鋼渣在環境污染治理中的資源化利用

◇ 文/ 田京雷 張倩

河北鋼鐵技術研究總院

鋼渣是煉鋼過程中產生的固體廢物，煉制1噸粗鋼約產生100～150kg的鋼渣。鋼渣分為轉爐渣和電爐渣，兩種鋼渣一般都是緩冷冷卻制成的。“十一五”期間，我國鋼渣產量由2006年約5863萬噸增至2010年約8147萬噸，鋼渣利用率由10%提高到21%，累積堆存量已達29623萬噸（不包括2006年之前累積量）。盡管鋼渣的綜合利用率有所提升，但累積堆存量很高，仍需進一步開發鋼渣再資源化，進行深度綜合利用。

目前許多研究者發現，鋼渣可作為一種新型材料應用于環境污染治理中，不僅能“以廢治廢”，大大降低環境治理成本，又能避免鋼渣廢棄時造成污染，具有深遠的科學意義和實際的工程價值。筆者將對鋼渣在環境污染治理中的作用機理和應用進行綜述。

一、鋼渣的基本性質及利用現狀

1.鋼渣的基本性質

轉爐渣的外觀形態和顏色差異很大，一般是由化學成分及冷卻條件不同造成的。堿度較低的鋼渣呈黑灰色，堿度較高的鋼渣呈褐灰色到灰白色。渣塊松散不粘結，質地堅硬密實，孔隙較少。渣坨和渣殼結晶細密，界線分明，尤其是渣殼，斷口整齊。自然冷卻的渣塊堆放一段時間后會發生膨脹風化，變成土塊狀和粉狀。鋼渣含水與燜渣方式和冷卻條件關系較大，通常含水率為3%～8%，容重為1.32～2.26t/m3，抗壓強度為1150kg/cm2左右。國內部分鋼鐵廠鋼渣主要成分如表1所示。

表1 國內部分煉鋼廠轉爐鋼渣主要化學成分 (%)

2.鋼渣國內外利用現狀

近年來，日本的鋼鐵渣幾乎全部被用于水泥、道路路基、混凝土骨料和土建材料等方面。2009年，日本全年鋼鐵渣產生量為3317.9萬噸，利用量達到3290.4萬噸，利用率達到99.17%。但是，由于目前日本的建設需求低迷、循環利用材料的出現以及環境標準的嚴格化，使鋼鐵渣的需求形勢急轉直下。因此，迫切期待開拓鋼鐵渣新的應用途徑。

我國鋼渣的利用途徑大致可分為內循環和外循環。內循環指鋼渣在鋼鐵企業內部利用，作為燒結礦的原料和煉鋼的返回料；鋼渣的外循環主要是指用于建筑建材行業。目前鋼渣在建筑建材行業的主要利用途徑及所占比例為：60.27%用于鋼渣道路材料、回填材料；5.14%用于水泥和混凝土中的鋼渣粉；28.58%用于鋼渣硅酸鹽水泥等鋼渣系列水泥；另外1%做鋼渣磚。

二、鋼渣在廢水治理中的作用機理及應用

1.鋼渣處理廢水的作用機理

鋼渣主要成分有CaO、SiO2、FexOy、MgO、Al2O3、MnO、P2O5、f-CaO等，屬于多種金屬氧化物的熔融混合物，鋼渣作為水處理劑處理污水是鋼渣綜合利用的新途徑之一。與其他吸附材料相比，鋼渣水處理劑是一種新型的水處理材料，吸附性能較好，去除水體污染物時主要作用包括吸附作用、離子交換、還原作用和化學沉淀作用。

（1）吸附作用

鋼渣疏松多孔，具有較大的比表面積，同時表面還含有活性基團，具有很強的吸附性能。與其他吸附劑相比，鋼渣密度大，在水中的沉降速度快，易于固液分離，對無機離子有一定的吸附作用，而對重金屬離子則具有顯著的去除效果。鋼渣的表面吸附作用包括物理吸附和化學吸附。物理吸附由鋼渣的多孔性和比表面積決定，比表面積越大，吸附效果越好；而鋼渣的化學吸附作用主要表現在三個方面：a.靜電吸附，因為鋼渣表面活性點位帶有負電荷，對溶液中的陽離子產生靜電吸附；b.陽離子交換吸附，溶液pH較低時，鋼渣表面吸附的氫離子會與溶液中的重金屬離子發生離子交換并發生靜電吸附作用；c.表面配合，鋼淹顆粒表面的硅、鋁、鐵等氧化物的表面離子配位不飽和，在水溶液中與水配位，水發生離解吸附而形成羥基化基團SOH，該基團能夠與金屬陽離子生成表面配位配合物，從而吸附重金屬離子。

