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薛生国 | 土壤修复中赤泥生态化处置技术研究进展

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学社皮皮 发表于 2019-7-8 11:28 | 显示全部楼层 打印 上一主题 下一主题
铝是国民经济发展和国防建设必不可少的战略金属材料,也是产量和消费量最大的有色金属,广泛应用于交通运输、电力电子、建筑建材、航空航天、武器装备、包装等领域,与国民经济的关联度高达91%。氧化铝作为生产金属铝的基础原料,每生产1吨铝大约消耗2吨氧化铝,国民经济的迅速发展直接拉动了对金属铝以及氧化铝的需求。6 f% q: ~- @2 J& K0 s+ L7 T! c) O
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赤泥是氧化铝工业生产过程中产生的高碱性废弃物,因其富含Fe2O3(20~50%) 呈红褐色,而称之为赤泥。赤泥颜色随含铁量不同而存在很大差异。在氧化铝生产过程中,铝土矿中的Al2O3组分进入溶液,而SiO2、Fe2O3、TiO2等杂质矿物以及添加剂石灰则通过反应以复杂化合物形式进入渣中形成赤泥,每生产1吨氧化铝产生1.0~2.0吨赤泥。
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0 a: |* f8 N3 |2 u0 {迄今为止,全球积存的待处理赤泥超过30亿吨,并以每年1.2亿吨的速度递增。因赤泥碱性强、盐分含量高,污染物迁移风险大、自然风化过程慢、堆场生态重建难等,赤泥环境安全问题正严重威胁氧化铝工业可持续发展。氧化铝工业过程的赤泥减排和综合利用已成为世界性难题,迄今国际上尚无切实可行的赤泥规模化处置方法。0 J* q9 a6 F  u4 z* ~
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赤泥堆存的环境安全问题6 l* B% T: V4 r

5 [4 o# I- o& j根据氧化铝生产工艺的不同,赤泥主要分为烧结法赤泥和拜耳法赤泥两种。拜尔法是现代氧化铝工业生产的普遍采用的工艺,但是拜尔法赤泥碱性强、盐分含量高,综合利用难度大,消纳量小,大量外排赤泥以堆存为主。2010年匈牙利Ajkai Timfoldgyar氧化铝厂赤泥堆场溃坝事件,100万立方米赤泥外泄,流入多瑙河,造成“匈牙利史无前例的生态灾难”。
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我国是世界第一大氧化铝生产国和消费国,产量占全球总产量的39%,消费量占世界消费量的45%,目前已建成世界最大的氧化铝工业体系,年产生赤泥约7000万吨。我国氧化铝企业主要分布在河南、山西、山东、广西、贵州、云南等省份,赤泥堆存影响的土地面积已达数百平方公里,近几年在贵州贵阳、广西靖西、山东聊城、山西交口、河南郑州等地相继发生了多起由于赤泥堆场引起的地下水和地表水污染事故,甚至诱发群体性事件。因此,开展氧化铝工业过程赤泥减排技术研究、探索适宜的外排赤泥处置方式、加强赤泥堆场的环境治理和生态重建已成为国内外氧化铝工业面临的紧迫任务之一。
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赤泥的处置和综合利用
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" J" {4 b3 _- Z8 z3 k' H# g几十年来,世界各国一直将赤泥的惰性化处置和经济利用列入优先研究主题,科研人员竞相对此展开了大量的研究。不同国家和地区采取的赤泥处置方式差异较大,与氧化铝企业所处地理环境条件相关。目前国际上采用赤泥处置方式有四种:(1)海底排放、(2)湿式堆存、(3)干式堆存、(4)生态修复。
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烧结法赤泥碱和铁含量低、CaO含量高,综合利用率高,涉及有价金属资源回收、建筑材料制备、环境修复材料、微晶玻璃研制、塑料热稳定性改良、烟气脱硫研究等方面。广西氧化铝企业外排赤泥铁含量较高,在铁回收方面取得明显的效果;山西和山东的氧化铝企业的烧结法赤泥则尝试做建筑材料使用。然而, 拜尔法赤泥迄今尚无有效的处置方法。
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中南大学、北京矿冶研究总院、中国科学院生态环境研究中心、中国科学院地理所、华中科技大学、华南农业大学等高校和科研单位的专家学者相继开展赤泥土壤化过程、赤泥基质改良和赤泥堆场边坡稳定的相关研究,筛选了磷石膏、生物质锯末等一批改良剂,可在一定程度上改善赤泥的物理化学特性。国外赤泥基质改良的研究主要围绕碱性调节、盐分控制和基质培肥等方面,使改良后的赤泥具备植物生长的基本条件。用狗牙根干草覆盖后,微生物产酸,pH值降至7;石膏可以降低赤泥中植物可利用性铝含量,缓解铝毒;接种磷酸盐增溶剂后,赤泥pH值也明显降低。国内外学者尽管在赤泥基质改良方面做了大量的研究,但仅限于碱性调控、营养供应、植物生长影响,未能从赤泥特殊的物理化学特性入手,开展赤泥成土过程研究,这将直接影响赤泥规模化处置技术的研发。# i0 s6 B2 p: H) w
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赤泥生态化处置技术研究进展, b& q7 b' H$ w
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团聚体形成是赤泥成土过程的关键,在协调土壤水肥气热和维持土壤结构方面具有重要作用。团聚体结构是由土粒的多次凝聚和多次胶结形成的,与土壤肥力、土壤生物有关、植物根系切割等因素有关。国外科研人员发现赤泥堆存30年后,经过无人为干扰的自然风化,当地物种开始入侵堆场,赤泥的pH值、钠含量、总铝含量明显降低,有机质含量增加,形成一种类似土壤的生长介质。赤泥改良12年后,开始形成半自然化的土壤,微生物种类和数量明显增多,而且发现有植被生长的赤泥堆场物理化学特性明显改善、团聚体稳定性提高。
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, y2 R0 a/ l5 ]8 A针对现行氧化铝工业生产体系赤泥产生量大、综合利用率低、环境风险大的问题, 首先应开展不同堆存年代赤泥堆场的物理结构、化学特性和生物群落状况研究,阐明环境因子对赤泥土壤化发生和演化过程的影响,建立赤泥土壤化可行性诊断体系;研究赤泥颗粒的粘结团聚过程和切割造型过程,提出赤泥堆场土壤化过程的物理化学特性调控方法,筛选适宜的耐性植物,探讨不同植物的组合模式,提出赤泥堆场植物生态配置模式;建立赤泥土壤化处置技术示范工程,开展赤泥土壤化过程的环境风险评估,实施赤泥堆场环境风险防控与环境监管。
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未来赤泥生态化处置技术研究方向
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  {* N+ u6 E6 k! _' |  n" p综述国内外赤泥生态化处置研究存在的问题,今后的研究方向应围绕八个方面开展: (1) 赤泥自然风化过程中的土壤发生特性;(2) 赤泥土壤化发生过程中的成土因素; (3) 赤泥堆场土壤发生过程的可行性诊断; (4) 赤泥土壤化过程中的脱碱和脱盐作用; (5) 耐性植物和耐性微生物的筛选与定植(殖);(6) 赤泥土壤化过程中团聚体的形成与调控机制; (7) 赤泥土壤化过程中腐殖化和人为土壤熟化作用; (8) 赤泥土壤化过程的环境风险和污染控制。作者:薛生国
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