铁炉渣在稻田水磷去除中的应用

何 诗，赵 娜，曾从盛，王维奇

(福建师范大学 地理科学学院，福建 福州350007)

0 引 言

农业面源污染是指在农业生产活动中，氮素和磷素等营养物质、农药以及其他有机或无机污染物质，通过农田的地表径流和农田渗漏形成的环境污染［1］。磷酸盐是农业面源污染的重要污染物之一，因此，如何去除农业废水中的磷已经逐渐受到人们的关注［2］。有研究表明，炉渣对磷的吸附具有很高的有效性［3-8］，但当前的研究主要是通过室内的吸附实验，原位的试验研究甚少。基于此，本研究主要探讨炉渣在原位稻田水磷去除过程中的应用，若可取得良好效果，不仅有助于新型价廉高效的吸附材料的开发应用，也将减轻钢铁工业固体废物的问题，更重要的是可填补炉渣在稻田水磷去除过程中的应用研究的不足。我国水稻生产的肥料利用率低，使得农业灌溉排水造成河流和湖泊污染风险提高，河流和湖泊污染中60% ～70%是该原因导致的［9］。福建农田磷养分盈余较高，超过农田磷平衡盈余的阈值，可能引起磷对环境的潜在威胁［10］。因此，选择本区域稻田进行研究具有明显的代表性。本文在阐述炉渣施加后稻田水中磷酸盐的时间变化的基础上，分析和探讨了在我们的实验中炉渣在稻田水中磷酸盐去除中实效性问题，发现除了其多孔结构和物质成分外，pH 和温度的升高也可能是其去除磷酸盐的主要原因，并针对这一问题进行了讨论。

1 炉渣在稻田废水磷去除中的可行性

基质对溶质的吸附分为物理吸附和化学吸附，物理吸附指吸附质和吸附剂分子间作用力所引起，也叫范德华吸附，它是分子间的引力所引起的吸附，一般物理吸附结合能力较弱，吸附和解析速度较快，被吸附的物质也较容易解析出来，物理吸附与吸附剂的性质和表面积的大小有关［3］。炉渣的内部结构决定了其比表面积比土壤颗粒的比表面积大，炉渣是多孔结构，因此吸附质更容易与炉渣接触，从而促进吸附，土壤对磷酸盐的吸附主要是以物理吸附为主，炉渣对磷酸盐的吸附不仅有物理吸附，还有化学吸附，炉渣中含有大量的游离的金属离子如Ca2+、Mg2+，在溶液中磷酸盐浓度较高时会发生絮凝反应［6，11-13］。因此炉渣对磷具有较高的吸附作用。

2 应用实例分析

2.1 研究区域与实验方法

本研究以福州平原的水稻田为研究区域进行实验。选取早稻生长季进行铁炉渣对稻田灌溉水磷去除的实验。铁炉渣施加浓度分别为2、4 和8 Mg/hm2，并通过流动注射分析仪测定磷含量的变化，原位pH 采用IQ150 pH 计测定。与此同时，室内模拟在pH 为7和9 的条件下，2g 土壤对20、40、60、80、120、140、160、180、200 ml/L 的初始浓度的磷的去除效率。

2.2 铁炉渣对稻田上覆水磷的去除效率

磷素在农业生产中也很重要，虽然土壤对磷素有一定的吸附作用，但是在降水和灌溉的作用下，磷素会通过大孔系下渗进入水体，对水体造成污染。所以有效地控制农业水的磷含量具有重要意义。本研究结果表明，不同处理稻田水中磷酸盐含量在水稻移栽第29 d 之前含量较小，29 d 以后逐渐增大(见图1);对照样地、2、4、8 Mg/hm2的稻田水中磷酸盐含量平均值分别为(657.27 ±174.94)、(622.2 ±161.51)、(546.8 ±133.24)、(474.1 ±119.50)μg/L，表现为对照样地＞2Mg/hm2＞4 Mg/hm2＞8 Mg/hm2。炉渣的施加减少了稻田水磷酸盐的含量，施加8 Mg/hm2炉渣样地比对照样地含量减少了27.8%。

图1 炉渣施加对稻田灌溉水磷含量的影响

2.3 铁炉渣对稻田上覆水磷的去除机制

本实验选用的炉渣中，Fe2O3、MgO、CaO 和Al2O3的含量分别为4.8%、0.6%、34.9%和11.2%，其施加相当于增加了吸附过程中的活性物质，与此同时，炉渣多孔的结构也是其可以去除磷的原因(见图2)。此外，因为炉渣是一种碱性物质，其施加后稻田水的pH有所提高(见图3)，可能是随着pH 升高，炉渣表面的活性物质如Ca2+、Fe3+、Mg2+与溶液中的OH－发生反应生成沉淀，从而提高对磷的吸附(见图4)［14-15］。从炉渣去除稻田水中磷的效率的时间变化看，随着水稻移栽时间增加而提高，这与环境温度的不断升高密切相关。因为温度升高时，不仅使磷酸盐克服炉渣周围液体阻力增强，而且有利于炉渣表面吸附的磷酸盐沿着炉渣的微孔向内部迁移，使可供吸附的炉渣表面有更多的吸附位点，从而提高吸附能力［16］。

图2 炉渣内部结构图

图3 炉渣施加对稻田灌溉水pH 的影响

图4 pH 对磷去除率的影响

3 结 语

铁炉渣是钢铁工业的废弃物，具有价格便宜和应用方便等优点。本文对铁炉渣磷去除技术在稻田磷去除研究中的应用进行了初步的探索，发现铁炉渣在作为磷去除底物的过程中不仅是因为其物质组成和多孔结构，其施加后pH 的升高，增加活性物质含量进而影响着磷含量以及生长季温度的升高对磷去除的影响也可能是其控制磷去除效率的主要机制。目前，关于铁炉渣磷去除技术在稻田中的应用研究还不是很多，在今后的研究中有待对铁炉渣磷去除的有效性和环境效应作进一步的探讨，以期使之成为稻田磷去除的有效技术手段。

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