鋁土礦渣的處置問題

自19世紀后期氧化鋁/鋁工業興起之時,就不斷有鋁土礦渣產出。2007年,全球產出的鋁土礦渣已有27億t,并且以每年1.2億t的速度在增加,這就使得研究儲存、治理及將大量廢渣作為工業副產品綜合利用迫在眉睫。C.Klauber綜述了鋁土礦渣當前的處置與治理管理實踐,以及每種工藝對渣性質的影響。自1980年以來,泄湖型堤壩已逐漸被"干"法堆存取代,后者降低了泄漏的可能性,減小了物理影響區域并提高了蘇打和氧化鋁的回收率。在鋁土礦渣中和方面,與技術開發有關的是要考慮將來渣的處置及綜合利用。如,高壓蒸汽過濾是一種新方法,能夠排出干的、粗粒的、蘇打含量低的物料,這種物料有利于長期儲存,但更重要的是將來可以再利用。盡管鋁土礦渣的特點中有一些與環境有關,但對于治理與利用(可持續性)最重要的是它的高堿度和高堿性。穩定的堿度是固相與液相相互作用的結果,而它的堿性則是源于蒸煮時苛性鈉(NaOH)的使用。

120 a來,鋁土礦渣主要的處置方式是長期堆存。理想的方法是將這些渣作為工業副產品再利用,有零廢物產生。對于此問題,已有50多年的研究,有數百篇文獻和專利發表,但關于再利用的有意義的內容卻很少。再利用(或適當利用)強調的是以最低風險利用最大量的鋁土礦渣。將來自氧化鋁冶煉廠的非有害形式(作為副產品)的渣作為另一個不同領域的給料是最好的利用方式。盡管來源不同的鋁土礦渣有一定的相似性,但是它們的組成和存儲地點也會影響它們的用途。影響鋁土礦渣再利用的理由有4點:數量、特性、成本和風險,后2點更為重要。對于成本,更好的選擇是利用原礦(有更低的成本和更高的品位)。鋁土礦渣再利用的風險與工藝和大眾的認識有關,也與蘇打、堿度、重金屬和低水平天然放射性物質(NORM)的含量有關。

無論從降低目前儲存方法對環境的影響、遺留成本,還是作為工業副產品在其他領域中實現綜合利用方面考慮,詳細了解鋁土礦渣的復雜緩沖作用和中和作用仍是提高管理水平的關鍵。盡管工業生產已經持續了120 a,但對鋁土礦渣的性質和治理化學過程的了解依然很少。C.Klauber等的研究結果表明,p H在鋁土礦渣的化學反應中是主要影響因素,并且在有多種堿性固體存在時會受到強烈緩沖。未經處理的渣液(洗滌溢流)的p H在9.2～12.8之間,平均值為11.3±1.0。如此強的堿性是鋁土礦渣被劃分為有害物質的主要原因。與含鈉物質的共同作用是鋁土礦渣不能用于種植植物的主要原因。拜耳工藝中,苛性鈉與鋁土礦反應生成堿性固體,p H值在有這種堿性固體(各種氫氧化物,碳酸鹽,鋁酸鹽,硅鋁酸鹽)存在時會受到強烈緩沖。這種拜耳工藝中特有的固體的存在使得鋁土礦渣的酸中和反應更加復雜化,使通過簡單的水洗去除堿性不切實際。這個化學過程同時也影響鋁土礦渣的物理性質,如密度,沉降速度,壓縮、滲透系數,干燥速度和除塵反應以及干燥后的機械強度。了解渣的礦物組合中表面電荷的運動、分布及減少有利于全面了解中和反應、成功模擬并最終實現高效治理。這種治理可以創造條件降低對環境的影響,如使植物正常生長。掌握這些理論就可以建立一個基于礦物學和與其表面電荷有關的鋁土礦渣的中和反應模型。

理論上,鋁土礦渣可作為工業副產品再利用(零排放),但實際上零排放難于實現。未來的任何一種利用最有可能使用的是同一時期的產品,而已堆存的渣不太可能再被重新獲取,因此對環境的危害依然存在。這對治理能否原地進行提出了問題,即在常規處理時應避免創造條件下改變渣的化學反應途徑。文章綜述了鋁土礦渣在什么條件下才可以支持一個可行的生態系統,即復原到底需要什么樣的條件。已穩定的渣的特性為:p H為5.5～9.0,鈉吸附率(SAR)≤7,鈉可交換率(ESP)≤9.5,碳酸鈉殘余(RSC)≤1.25,導電率(EC)<4 m S/cm。這些目標與目前典型的鋁土礦渣相去甚遠。鋁土礦渣是一種濕法冶金工藝的副產品,了解濕法冶金過程對鋁土礦渣的影響是成功實現治理的關鍵,已明確的是原地修復很可能不是傳統的濕法冶金技術,而是一種系統的、定向的生物修復方法。

對于原地修復的鋁土礦渣處理區域,最有前景的方法也許是為含鈉鹽土壤開發抗鹽土植物和嗜堿細菌并降低p H。鋁土礦渣表面與含鈉鹽土壤基本一致。由于對鋁土礦渣化學反應和個別植物特點的認識不足,實現土地復墾有一定局限性。有提議認為,關于生物修復研究計劃應在充分了解鋁土礦渣化學反應基礎上,更嚴格篩選植物、真菌和微生物。也就是說,要系統處理非生物和生物方面的問題,特別是含鈉鹽土植物的種植將向更嚴格的環境中進行。利用石膏可以置換來自鋁土礦渣的Na+,在鹽土植物允許范圍內與二價陽離子共同控制p H。鹽土植物產生有機酸,并促使微生物種群提供H+,在根部增大CO2分壓,促進修復過程。適當排水和添加一些物質(有機廢物,廢水污泥,大量和微量的養分)可以促進植物和微生物的生長。生物修復是一個需要多個周期的過程,但與典型冶煉廠的生產周期匹配良好。