摘要：鋼渣是煉鋼過程中的副產品,具有較大的比表面積和復雜的化學組成。鋼渣處理廢水主要用 作重金屬離子吸附劑,有機物的濾料以及制備絮凝劑。綜述鋼渣在治理廢水中作吸附劑、濾料及絮凝劑 的情況以及作用機理,指出鋼渣處理廢水應用前景廣闊。
關鍵詞：鋼渣;廢水處理;吸附;絮凝劑;濾料
鋼渣是煉鋼生產中排放的廢棄物。其產生量 僅次于高爐渣,約占粗鋼產量的12 %~15 %, 2006年已經達到5 000萬t。由于多方面的原 因,我國的鋼渣實際資源化利用率卻很低,與國家 倡導的“零”排放目標還相差很遠。
廢水污染是一個極其嚴重的環境問題,廢水、 廢渣等通過土壤、空氣,尤其是食物鏈,對人類的 生存和身心健康產生嚴重危害。近年來,鋼渣在 污水治理中的獨特作用逐漸被環保工作者認識。 很多研究發現鋼渣應用于污水治理不僅能“以廢 治廢”,大大降低水處理的成本,而且能避免鋼渣 的粗放式利用甚至隨便拋棄造成的二次污染,有 著一定的科學意義和實際的經濟效益。本文將對 鋼渣在廢水治理中的應用現狀進行綜述。
1 鋼渣綜合利用現狀
鋼渣的綜合利用方式實際上分為無害化處理和綜合利用2大類。鋼渣的無害化處理技術主要有冷棄法、燜渣法、熱潑法、盤潑法、風淬法、水淬法、滾筒法(BSS)等。這些方法的主要目的是對 熱態鋼渣進行粒化處理,使渣鐵進行有效分離,同時得到性能穩定的鋼渣尾渣產品,以便后期綜合利用。文獻[1]還報道了德國將氧氣和石英砂同時加入到鋼渣池中,從而消解了鋼渣中的氧化鈣 和氧化鎂的新工藝,提高了鋼渣的性能。
我國的鋼渣綜合利用目前主要是對其中的鐵 進行磁選回收,這是遠遠不夠的。縱觀世界的鋼 渣利用,鋼渣主要用于煉鐵、建材和農業,因此美 歐的鋼渣綜合利用率很高。目前國內鋼渣主要應 用于冶煉熔劑、道路工程、建筑材料、農業化肥等。 特別是近年來隨著鋼渣粉末化的流行,鋼渣作為 水泥摻和料和混凝土摻和料甚至鋼渣水泥及其衍 生品越來越多。但是鋼渣性能的不穩定性還是制 約了鋼渣的廣泛應用。尋找鋼渣的高附加值、大 批量利用就是目前的研究重點,鋼渣用于廢水治 理就是一個很好的方向。
2 鋼渣在廢水處理中的應用
鋼渣的化學成分見表1(以武鋼為例)。從鋼 渣的化學成分分析可知,鋼渣中含有大量的堿性 氧化物而顯堿性,同時鋼渣經過粉磨后比表面積 比較大,決定了鋼渣可以通過化學反應和吸附作 用處理廢水中的污染物。鋼渣的密度大,在水中 的沉降速度快,固液分離處理周期短。因此鋼渣 可以作為廢水處理的吸附劑和濾料。另一方面, 鋼渣同時含有相當數量的鐵和硅元素,在一定條 件下進行處理可以聚合成為很好的絮凝材料,因此鋼渣可以作為廢水處理的絮凝劑原料。
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2.1 鋼渣作為吸附劑
鋼渣作為吸附劑處理廢水,主要是用于處理 含重金屬離子廢水和含磷、砷、氟等離子的廢水。 重金屬離子對水體的污染具有不易降解性和毒害 性,被定為第一類污染物[2],對人類的生存和身心 健康產生嚴重影響。磷是引起水體富營養化的關 鍵元素,控制水體中磷的濃度是保護我們水資源 和水環境的最重要的一步。含砷廢水主要來源于 冶金、石油、化工行業,三價砷具有劇毒。含氟廢 水主要來源于鋁冶金、氟礦石的開采、氟化鹽的生 產、焦炭、玻璃、電子、化工、火力電廠、化肥以及農 藥等行業,含氟廢水嚴重污染環境[3]。
鋼渣作為吸附劑處理廢水,其作用機理是一 個十分復雜的物理化學過程。20世紀90年代中期開始,環保專家研究了鋼渣吸附處理鎳、鉛、銅、 鉻等的吸附行為,發現主要有吸附作用和沉淀作 用2類。
鋼渣經粉碎(一般過40目篩)后有著較大的 比表面積,同時還具有活性基團,對金屬離子有一定吸附作用,對金屬離子去除非常有利。鋼渣的吸附作用又分為物理吸附和化學吸附。物理吸附由鋼渣的多孔性和比表面積決定,比表面積越大, 吸附效果越好。試驗[4-5]證明了鋼渣的吸附作用基本符合Freundlich吸附等溫方程式,該種吸附作用甚至是鋼渣吸附劑的主要作用。
