碱性工业固废堆存对周边环境的危害分析及应对措施.pdf

问题探讨292024,Vol.62,No.2292024,Vol.62,No.2收稿日期：2024-02-23作者简介：祝晶晶，女，工程师，主要从事钢铁渣处理及利用研究。碱性工业固废堆存对周边环境的危害分析及应对措施祝晶晶1,2,3，吕存根1,2,3，夏春1,2,3（1.中冶节能环保有限责任公司 北京 100088；2.中冶建筑研究总院有限公司 北京 100088；3.钢铁工业环境保护国家重点实验室 北京 100088）摘要：碱性大宗工业固废产量巨大且利用率低，导致堆存量大，高达数十亿吨。本文综述了钢铁渣、电石渣、粉煤灰、赤泥几种大宗碱性工业固废的产生以及堆存后对周边生态环境污染和危害，并对碱性大宗工业固废堆存场地的环境风险管控和未来处置利用方向提出了建议，提出碱性工业固废资源化利用及其矿化固碳技术将是未来的产业化发展方向，以期为碱性工业固废处置及综合利用提供参考，减少不规范堆存对周边生态环境的污染。关键词：碱性工业固废；钢铁渣；电石渣；粉煤灰；赤泥；风险管控；矿化固碳中图分类号：TF70文献标识码：B文章编号：1003-0514(2024)02-0029-04Analysis and treatmeng suggestions on the envirinmental impact of alkaline industrial solid waste Zhu Jingjing1,2,3，Lv cungen1,2,3，Xia Chun1,2,3（1.Energy Saving and Environmental Protection，MCCGroup，Co.，Ltd.，Beijing 100088，China；2.Central Research Institute of Building and Construction，MCCGroup，Co.，Ltd.，Beijing 100088，China；3.StateKey Laboratory of Ironand Steel Industry Environmental Protection，Beijing 100088，China）Abstract：The production of alkaline bulk industrial solid waste is huge and the utilization rate is low,resulting in a large stockpile of billions of tons.This article reviews the generation of several bulk alkaline industrial solid waste such as steel slag,carbide slag,fly ash,and red mud,as well as the pollution and harm to the surrounding ecological environment after storage.Suggestions are also made for environmental risk management and future disposal and utilization of alkaline bulk industrial solid waste storage sites.It is proposed that the resource utilization and mineralization carbon fixation technology of alkaline industrial solid waste will be the future direction of industrial development,In order to provide reference for the disposal and comprehensive utilization of alkaline industrial solid waste,and reduce the pollution of non-standard stacking on the surrounding ecological environment.Key words：alkaline industrial solid waste；steel slag；calcium carbide slag；fly ash；red mud；risk control;mineralized carbon sequestration1碱性工业固废的种类碱性工业固体废弃物是工业生产过程中排出的一种固体废渣，其种类有粉煤灰、钢铁渣、赤泥、电石渣等，此类固废因碱土金属或碱金属含量较高而具有较强碱性。