鋁土礦渣的處置問(wèn)題

自19世紀(jì)后期氧化鋁/鋁工業(yè)興起之時(shí),就不斷有鋁土礦渣產(chǎn)出。2007年,全球產(chǎn)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?jī)?chǔ)存、治理及將大量廢渣作為工業(yè)副產(chǎn)品綜合利用迫在眉睫。C.Klauber綜述了鋁土礦渣當(dāng)前的處置與治理管理實(shí)踐,以及每種工藝對(duì)渣性質(zhì)的影響。自1980年以來(lái),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(qū)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(shù)開(kāi)發(fā)有關(guān)的是要考慮將來(lái)渣的處置及綜合利用。如,高壓蒸汽過(guò)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(zhǎng)期儲(chǔ)存,但更重要的是將來(lái)可以再利用。盡管鋁土礦渣的特點(diǎn)中有一些與環(huán)境有關(guān),但對(duì)于治理與利用(可持續(xù)性)最重要的是它的高堿度和高堿性。穩(wěn)定的堿度是固相與液相相互作用的結(jié)果,而它的堿性則是源于蒸煮時(shí)苛性鈉(NaOH)的使用。

120 a來(lái),鋁土礦渣主要的處置方式是長(zhǎng)期堆存。理想的方法是將這些渣作為工業(yè)副產(chǎn)品再利用,有零廢物產(chǎn)生。對(duì)于此問(wèn)題,已有50多年的研究,有數(shù)百篇文獻(xiàn)和專(zhuān)利發(fā)表,但關(guān)于再利用的有意義的內(nèi)容卻很少。再利用(或適當(dāng)利用)強(qiáng)調(diào)的是以最低風(fēng)險(xiǎn)利用最大量的鋁土礦渣。將來(lái)自氧化鋁冶煉廠的非有害形式(作為副產(chǎn)品)的渣作為另一個(gè)不同領(lǐng)域的給料是最好的利用方式。盡管來(lái)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(chǔ)地點(diǎn)也會(huì)影響它們的用途。影響鋁土礦渣再利用的理由有4點(diǎn):數(shù)量、特性、成本和風(fēng)險(xiǎn),后2點(diǎn)更為重要。對(duì)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(fēng)險(xiǎn)與工藝和大眾的認(rèn)識(shí)有關(guān),也與蘇打、堿度、重金屬和低水平天然放射性物質(zhì)(NORM)的含量有關(guān)。

無(wú)論從降低目前儲(chǔ)存方法對(duì)環(huán)境的影響、遺留成本,還是作為工業(yè)副產(chǎn)品在其他領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)綜合利用方面考慮,詳細(xì)了解鋁土礦渣的復(fù)雜緩沖作用和中和作用仍是提高管理水平的關(guān)鍵。盡管工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)持續(xù)了120 a,但對(duì)鋁土礦渣的性質(zhì)和治理化學(xué)過(guò)程的了解依然很少。C.Klauber等的研究結(jié)果表明,p H在鋁土礦渣的化學(xué)反應(yīng)中是主要影響因素,并且在有多種堿性固體存在時(shí)會(huì)受到強(qiáng)烈緩沖。未經(jīng)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(qiáng)的堿性是鋁土礦渣被劃分為有害物質(zhì)的主要原因。與含鈉物質(zhì)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(yīng)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(shí)會(huì)受到強(qiáng)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(yīng)更加復(fù)雜化,使通過(guò)簡(jiǎn)單的水洗去除堿性不切實(shí)際。這個(gè)化學(xué)過(guò)程同時(shí)也影響鋁土礦渣的物理性質(zhì),如密度,沉降速度,壓縮、滲透系數(shù),干燥速度和除塵反應(yīng)以及干燥后的機(jī)械強(qiáng)度。了解渣的礦物組合中表面電荷的運(yùn)動(dòng)、分布及減少有利于全面了解中和反應(yīng)、成功模擬并最終實(shí)現(xiàn)高效治理。這種治理可以創(chuàng)造條件降低對(duì)環(huán)境的影響,如使植物正常生長(zhǎng)。掌握這些理論就可以建立一個(gè)基于礦物學(xué)和與其表面電荷有關(guān)的鋁土礦渣的中和反應(yīng)模型。

理論上,鋁土礦渣可作為工業(yè)副產(chǎn)品再利用(零排放),但實(shí)際上零排放難于實(shí)現(xiàn)。未來(lái)的任何一種利用最有可能使用的是同一時(shí)期的產(chǎn)品,而已堆存的渣不太可能再被重新獲取,因此對(duì)環(huán)境的危害依然存在。這對(duì)治理能否原地進(jìn)行提出了問(wèn)題,即在常規(guī)處理時(shí)應(yīng)避免創(chuàng)造條件下改變?cè)幕瘜W(xué)反應(yīng)途徑。文章綜述了鋁土礦渣在什么條件下才可以支持一個(gè)可行的生態(tài)系統(tǒng),即復(fù)原到底需要什么樣的條件。已穩(wěn)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(dǎo)電率(EC)<4 m S/cm。這些目標(biāo)與目前典型的鋁土礦渣相去甚遠(yuǎn)。鋁土礦渣是一種濕法冶金工藝的副產(chǎn)品,了解濕法冶金過(guò)程對(duì)鋁土礦渣的影響是成功實(shí)現(xiàn)治理的關(guān)鍵,已明確的是原地修復(fù)很可能不是傳統(tǒng)的濕法冶金技術(shù),而是一種系統(tǒng)的、定向的生物修復(fù)方法。

對(duì)于原地修復(fù)的鋁土礦渣處理區(qū)域,最有前景的方法也許是為含鈉鹽土壤開(kāi)發(fā)抗鹽土植物和嗜堿細(xì)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(duì)鋁土礦渣化學(xué)反應(yīng)和個(gè)別植物特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)不足,實(shí)現(xiàn)土地復(fù)墾有一定局限性。有提議認(rèn)為,關(guān)于生物修復(fù)研究計(jì)劃應(yīng)在充分了解鋁土礦渣化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)上,更嚴(yán)格篩選植物、真菌和微生物。也就是說(shuō),要系統(tǒng)處理非生物和生物方面的問(wèn)題,特別是含鈉鹽土植物的種植將向更嚴(yán)格的環(huán)境中進(jìn)行。利用石膏可以置換來(lái)自鋁土礦渣的Na+,在鹽土植物允許范圍內(nèi)與二價(jià)陽(yáng)離子共同控制p H。鹽土植物產(chǎn)生有機(jī)酸,并促使微生物種群提供H+,在根部增大CO2分壓,促進(jìn)修復(fù)過(guò)程。適當(dāng)排水和添加一些物質(zhì)(有機(jī)廢物,廢水污泥,大量和微量的養(yǎng)分)可以促進(jìn)植物和微生物的生長(zhǎng)。生物修復(fù)是一個(gè)需要多個(gè)周期的過(guò)程,但與典型冶煉廠的生產(chǎn)周期匹配良好。