铝土矿渣的处置问题

自19世纪后期氧化铝/铝工业兴起之时,就不断有铝土矿渣产出。2007年,全球产出的铝土矿渣已有27亿t,并且以每年1.2亿t的速度在增加,这就使得研究储存、治理及将大量废渣作为工业副产品综合利用迫在眉睫。C.Klauber综述了铝土矿渣当前的处置与治理管理实践,以及每种工艺对渣性质的影响。自1980年以来,泄湖型堤坝已逐渐被"干"法堆存取代,后者降低了泄漏的可能性,减小了物理影响区域并提高了苏打和氧化铝的回收率。在铝土矿渣中和方面,与技术开发有关的是要考虑将来渣的处置及综合利用。如,高压蒸汽过滤是一种新方法,能够排出干的、粗粒的、苏打含量低的物料,这种物料有利于长期储存,但更重要的是将来可以再利用。尽管铝土矿渣的特点中有一些与环境有关,但对于治理与利用(可持续性)最重要的是它的高碱度和高碱性。稳定的碱度是固相与液相相互作用的结果,而它的碱性则是源于蒸煮时苛性钠(NaOH)的使用。

120 a来,铝土矿渣主要的处置方式是长期堆存。理想的方法是将这些渣作为工业副产品再利用,有零废物产生。对于此问题,已有50多年的研究,有数百篇文献和专利发表,但关于再利用的有意义的内容却很少。再利用(或适当利用)强调的是以最低风险利用最大量的铝土矿渣。将来自氧化铝冶炼厂的非有害形式(作为副产品)的渣作为另一个不同领域的给料是最好的利用方式。尽管来源不同的铝土矿渣有一定的相似性,但是它们的组成和存储地点也会影响它们的用途。影响铝土矿渣再利用的理由有4点:数量、特性、成本和风险,后2点更为重要。对于成本,更好的选择是利用原矿(有更低的成本和更高的品位)。铝土矿渣再利用的风险与工艺和大众的认识有关,也与苏打、碱度、重金属和低水平天然放射性物质(NORM)的含量有关。

无论从降低目前储存方法对环境的影响、遗留成本,还是作为工业副产品在其他领域中实现综合利用方面考虑,详细了解铝土矿渣的复杂缓冲作用和中和作用仍是提高管理水平的关键。尽管工业生产已经持续了120 a,但对铝土矿渣的性质和治理化学过程的了解依然很少。C.Klauber等的研究结果表明,p H在铝土矿渣的化学反应中是主要影响因素,并且在有多种碱性固体存在时会受到强烈缓冲。未经处理的渣液(洗涤溢流)的p H在9.2～12.8之间,平均值为11.3±1.0。如此强的碱性是铝土矿渣被划分为有害物质的主要原因。与含钠物质的共同作用是铝土矿渣不能用于种植植物的主要原因。拜耳工艺中,苛性钠与铝土矿反应生成碱性固体,p H值在有这种碱性固体(各种氢氧化物,碳酸盐,铝酸盐,硅铝酸盐)存在时会受到强烈缓冲。这种拜耳工艺中特有的固体的存在使得铝土矿渣的酸中和反应更加复杂化,使通过简单的水洗去除碱性不切实际。这个化学过程同时也影响铝土矿渣的物理性质,如密度,沉降速度,压缩、渗透系数,干燥速度和除尘反应以及干燥后的机械强度。了解渣的矿物组合中表面电荷的运动、分布及减少有利于全面了解中和反应、成功模拟并最终实现高效治理。这种治理可以创造条件降低对环境的影响,如使植物正常生长。掌握这些理论就可以建立一个基于矿物学和与其表面电荷有关的铝土矿渣的中和反应模型。

理论上,铝土矿渣可作为工业副产品再利用(零排放),但实际上零排放难于实现。未来的任何一种利用最有可能使用的是同一时期的产品,而已堆存的渣不太可能再被重新获取,因此对环境的危害依然存在。这对治理能否原地进行提出了问题,即在常规处理时应避免创造条件下改变渣的化学反应途径。文章综述了铝土矿渣在什么条件下才可以支持一个可行的生态系统,即复原到底需要什么样的条件。已稳定的渣的特性为:p H为5.5～9.0,钠吸附率(SAR)≤7,钠可交换率(ESP)≤9.5,碳酸钠残余(RSC)≤1.25,导电率(EC)<4 m S/cm。这些目标与目前典型的铝土矿渣相去甚远。铝土矿渣是一种湿法冶金工艺的副产品,了解湿法冶金过程对铝土矿渣的影响是成功实现治理的关键,已明确的是原地修复很可能不是传统的湿法冶金技术,而是一种系统的、定向的生物修复方法。

对于原地修复的铝土矿渣处理区域,最有前景的方法也许是为含钠盐土壤开发抗盐土植物和嗜碱细菌并降低p H。铝土矿渣表面与含钠盐土壤基本一致。由于对铝土矿渣化学反应和个别植物特点的认识不足,实现土地复垦有一定局限性。有提议认为,关于生物修复研究计划应在充分了解铝土矿渣化学反应基础上,更严格筛选植物、真菌和微生物。也就是说,要系统处理非生物和生物方面的问题,特别是含钠盐土植物的种植将向更严格的环境中进行。利用石膏可以置换来自铝土矿渣的Na+,在盐土植物允许范围内与二价阳离子共同控制p H。盐土植物产生有机酸,并促使微生物种群提供H+,在根部增大CO2分压,促进修复过程。适当排水和添加一些物质(有机废物,废水污泥,大量和微量的养分)可以促进植物和微生物的生长。生物修复是一个需要多个周期的过程,但与典型冶炼厂的生产周期匹配良好。