦渣最大。之所以會(huì)得出上述結(jié)論,是因?yàn)殇撛幕瘜W(xué)成分和性質(zhì)恰恰能夠滿足磷去除對濕地基質(zhì)的要求。在濕地基質(zhì)中添加鋼渣,鋼渣能夠向土壤中溶出Ca2 + 、Fe3 + 、Al3 + 及其水合物和氧化物,而本身的磷釋放量很低,從而為磷的沉淀和吸附創(chuàng)造了優(yōu)越的條件。另外,鋼渣的加入能夠改變濕地基質(zhì)土壤的結(jié)構(gòu),改善土壤的類型,提高土壤中Ca 、Fe 、Al 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及土壤的通透能力,尤其是鋼渣中的鐵鋁氧化物可提高基質(zhì)對磷的吸附能力并增大基質(zhì)對磷的吸附容量,從而提高表面流人工濕地對磷的去除效率,因此鋼渣是一種很好的凈化磷的基質(zhì)材料。但是不能用鋼渣做單一的基質(zhì)材料,因其堿性較大,不適合植物的生長。但可以作為人工濕地砂子基質(zhì)或土壤基質(zhì)的中間吸附層。隨著研究的不斷深入,鋼渣在水生態(tài)治理中將具有很好的應(yīng)用前景。

　　3. 2 　鋼渣在海洋工程的應(yīng)用

　　鋼渣在海洋工程方面的應(yīng)用是一個(gè)比較新的領(lǐng)域,日本自上世紀(jì)九十年代開始加強(qiáng)該領(lǐng)域的理論和應(yīng)用研究,取得了一定的進(jìn)展。

　　3. 2. 1 　用來做人造巖塊

　　日本N KK公司開發(fā)了將鋼渣做成巖塊在海洋里做人工礁石[ 14 ] 。向鋼渣通入二氧化碳?xì)怏w,二氧化碳?xì)怏w和鋼渣中的氧化鈣等結(jié)合,使鋼渣碳酸化。二氧化碳?xì)怏w沿鋼渣間的縫隙將鋼渣結(jié)合在一起,孔隙比較均勻地分布在鋼渣中,并制作成鋼渣巖塊。鋼渣巖塊在海水中可以促進(jìn)海洋植物的生長。圖1 是鋼渣巖塊和天然大理石塊和混凝土塊在海洋中放置后海水植物生長情況的比較。試驗(yàn)表明,鋼渣比較適合植物的生長,這主要?dú)w結(jié)于鋼渣具有氣孔、表面粗糙度適當(dāng)和化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

　　3. 2. 2 　促進(jìn)海水吸收溫室氣體

　　日本學(xué)者將鋼渣投加到人工海水中,通過穩(wěn)定相圖對鋼渣中含有的營養(yǎng)元素鐵、硅、磷和一些鋼渣中含有的環(huán)境敏感性元素Ca 、Mg、Mn 、Cd、Cr 、Pb 、As、F 等在海水中的溶出行為進(jìn)行了研究[ 15 ,16 ] 。對營養(yǎng)元素溶出行為的研究表明[ 15 ] :鋼渣中含有的鐵、硅和磷等營養(yǎng)元素在海水中可以對浮游植物的生長起促進(jìn)作用。浮游植物的生長要依賴于光合作用,光合作用將從大氣中吸收二氧化碳,因此通過鋼渣的促進(jìn)作用可以使海洋吸收大量二氧化碳,從而改善溫室氣體效應(yīng)。主要作用機(jī)理為[ 15 ] :鋼渣中的主要成分FetO在海水中很易被水合生成Fe ( OH) 2 , 而與Fe (OH) 2 處于平衡狀態(tài)的Fe2 + 的質(zhì)量濃度約為1 mg/ L ,這個(gè)濃度足以促進(jìn)海水中浮游植物的繁殖。鋼渣中的磷主要以2CaO·P2O5 、3CaO·P2O5和4CaO·P2O5 的形式存在。磷會(huì)從4CaO·P2O5相溶解到海水中,但不會(huì)從2CaO·P2O5 和3CaO·P2O5 相中溶解出來。

　　硅在鋼渣中是以3CaO·SiO2 、2CaO·SiO2 、3CaO·2SiO2 、CaO·SiO2 、SiO2 、CaO·Al2O3 ·SiO2及3Al2O3 ·2SiO2 的形式存在。Si 會(huì)從3CaO·SiO2 、2CaO·SiO2 、CaO·Al2O3 ·SiO2 及3Al2O3 ·2SiO2 相中溶出,而不會(huì)從鋼渣的CaO·SiO2 和3CaO·2 SiO2 相中溶到海水中。

　　對環(huán)境敏感性元素溶出行為的研究表明:鋼渣的成分對氟的溶出影響很大[ 16 ] ,當(dāng)鋼渣中P2O5 含量高而CaO 含量低時(shí)氟不溶出;相反則氟易溶出。因此只要在鋼渣排放后立即參入P2O5 含量高的渣將氟穩(wěn)定化,即可控制氟的溶出。其它環(huán)境限制性元素Cd、Pb 、Cr6 + 、CN 、Se等在實(shí)驗(yàn)期間沒有被檢出;Mn 、As 從鋼渣中溶出濃度非常小; PbO、CdO、As2O3 的活性在不超過10 - 5 、10 - 7 、5 ×10 - 6 mol/ L 時(shí),對環(huán)境無影響,若超過環(huán)境容許濃度必須首先對這些金屬元素進(jìn)行固化;海水中大量的Mg2 + 對于鋼渣加入海水后的p H 值起緩沖調(diào)節(jié)的作用,使海水的p H 值不會(huì)因?yàn)殇撛募尤攵l(fā)生劇烈變化。總體來說,鋼渣的組成對鋼渣在海洋中的應(yīng)用至關(guān)重要。利用含有3CaO·SiO2 ,2CaO·SiO2 ,4CaO·P2O5 和FetO 相的鋼渣不僅能夠向海水中提供硅、磷和鐵等礦物元素,而且能使海水中營養(yǎng)元素的濃度比更接近于海洋中浮游植物生長的最適宜比例,促進(jìn)浮游植物生長繁殖,達(dá)到了吸收二氧化碳減少溫室氣體的目的。

　　4 　結(jié)　語

　　鋼渣作為鋼鐵企業(yè)的重要副產(chǎn)物,產(chǎn)生量大,加工使用方便。同時(shí)鋼渣具有高機(jī)械強(qiáng)度、強(qiáng)耐酸耐堿性、良好的熱穩(wěn)定性及其獨(dú)特的化學(xué)組成和性質(zhì)。這些特點(diǎn)都適合做水處理中的過濾材料及水的深度處理濾料,也可以用于污水的深度處理。除此之外,開發(fā)鋼渣在水生態(tài)治理中的應(yīng)用,價(jià)格便宜,應(yīng)用量大,是一種經(jīng)濟(jì)而有效的處理方法,也是鋼渣資源化的一個(gè)重要途徑。不僅環(huán)境效益和社會(huì)效益十分明顯,而且具有廣泛的實(shí)用意義,應(yīng)用前景廣闊。

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