鋼渣吸附劑還有一種化學吸附作用[6]。我們 可將這種吸附作用分為:(1)靜電吸附,鋼渣表面 因帶負電荷而對溶液中的陽離子產生靜電吸附; (2)表面配合作用,鋼渣顆粒表面的硅、鋁、鐵的氧化物表面離子的配位不飽和,在水溶液中進行水解形成基團能夠與金屬陽離子生成表面配位配合物;(3)陽離子交換,重金屬離子與鋼渣表面吸附的H+發生陽離子交換作用而被吸附在鋼渣表面。
鋼渣吸附劑的作用還具有一種沉淀作用。鋼渣溶液經試驗[7]有強的堿性,使金屬離子可部分形成氫氧化物和砷酸鹽的沉淀。這種氫氧化物和砷酸鹽沉淀的形成對于金屬離子和砷元素(特別是五價砷)的去除是非常有利的。
鋼渣作為吸附劑使用,也有一些影響因素,比 如溫度的影響。大多數學者研究表明,溫度在10 ~40℃范圍內,對有害元素的去除率無明顯影 響,鉻、鎳的去除率均在99 %以上,砷的去除率在 98 %以上,因此可以在室溫下進行處理。而張從 軍等[8]在處理含銅廢水時發現,溫度升高,Cu2+ 的去除率增大。
溶液的初始pH值是影響吸附作用的最主要 因素。鋼渣含有大量堿性氧化物,投加到水溶液 中,其表面的部分氧化物易發生水解,使得溶液 pH值有所上升。這樣溶液中pH值增幅與溶液 的初始pH值有關,初始pH值越小,增幅越大。 幾乎所有的研究表明,鋼渣適合于處理酸性、中性 的廢水,具有很大的適應性[8]。
國內多數學者都研究了鋼渣顆粒粒度與鋼渣 吸附效果的關系。試驗表明鋼渣細度在40~160 目時,隨著細度增加,鋼渣吸附劑的去除效果略有 增加,但均在98 %以上。而鋼渣粒徑大于或者小 于此范圍未達到最好的吸附效果。這是因為顆粒 較粗,其比表面積和表面能較小,不利于吸附的進 行;而顆粒太細,盡管其具有較大的比表面積和表 面能,但其微觀結構在研磨過程中遭到破壞,同樣 得不到最佳的吸附效果。況且由于鋼渣粉碎有一 定難度,確定鋼渣細度為過40目篩較適合工業化。
鋼渣作為吸附劑,其重金屬(或者砷、磷)離子的去除率隨著振蕩反應時間的增加而增大。但是一段時間后,趨于穩定,甚至略有下降的趨勢。這種現象由于初始的金屬離子濃度在溶液和鋼渣表 面之間相差較大,因而金屬離子能迅速地被吸附在鋼渣表面;隨著兩相之間濃度差的降低及已吸附在鋼渣表面的金屬離子向鋼渣微孔內部擴散的速率緩慢的共同影響,使得吸附速率不斷降低[9], 最后趨于吸附平衡。
至今為止,鋼渣吸附劑的工業化開發與應用 尚未見研究報道。馬少健[10]等人系統研究了鋼渣對銅、鉛、鉻、鋅重金屬離子和有機物等的吸附特征以及鋼渣的改性吸附性能。研究實踐認為鋼渣的工業化吸附劑尚有一些問題需要解決。而鋼 渣與其他材料混合使用,還可以提高對廢水的處理效果。羊依金[11]將坡縷石、鋼渣水按一定比例做成柱狀顆粒吸附劑,對Cu2+的最大吸附量可達 169.5 mg/g,吸附劑能很好地適應廢水的pH值變化,并且吸附劑可以重復使用。
2.2 鋼渣作為濾料
鋼渣還可以作為濾料使用,用于有機廢水的脫色、降低CODcr以及富氧化磷的去除。 印染廢水是我國排放量最大的一類廢水之一,它一般呈堿性,廢水中有機污染物含量較高, 色度高,可生化性差。常用的處理工藝投資成本大,運行費用高,產生的化學污泥難以脫水,脫色 效果有限,目前已不適應廢水治理及回用的要求。研究開發新的經濟有效的處理技術是當務之急[12]。
鋼渣對印染廢水來說,是一種很好的濾料,其 多孔、比表面積大對色度和SS具有很好的去除 效果[12]。K.R.Ranmakrishna[13-15]等將鋼渣與 活性炭等濾料進行了吸附效果比較,發現鋼渣對 分散染料的吸附效果優于活性炭,這一結果為低成本的濾料走向工業化應用提供了科學依據。謝復清[16-21]以鋼渣為濾料處理活性翠藍染料廢水、結晶紫、亞甲基藍染料廢水、堿性品紅染料廢水、 孔雀石綠染料廢水,脫色率均可達到90 %以上。 且吸附劑再生簡單易行,經高溫所吸附的染料可全部分解,達到再生目的。該方法簡單有效,成本 低廉。
