钢渣在水处理方面的应用研究

2021-09-10夏娜娜李雁王昱璎

科技尚品 2021年5期

关键词：综合利用水处理

夏娜娜李雁王昱璎

摘要：文章介绍了我国钢渣产生及综合利用的相关情况，从四个不同方面分析了钢渣在水处理中的应用情况，也提出了钢渣在实际应用中可能存在的问题和需要重点关注的内容。

关键词：钢渣;综合利用;水处理

中图分类号：TU911.2 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）05-029-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.05.014

2018年，我国粗钢总产量为9.28亿吨，钢渣新生产量约为2亿吨，并且钢渣生产量正在不断增长，但其利用率仅为22%左右，导致“渣山”现象普遍，造成了大量钢渣堆积，污染环境。相比美国、日本等国90%以上的利用率，我国在钢渣综合利用方面还有很长的路要走。合理利用钢渣不仅能够保护环境，而且能够变废为宝，解决钢渣处置问题。提高钢渣综合利用率已经成为钢铁行业现阶段需重点解决的问题之一，也已经成为环境保护的一个重要议题。

目前，世界各国主要将钢渣应用于路基材料、水泥、混凝土及农业生产等方面，取得了较大成效。但是由于钢渣具备化学成分波动较大，安全性不稳定等特性，导致其进一步应用具有局限性与不确定性。近年来，越来越多的环境保护从业者开始研究钢渣在环境保护，尤其是水处理方面的可能，对将钢渣应用于处理重金属废水、有机废水、富营养化废水和海洋工程等四个不同方面进行了一些探索与尝试（夏娜娜，2013）[1-3]。

1 重金属废水

钢渣表面具有多孔性，吸附性能强;碱性高，具备化学絮凝特征，可以去除水体中的部分重金属离子。包勇超（2018）[4]认为，钢渣粉末对铬、铅、砷和镉均有较好的去除效果，pH是影响去除效率的重要指标，当pH大于8.3时，对于三价铬的去除率可达98%以上，并且用钢渣处理重金属废水产生的污泥量较小，含水率较低。王文武等（2020）[5]认为，钢渣通过改性可以有效去除海水中的汞，其中通过碱改性的钢渣去除效果最好，去除率可达91.9%，并且钢渣对汞的吸附符合Freundlich吸附等温模型。Ortiz等（2001）[6]重点探讨了温度对于钢渣去除镍效果的影响，研究发现，钢渣对镍的去除效果较为理想，但是高温会导致去除率降低。尽管很多学者的研究表明，钢渣对于重金属废水的处理效果较为理想，但也有Dakiky等（2002）[7-8]学者认为，钢渣对部分重金属离子的去除效果并不理想，对于六价铬仅有40%的去除率，可能是钢渣表面带有负电荷，与六价铬所带的负电荷相互排斥所导致，影响了钢渣對于六价铬的去除效果。

2 有机废水

在钢渣处理有机废水方面的研究较多。胡恩柱（2018）[9-10]等用静态批式实验对钢渣吸附亚甲基蓝的吸附行为进行了研究，结果表明吸附过程较为缓慢，吸附作用主要依靠静电力为主，并与氧化钙反应形成聚合物。尹述伟等（2016）[11]以武钢钢渣粉和武钢焦化废水为研究对象，结果表明，经处理的有机废水COD去除率可达90%，且反应速度快，15min即可完成。在常温下通过延长反应时间，也可以提高降解水平，受pH值的影响也较小。Ramakrishna等（1997）[12]的研究表明，钢渣在去除分散染料方面的效果要强于活性炭，但是对酸性染料的去除效果较差。肖迎旭等（2016）[13]认为，钢渣对苯酚的吸附主要通过表面吸附和离子交换，吸附效果符合二级动力学。

3 富营养化废水

钢渣主要通过吸附和沉淀来去除磷酸盐，一是通过与水反应生成絮凝体进行沉淀作用，二是通过配位交换吸附磷酸盐Yamada等（1986）。Lan等（2006）[14]研究了不同影响因素对钢渣除磷的影响，结果表明适当条件下，去除率可超过99%。赵桂瑜等（2007）[15]的研究表明，钢渣对磷的去除率可达到95%以上，去除过程符合Langmuir等温吸附模型，吸附动力学过程符合准二级动力学模型，可以用模型估算磷酸盐的平衡吸附量。郑怀礼等（2016）[16]的研究表明，改性钢渣去除磷酸盐的pH值最佳范围为5.5～7.5，采用生物处理—钢渣吸附组合工艺除磷的效率可达到94.96%。除了对除磷进行研究，也有研究者对钢渣去除硝酸盐进行了研究（唐丽，2010）[17]，结果并不十分理想。