（2）離子交換作用

離子交換是依靠吸附劑與吸附質之間的靜電引力。在通過離子交換對重金屬離子進行吸附去除的過程中，鋼渣表面帶負電能夠有效地吸附陽離子，而不能有效地吸附陰離子，這主要是依靠靜電引力吸附。然而離子交換吸附具有選擇性，與離子的水合半徑以及離子的價數有關。離子的價態越高，有效水合半徑越小、越容易與鋼渣中陽離子發生離子交換。

（3）還原作用

煉鋼過程是氧化熔煉過程，鐵液中部分鐵原子氧化，從而使鋼渣中FeO含量較高。由于FeO能夠向溶液提供電子，使鋼渣具有一定還原性。因此在一定固液比的前提下向水體加入鋼渣后，水體的氧化還原電位將在一定程度上降低，溶液還原能力增強。

（4）化學沉淀作用

由于鋼渣中堿性氧化物含量較高，加入水體后溶液pH值將增加。當金屬離子與溶液中OH-反應生成氫氧化物沉淀時，將對溶液中的部分金屬離子產生化學沉淀作用，從而將水體中金屬離子去除。

2.鋼渣在廢水治理中的應用

鋼渣在環境治理中可應用于處理廢水，包括有機染料廢水、無機非金屬廢水和重金屬廢水等，主要的利用方式是作為吸附劑、濾料和絮凝劑等。

（1）利用鋼渣做水處理濾料

鋼渣可作為很好的濾料。鋼渣的多孔、比表面積大的特性，對色度和SS具有較好的去除效果。謝復清等以鋼渣為濾料處理活性翠藍染料廢水、結晶紫、孔雀石綠染料廢水、亞甲基藍染料廢水、堿性品紅染料廢水，脫色率均可達到90%以上。龔陽樹研究了以鋼渣為濾料對廢水進行過濾處理，發現鋼渣對廢水中重金屬和CODcr有很好的去除效果，去除率高于90%，對三氯甲烷的去除率也在69%左右。并認為鋼渣適合作給水處理以及水的深度處理濾料，還可以用于污水的深度處理。

（2）利用鋼渣做高效吸附劑

鋼渣作為吸附劑時，鋼渣中的金屬離子如Ca2+溶解在水中與磷形成沉淀，從而達到除磷的效果，去除率最高可達99%。劉平等采用振蕩吸附試驗，研究了鋼渣對F-的吸附，90min內對40mg/L含氟廢水進行處理，氟的去除率可達77.77%，可達到國家工業含氟廢水的一級排放標準。羊依金等將鋼渣、坡縷石、水按一定比例做成柱狀顆粒吸附劑，對廢水中Cu2+的最大吸附量可達169.5mg/g。該吸附劑可以較好地適應廢水pH值的變化，并且還能夠重復使用。

（3）利用鋼渣做高效絮凝劑

鋼渣還可與其他材料混合制成絮凝劑來處理各種廢水。蔣玲等以廢鋼渣為原料制備復合型高效絮凝劑聚硫酸鐵(PF-1)，對其進行了處理廢水試驗，并對各種影響絮凝作用的因素進行了系統研究，結果表明，由廢鋼渣為原料制得的產品PF-1比聚合硫酸鐵(PFS)處理廢水效果更佳。李桂菊以鋼渣和硫鐵礦渣為原料制備了無機高分子絮凝劑，通過鐵的形態分布、熱失重曲線、紅外譜圖分析了絮凝劑的性能，發現該高分子無機絮凝劑為聚硅鋁鐵類無機高分子絮凝劑，且鐵的存在形式多為低聚合度鐵的無機高分子或多核羥基配合物，對CODcr去除效果較好。

三、鋼渣治理燒結煙氣及其影響因素

濕法脫硫是目前應用最廣的煙氣治理技術，約占已建成煙氣脫硫裝置的85%，其中使用最多的吸收劑是石灰石、石灰。鋼渣堿性物含量高，對環境造成污染，通過對鋼渣的詳細研究發現可將其用之燃燒后的煙氣中進行濕法脫硫，不僅可降低燃煤煙氣中二氧化硫對環境的污染，節約脫硫成本，降低脫硫過程的運轉費用，而且使工業廢物得到了綜合利用。利用鋼渣進行濕法脫硫的示意圖如圖1所示。

