脱硫钢渣改良盐碱地的重金属污染风险
Heavy metal pollution risk of desulfurized steel slag as a soil amendment in cycling use of solid wastes
Fanyi Kong, Yuqian Ying, Shenggao Lu*
https://doi.org/10.1016/j.jes.2022.05.010
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利用钢渣作为烟气湿法脱硫的吸附剂可有效脱除烟气中的二氧化硫，同时解决钢渣资源利用问题。湿法烟气脱硫副产品脱硫钢渣（desulfurized steel slag, DS）具有天然石膏等化学特性，可用于改善盐碱土。然而，人们十分关注DS在农业中循环利用的重金属污染风险。本研究进行盆栽和田间试验以评估DS作为盐碱土改良剂的潜在污染风险。结果表明，DS的施用降低了土壤中Cd，Cu，Zn和Pb的含量，同时显著提高了Cr含量。田间试验表明，重金属（Cd，Zn，Cu和Pb）在土壤剖面中的迁移可以忽略不计。DS以22.5-225吨/公顷的剂量施用后，苜蓿（Medicago sativa L.）中的Cr含量显着增加，但仍低于国家饲料标准（GB 13078-2017）。DS改变了重金属（Zn，Cu和Pb）的化学形态，主要是从可交换态和可还原态转变成可氧化和残渣态形式。脱硫钢渣和黄腐酸（FA）的配施可以有效减少土壤中重金属的迁移转化和苜蓿中Cr的积累。根据我们的研究结果，DS是一种安全的盐碱地改良剂，重金属污染风险相对较小。然而，施用大剂量的DS存在Cr的潜在污染风险，施用后需加强对土壤重金属含量的监测。
背景介绍
工业化石燃料的燃烧会产生大量含有各种空气污染物的烟气，如二氧化硫(SO2)，这将造成各种空气污染问题。为符合清洁空气标准，燃煤电厂需配备脱硫设施来去除烟气中的NOx和SO2。其中，湿法烟气脱硫(WFGD)是应用最广泛的二氧化硫去除技术。钢渣是钢铁生产过程中产生的工业固体废物，其数量约占钢铁产量的15%-20%。大量钢渣的处理和储存不仅占用了土地，而且还造成严重的环境问题。目前，钢渣主要应用于工业领域，如建筑或水泥材料，二氧化碳封存和污染物吸附剂等。在农业中，钢渣可以被用作生产肥料，也可以被当作土壤改良剂来中和酸性土或修复重金属污染的土壤。在新开发的湿法脱硫技术中，工业固体废物如粉煤灰和钢渣已被用作脱硫吸收剂。尽管成分复杂，但钢渣在脱硫和反硝化过程中是一种很好的吸收剂。采用钢渣作为脱硫剂，优化运行条件后，SO2和NOx的去除率分别达到100%和83.4%。因此，钢渣可以替代石灰作为湿法烟气脱硫的新型脱硫剂。与其他吸附剂相比，作为固体废物的钢渣是低成本的吸附剂。
钢渣应用于烟气脱硫后产生的副产品-脱硫钢渣(DS)主要成分是硫酸钙，与脱硫石膏相似。钢渣原料是强碱性的，但在烟气脱硫过程中吸收SO2后变成中性和弱酸性物质。因此，可以推测DS可以用作盐碱土的改良剂。作为土壤改良剂，脱硫石膏已经被广泛的研究并应用。它可以减轻高碱度和过度盐分的危害，并显著改善盐碱土的物理性质。近期，浙江大学卢升高团队利用宁波太极环保设备有限公司研发的钢渣脱硫技术，在该公司在内蒙古巴彦淖尔建立的脱硫钢渣改良盐碱地长期田间试验基地，结合室内盆栽试验，评估了脱硫钢渣改良盐碱土的重金属污染风险。
钢渣脱硫技术，不仅节省了脱硫成本，且实现了固体废物循环作用，实现资源循环利用、环境保护、土壤改良等效益。然而，钢渣含有一些危险的重金属，如铬(Cr)，农业利用可能造成重金属污染风险。本论文基于我们之前成功应用DS改善盐碱土壤的研究，进一步研究DS改良土壤的重金属污染风险。目的是评估固体废物DS作为盐碱土改良剂的重金属污染风险和应用潜力。
本文亮点
1、通过田间和盆栽试验，对脱硫钢渣作土壤改良剂的重金属污染风险进行了评价。
2、脱硫钢渣作为改良剂施用可增加土壤中Cr的含量，但不增加Cu、Zn、Cd和Pb的含量。
3、DS的施用可以改变土壤剖面中重金属的生物可利用性和化学形态，黄腐酸可以进一步降低DS在农业中的重金属污染风险。
4、如果应用得当，脱硫钢渣用于农业生产实践是安全可行的技术。
Abstract
The by-product of wet flue gas desulfurization, desulfurized steel slag (DS), had chemical characteristics like natural gypsum that can be used to improve saline-sodic soil. However, contamination risk of heavy metals for cycling utilization of DS in agriculture was concerned mostly. Both pot and field experiments were conducted for evaluating the potential pollution risk of DS as the amendment of saline-sodic soil. Results showed that application of DS decreased the contents of Cd, Cu, Zn, and Pb, while significantly increasing chromium (Cr) content in DS-amended soils. The field experiment demonstrated that the migration of heavy metals (Cd, Zn, Cu, and Pb) in the soil profile was negligible. The application of DS at the dosage of 22.5–225 tons/ha significantly increased the Cr content in alfalfa (Medicago sativa L.) but lower than the national standard for feed in China (GB 13078-2017). DS altered the chemical fraction of heavy metals (Zn, Cu, and Pb), transferred exchangeable, reducible into oxidizable and residual forms in DS-amended soil. Application of DS combined with fulvic acid (FA) could effectively reduce the movement of heavy metals in soil and the accumulation of Cr in alfalfa. Based on our results, DS was a safe and feasible material for agricultural use and presented relatively little pollution risk of heavy metals. However, the results also showed that DS to a certain extent had a potential environmental risk of Cr if larger dosages of DS were used.
作者简介
第一作者
孔繁艺 博士研究生
浙江大学水资源与环境研究所在读博士生，主要研究方向为土壤污染控制与修复。已在Science of the Total Environment、Environmental Pollution、Chemosphere、Journal of Environmental Sciences、Environmental Science and Pollution Research等国际刊物上发表学术论文6篇。
通讯作者
卢升高 教授
浙江大学环境与资源学院教授、博士生导师，主要研究方向为土壤改良、土壤污染治理与修复。先后主持国家自然科学基金项目9项，主持国家重点研发项目课题。发表论文70余篇，专著三本，主编国家规划教材《环境生态学》，参编教材3部，博士论文获2001年全国百篇优秀博士论文，获浙江省自然科学奖二等奖等。
原文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1001074222002509
引用格式
Fanyi Kong, Yuqian Ying, Shenggao Lu, 2023. Heavy metal pollution risk of desulfurized steel slag as a soil amendment in cycling use of solid wastes. J. Environ. Sci. 127, 349-360.