4 海洋工程

将钢渣进行固化或者与其他材料通过不同配比进行固化，制作成人工藻礁，用于改善海洋生态环境，并为海洋生物提供栖息地，是一个需要深耕的研究领域。日本是最早将钢渣应用于人工鱼礁建设的国家，日本NKK公司将高炉渣与钢渣混合制造人工藻礁，在广岛县因岛的实际应用中发现，人工鱼礁能够明显改善附近海域的生态环境（沼田哲始，2002）[18]。我国的李琳琳等（2012）学者研究了矿渣、钢渣、脱硫石膏和水泥熟料混合制备人工鱼礁的配料比例，认为钢渣掺量为5%时，较适宜于制备生态型人工鱼礁混凝土。王中杰等（2012）研究利用钢尾渣和矿渣能够制备高强绿色人工鱼礁混凝土，结果表明，制作的人工鱼礁不会造成海水中重金属污染，并且有利于海洋藻类的附着及生长。郝文杰（2014）进行了钢渣混凝土固化体——藻类系统的研究，结果表明，此系统不仅能很好地去除磷酸盐和硝酸盐，还能够起到人工鱼礁的功能。

钢渣在环境治理，尤其是水处理方面的应用研究日益深入，同其他吸附材料相比，钢渣具备价格低廉、环境安全性高等天然优势，将钢渣用于处理水中污染物，可以实现“以废治废”，应用前景广阔。但在实际应用中还应注意以下几方面的问题。

直接将钢渣应用水处理的效果难以与改性后的钢渣处理效果相比，但是改性钢渣在改性过程中需要使用各种改性剂，不仅会增加使用成本，而且会带来清洗废水等二次污染。因此，还需要进一步研究减少成本的措施，同时开展清洗废水循环利用的相关研究。

室内实验条件与实际的综合条件存在一定的不同，结果会存在偏差，在实际的钢渣应用过程中应考虑借鉴先进经验，在结合实验室结果应用之前先进行中试实验，并进行安全性评价。

改性钢渣的解吸、再生及多次再生之后，对水处理的效果及钢渣的固化成礁也是需要进一步深入研究的重点之一。

参考文献

[1] Dakiky M，Khamis M，Manassra A，et al.Selective adsorption of chromium（VI） in industrial wastewater using low-cost abundantly available adsorbents[J].Advances in Environmental Research，2002，6（4）：533-540.

[2] Lan Y Z，Zhang S，Wang J K，et al.Phosphorus removal using steel slag[J].Acta Metallurgica Sinica，2006，19（6）：449-454.

[3] Liu S Y，Gao J，Yang Y J，et al.Adsorption intrinsic kinetics and isotherms of lead ions on steel slag[J].Journal of Hazardous Materials，2010，173（1）： 558-562.

[4] Ortiz N，Pires M A，Bressiani J C.Use of steel converter slag as nickel adsorber to wastewater treatment[J].Waste Management，2001，21（7）：631-635.

[5] Ramakrishna K R，Viraraghavan T.Use of slag for dye removal[J].Waste Management，1997，17（8）：483-488.

[6] 包勇超.钢渣粉末处理含重金属废水实验[J].环境工程，2018，36（9）：125-132.

[7] 郝文杰.钢渣混凝土固化体—藻类系统对富营养化海水中磷酸盐和硝酸盐去除的实验研究[D].青岛：中国海洋大学，2014.

[8] 胡恩柱，李秋燕，高涵，等.钢渣吸附去除水中亚甲基蓝[J].东北大学学报（自然科学版），2018，39（4）：516-521.

[9] 李琳琳，蘇兴文，李晓阳，等.鞍钢钢渣矿渣制备人工鱼礁混凝土复合胶凝材料[J].硅酸盐通报，2012，31（1）：117-122.

[10] 唐丽.钢渣—龙须菜系统对富营养化海水中硝酸盐、磷酸盐去除的实验研究[D].青岛：中国海洋大学，2010.

[11] 王文武，夏娜娜，谭丕功，等.改性钢渣吸附海水中汞的影响因素研究及安全性评价[J].海洋湖沼通报，2020（4）：94-100.

[12] 王中杰，倪文，伏程红.钢渣-矿渣基绿色人工鱼礁混凝土的制备[J].矿产综合利用，2012（5）：39-43.

[13] 夏娜娜.改性钢渣对海水中汞和砷的吸附性能研究[D].青岛：中国海洋大学，2013.

[14] 肖迎旭.钢渣改性处理有机废水和重金属废水研究[D].成都：西华大学，2017.

[15] 尹述伟，高博，陈向明.钢渣催化剂处理难降解有机废水[J].环境工程学报，2016，10（10）：1853-1856.