圖1 鋼渣法燒結煙氣脫硫流程圖

1.鋼渣脫硫劑脫硫機理

鋼渣粉的主要活性組份為CaO，MgO，Al2O3，FeO，SiO2等，在濕法煙氣脫硫過程中化學反應機理類似于CaO，Ca(OH)2，在吸收塔內發生如下反應：

由于鋼渣中某些成份起著觸媒作用，也進行催化氧化反應：

在鋼渣中還有極少量的堿土金屬氧化物，可參與脫硫反應，有利于脫硫過程。

2.鋼渣治理燒結煙氣的影響因素

（1）鋼渣量對脫硫率的影響

郭應春等在液氣比為12L/m3，采樣時間為7min時，考察不同的鋼渣量下的脫硫效果，結果顯示：在采樣時間、液氣比均相同的情況下隨著脫硫液質量分數的增加，脫硫率也相應增加，這是因為當脫硫液質量分數增加時，液相阻力減小，總反應速率加快，脫硫率也相應增加；當脫硫液質量分數較大時，其脫硫率增加速度是緩慢的，這是因為當脫硫液質量分數較大時，溶解阻力較小，反應受氣相阻力控制，因而此時的脫硫液質量分數增加，使液相阻力減小，因而使總吸收速率增加不多，故脫硫率亦增加不多，走勢緩慢。

（2）pH對脫硫率的影響郭應春等在漿液質量分數為4%，液氣比為12L/m3，采樣時間為7min時，脫硫廢液經過多次循環使用后，得出pH對脫硫率的影響包括三個階段：pH值在8～11之間脫硫率比較平穩，在pH≥11時，脫硫率隨著pH值減小迅速下降，在pH≤7時，脫硫率隨著pH值的減小而減小。分析原因如下：pH≥11時，鋼渣脫硫液的pH較高，堿性較大，從而導致吸收液吸收速率較快，隨著pH的下降，鋼渣脫硫液中OH-的溶出已不能及時補充反應所消耗的OH-，CaO的反應基本達到平衡，pH值及脫硫率因而下降；當pH值在8～11之間時，SO2的吸收速率下降到一定程度后，反應中消耗的OH-相應減少，OH-的溶出基本能跟上反應中所消耗的OH-，所以脫硫率比較平穩；當pH≤7時，鋼渣脫硫液中的OH-所剩不多，隨著pH值的下降，溶解于鋼渣脫硫液中而不能及時反應的SO2增多，傳質推動力減小，所以脫硫率迅速下降。

（3）液氣比對脫硫率的影響

液氣比的大小直接影響投資和運行費用，是影響脫硫率的一個重要參數。郭應春等研究發現，脫硫率隨液氣比的增加而增大，這是因為當液氣比增加時，氣液接觸面積增大，有利于增加吸收速率，且由于液氣比的增加，脫硫液的pH值從塔頂到塔底的下降幅度減小，則脫硫液整體的pH值是上升的，這是影響脫硫率增大的主要原因。但是，隨著液氣比的增加，整體脫硫系統的能耗也在增加，系統壓降也隨之增大。因此，過大的液氣比是不合適的。

四、鋼渣在其他環境領域的資源化利用技術

1.利用鋼鐵渣修復海域環境

近年來，日本沿海區域出現了海水中的N、P、SiO2、Fe等營養成分不足，大型海藻群減少的“營養貧化”現象和封閉性海域N、P過多導致赤潮發生或硫化物堆積導致蘭潮發生的“營養富化”現象。

轉爐鋼渣中含有大量的海藻生長所需的2價鐵（FeO）和SiO2，通過對轉爐渣采取抑制堿性溶出的措施，可以將轉爐渣作為在營養貧化海域制造海藻場的基質材料和肥料。此外，由于轉爐鋼渣中含有CaO，具有將導致封閉性海域營養富化的P變成磷灰石進行固化的功能；轉爐鋼渣呈堿性并含有鐵，具有抑制沉積在疏浚凹地和海底的硫化物還原為硫化氫的功能。因此，轉爐渣可用來抑制富營養物的發生，改善海底質量。

2.鋼渣做鐵離子供給體

轉爐渣中含有豐富的海藻生長所需的鐵分，可以在建造海域藻場發揮作用。鐵離子供給體是廢木料發酵制成的人造腐殖土和轉爐渣的混合物，人造腐殖土中的腐殖質可將海藻不能吸收的溶解鐵變為配位化合物，成為穩定的腐殖酸鐵（鐵離子）供海藻吸收。

五、總結

通過回用鋼渣中的有效金屬成分可制備用于污水處理的絮凝藥劑；由于鋼渣特殊的結構形態和物質含量，將其作為水處理吸附劑和沉淀劑可取得很好的去除效果；此外，鋼渣可作為脫硫劑治理燒結煙氣。

在鋼渣去除環境污染物的研究中發現，溫度、pH、污染物初始濃度、鋼渣用量、鋼渣粒徑等都會對去除效果產生影響。因此，將鋼渣投入工程運行時應針對所利用的鋼渣及污染物類型進行分析評價，以尋求其治理污染物的最佳條件，達到盡可能高的利用率。