鐵爐渣在稻田水磷去除中的應用

何 詩，趙 娜，曾從盛，王維奇

(福建師范大學 地理科學學院，福建 福州350007)

0 引 言

農業面源污染是指在農業生產活動中，氮素和磷素等營養物質、農藥以及其他有機或無機污染物質，通過農田的地表徑流和農田滲漏形成的環境污染［1］。磷酸鹽是農業面源污染的重要污染物之一，因此，如何去除農業廢水中的磷已經逐漸受到人們的關注［2］。有研究表明，爐渣對磷的吸附具有很高的有效性［3-8］，但當前的研究主要是通過室內的吸附實驗，原位的試驗研究甚少。基于此，本研究主要探討爐渣在原位稻田水磷去除過程中的應用，若可取得良好效果，不僅有助于新型價廉高效的吸附材料的開發應用，也將減輕鋼鐵工業固體廢物的問題，更重要的是可填補爐渣在稻田水磷去除過程中的應用研究的不足。我國水稻生產的肥料利用率低，使得農業灌溉排水造成河流和湖泊污染風險提高，河流和湖泊污染中60% ～70%是該原因導致的［9］。福建農田磷養分盈余較高，超過農田磷平衡盈余的閾值，可能引起磷對環境的潛在威脅［10］。因此，選擇本區域稻田進行研究具有明顯的代表性。本文在闡述爐渣施加后稻田水中磷酸鹽的時間變化的基礎上，分析和探討了在我們的實驗中爐渣在稻田水中磷酸鹽去除中實效性問題，發現除了其多孔結構和物質成分外，pH 和溫度的升高也可能是其去除磷酸鹽的主要原因，并針對這一問題進行了討論。

1 爐渣在稻田廢水磷去除中的可行性

基質對溶質的吸附分為物理吸附和化學吸附，物理吸附指吸附質和吸附劑分子間作用力所引起，也叫范德華吸附，它是分子間的引力所引起的吸附，一般物理吸附結合能力較弱，吸附和解析速度較快，被吸附的物質也較容易解析出來，物理吸附與吸附劑的性質和表面積的大小有關［3］。爐渣的內部結構決定了其比表面積比土壤顆粒的比表面積大，爐渣是多孔結構，因此吸附質更容易與爐渣接觸，從而促進吸附，土壤對磷酸鹽的吸附主要是以物理吸附為主，爐渣對磷酸鹽的吸附不僅有物理吸附，還有化學吸附，爐渣中含有大量的游離的金屬離子如Ca2+、Mg2+，在溶液中磷酸鹽濃度較高時會發生絮凝反應［6，11-13］。因此爐渣對磷具有較高的吸附作用。

2 應用實例分析

2.1 研究區域與實驗方法

本研究以福州平原的水稻田為研究區域進行實驗。選取早稻生長季進行鐵爐渣對稻田灌溉水磷去除的實驗。鐵爐渣施加濃度分別為2、4 和8 Mg/hm2，并通過流動注射分析儀測定磷含量的變化，原位pH 采用IQ150 pH 計測定。與此同時，室內模擬在pH 為7和9 的條件下，2g 土壤對20、40、60、80、120、140、160、180、200 ml/L 的初始濃度的磷的去除效率。

2.2 鐵爐渣對稻田上覆水磷的去除效率

磷素在農業生產中也很重要，雖然土壤對磷素有一定的吸附作用，但是在降水和灌溉的作用下，磷素會通過大孔系下滲進入水體，對水體造成污染。所以有效地控制農業水的磷含量具有重要意義。本研究結果表明，不同處理稻田水中磷酸鹽含量在水稻移栽第29 d 之前含量較小，29 d 以后逐漸增大(見圖1);對照樣地、2、4、8 Mg/hm2的稻田水中磷酸鹽含量平均值分別為(657.27 ±174.94)、(622.2 ±161.51)、(546.8 ±133.24)、(474.1 ±119.50)μg/L，表現為對照樣地＞2Mg/hm2＞4 Mg/hm2＞8 Mg/hm2。爐渣的施加減少了稻田水磷酸鹽的含量，施加8 Mg/hm2爐渣樣地比對照樣地含量減少了27.8%。

圖1 爐渣施加對稻田灌溉水磷含量的影響

2.3 鐵爐渣對稻田上覆水磷的去除機制

本實驗選用的爐渣中，Fe2O3、MgO、CaO 和Al2O3的含量分別為4.8%、0.6%、34.9%和11.2%，其施加相當于增加了吸附過程中的活性物質，與此同時，爐渣多孔的結構也是其可以去除磷的原因(見圖2)。此外，因為爐渣是一種堿性物質，其施加后稻田水的pH有所提高(見圖3)，可能是隨著pH 升高，爐渣表面的活性物質如Ca2+、Fe3+、Mg2+與溶液中的OH－發生反應生成沉淀，從而提高對磷的吸附(見圖4)［14-15］。從爐渣去除稻田水中磷的效率的時間變化看，隨著水稻移栽時間增加而提高，這與環境溫度的不斷升高密切相關。因為溫度升高時，不僅使磷酸鹽克服爐渣周圍液體阻力增強，而且有利于爐渣表面吸附的磷酸鹽沿著爐渣的微孔向內部遷移，使可供吸附的爐渣表面有更多的吸附位點，從而提高吸附能力［16］。

圖2 爐渣內部結構圖

圖3 爐渣施加對稻田灌溉水pH 的影響

圖4 pH 對磷去除率的影響

3 結 語

鐵爐渣是鋼鐵工業的廢棄物，具有價格便宜和應用方便等優點。本文對鐵爐渣磷去除技術在稻田磷去除研究中的應用進行了初步的探索，發現鐵爐渣在作為磷去除底物的過程中不僅是因為其物質組成和多孔結構，其施加后pH 的升高，增加活性物質含量進而影響著磷含量以及生長季溫度的升高對磷去除的影響也可能是其控制磷去除效率的主要機制。目前，關于鐵爐渣磷去除技術在稻田中的應用研究還不是很多，在今后的研究中有待對鐵爐渣磷去除的有效性和環境效應作進一步的探討，以期使之成為稻田磷去除的有效技術手段。

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