孔紅星[22-23]則研究了鋼渣對甘蔗糖廠混合 汁的脫色處理效果,確定了鋼渣用于蔗汁脫色的最佳工藝條件為:鋼渣細度100目,鋼渣用量3 g, 處理溫度45℃,處理時間5 min。鋼渣對甘蔗糖廠混合汁的脫色率最高可達70.47 %。為此,他 還研發了新型的鋼渣蔗汁脫色劑和澄清劑。 而龔陽樹[24]研究了以鋼渣為濾料對廢水進行過濾處理。研究發現鋼渣對水中重金屬和CODcr有很好的去除效果,去除率高于90 %,對 三氯甲烷的去除率在69 %左右。認為鋼渣加工 使用方便易行,適合作給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。 但不適合用于處理含氮廢水。
鋼渣也可以用作人工濕地的填料,強化人工濕地的脫氮除磷效果。E.A. Korkusuz[25]等使用小型垂直流人工濕地分別以鋼渣和傳統礫石材料作 為填料處理生活污水。試驗結果表明用鋼渣作為填料處理后的水質明顯好于礫石,其中鋼渣對營養元素磷的吸附效果尤為突出。譚洪新[26-27]在武漢 漢陽進行了類似試驗,除磷效果明顯。
2.3 鋼渣作絮凝劑
絮凝劑是廢水處理的主要藥劑,絮凝沉降的 關鍵就是選擇性能優良的絮凝劑。無機高分子絮 凝劑是一類性能優良的絮凝劑,其絮凝性能遠超 過單獨的聚硅酸和聚合金屬離子化合物。鋼渣中 富含Fe、Al和Si等元素,這些都是絮凝劑的有效 成分。鋼渣可以與其他材料混合制成絮凝劑來處 理各種廢水。李燦華[28]用鋼渣和水渣制備了聚 硅硫酸鐵,而且進行多種廢水試驗,效果優于聚硅 酸和聚合硫酸鐵。徐美娟[29]將鋼渣、硫鐵礦渣、 稀鹽酸等制備了絮凝劑。用這種絮凝劑處理經過 厭氧或好氧處理過的面漿黑液能取得良好的處理 效果。當用60 mol/L的絮凝劑處理棉漿黑液厭 氧出水時,CODcr可去除70 %左右。沈澄英[30] 將鋼渣和鐵屑以一定的質量比混合后,用硝酸和 鹽酸的混酸溶解制成絮凝劑處理印染廢水,得到 了較好的效果,經處理后的CODcr去除率為 87.4 %,透光率為89. 3 %,色度去除率為 93.3 %。孫劍輝[31]也用鋼渣制備了無機高分子 絮凝劑聚硅酸鋁鐵、聚合氯硫酸鐵、聚硫酸鐵等, 用于廢水處理,效果明顯。李桂菊[32]也用鋼渣、 硫鐵礦渣為原料制備了無機高分子絮凝劑,通過 鐵的形態分布、紅外譜圖、熱失重曲線分析了絮凝 劑的性能,發現該高分子無機絮凝劑為聚硅鋁鐵 類無機高分子絮凝劑,且鐵的存在形式多為多核 羥基配合物或稱低聚合度鐵的無機高分子,對 CODcr去除效果較好。
蔣玲[33]以廢鋼渣為原料制備了復合型高效絮凝劑聚硫酸鐵(PF-1),對比進行了處理啤酒廢水試驗。通過對比試驗,結果表明由廢鋼渣為原料制得的產品PF-1比聚合硫酸鐵(PFS)處理廢水效果更佳。
景紅霞[34]以粉煤灰、廢鋼渣為原料制備了高效絮凝劑———聚硅酸鋁鐵(PAFSi)。通過處理廢水實驗發現,由粉煤灰和鋼渣為原料制得的產品聚硅酸鋁鐵(PAFSi)比聚合硫酸鐵(PFS)處理廢 水效果更佳。
3 結 語
鋼渣用于廢水治理,可以作為吸附劑很好地去除廢水中的重金屬離子、磷、砷等有害有毒元素,也可以作為廢水處理濾料很好地去除印染廢水等有機廢水中的色度、CODcr等,還可以制備多種無機高分子絮凝劑,用于各種污水的處理。 因此,鋼渣是一種較好的環保材料。
鋼渣應用于廢水處理,具有吸附效果好、適應 范圍廣、易于固液分離、性能穩定、無毒害作用等很 多優點。鋼渣用于處理廢水,可以以廢治廢,變廢 為寶,具有較好的社會效益、環保效益和經濟效益。 在相關技術進行工業化后,鋼渣在廢水治理 中的應用也許會扭轉我國鋼渣利用率低下的不利 局面。
參考文獻（略）來源：谷騰水網 作者: 李燦華,顏家保