本文对几种产生量较大的碱性工业固废进行介绍。bz2402正文.indd 29bz2402正文.indd 292024/4/17 9:35:432024/4/17 9:35:43冶金标准化与质量2024,Vol.62,No.2301.1钢渣钢渣主要来源于金属炉料中各元素被氧化后生成的氧化物及硫化物、被侵蚀的炉衬及炉衬材料、金属炉料带入的杂质以及为调整钢渣性质所加入的造渣材料，如活性石灰、白云石、萤石等。钢渣中富含钙、硅、铁、镁、铝等有价元素。在实际生产过程中，每生产 1 t 粗钢，产生钢渣约 120 140 t，现阶段我国钢渣年产量超过 1 亿 t，因未得到有效利用导致的堆存钢渣超过 10 亿 t。钢渣的密度约3.5 g/cm3，其成分波动较大，原材料、冶炼工艺及冶炼钢种都会对钢渣具体成分具有影响。1.2高炉渣高炉渣是高炉冶炼过程中由矿石中的脉石、燃料中小的灰分和溶剂(一般是石灰石)中的非挥发组分形成的固体废弃物。高炉渣的主要化学成分是 CaO、SiO2、Al2O3和 MgO，其总量一般占 90%以上，次要成分是少量的 MnO、TiO2、S、Na2O 和 K2O。每生产 1 t 铁水，产生高炉渣超过 300 t，现阶段我国高炉渣年产量超过 3 亿 t，高炉渣缓慢冷却后可生成钙黄长石、硅酸二钙、镁方柱石、钙镁橄榄石等的固熔体和玻璃体的矿物，高炉渣的产生数量与矿石品位有关。相对于钢渣而言，高炉渣利用率较高，我国通常是把高炉渣加工成水淬渣、矿渣碎石、膨胀矿渣和膨胀矿渣珠等形式加以利用。1.3电石渣电石渣是一种生产工业聚氯乙烯（PVC）和乙炔（C2H2）的电石水解废料，主要成分为氢氧化钙，可用于生产氧化钙、碳酸钙等化学制品。通过电石法生产乙炔，同时生成 10 t 固含量约 12%的灰褐色浑浊浆液，脱水后即为电石渣，实际生产中，消耗 1 t电石大约产生 1.2 1.8 t 电石渣。我国电石渣年产量约 4 300 万 t，目前累计堆存量已经超过 1 亿 t。含有较低含水量的电石渣和渗滤液具有强碱性，并含有硫化物和磷化物等有害物质。根据国家标准危险废物鉴别标准（GB 5085.7-2019），电石渣属于类一般工业废弃物。电石渣的大量排放和堆积，造成严重的周边环境污染、土地和钙资源的浪费。1.4粉煤灰粉煤灰是火力发电站排放的大宗固体废弃物之一，近年来，全球每年约产生粉煤灰 20 亿 t。其中，中国每年产生量约为 6 亿 t，粉煤灰堆积总量超过 30 亿 t，占地面积达 500 km2以上。国家标准 用于水泥和混凝土中的粉煤灰（GB/T 1596-2005）中定义粉煤灰为电厂煤粉炉烟道气体中收集的粉末，而通常行业内将煤粉炉和循环流化床锅炉中燃烧后的飞灰都称为粉煤灰，国内外的粉煤灰统计也将循环流化床锅炉粉煤灰包含在内。粉煤灰由于煤质、所烧煤的粒度、燃煤锅炉、燃烧温度以及炉内停留时间等条件不同其形态、物理和化学性质方面均有较大的差异。我国粉煤灰的平均密度为2.149 g/cm3，粉煤灰化学成分以 SiO2和 Al2O3为主，其他成分还有 Fe2O3、CaO、K2O、Na2O、SO3及未燃烧尽的有机质（烧失量）。1.5赤泥赤泥是氧化铝工业生产过程中铝矾土矿经一系列物理化学反应后排放出的废弃物，因其外观显红色而得名。赤泥是一类排放量大、处置成本高、大规模资源化利用难度大、对环境影响严重的大宗工业固体废弃物。每生产 1 t 氧化铝，产生赤泥约1.0 1.8 t。我国 2021 年赤泥产生量为 1.2 亿 t，累积赤泥堆存量超过 6 亿 t。赤泥依据氧化铝的生产方式可划分为烧结法赤泥、联合法赤泥和拜耳法赤泥。赤泥粒径极细，比表面积极大，吸附力极高。其密度通常为 2.7 2.9 g/cm3，单一颗粒直径0.088 0.25 mm，比表面积 64.09 186.9 m2/g。赤泥的化学成分主要为 Si、Al、Ca、Fe、Ti、Na、K、Cr 等。2碱性工业固废对生态环境的危害碱性工业固废具有产生量大，利用率低，高碱高盐等特点，据统计，我国碱性工业固废约有40%50%未经利用运往堆场堆积，造成的资源经济价值损失为 250 多亿元。发达国家对于此类固废资源利用率达到了 50%80%，而我国固体废弃物资源利用率只有 30%，并且我国工业固体废物无害化处置与发达国家也相差甚远。各种矿产品位随着工业快速发展不断降低，使得排放含碱工业固体废渣的量越来越大，目前碱性工业固废主要采取堆场干法堆存或筑坝湿法堆存这两种方法，不仅占用了大量的土地，同时对周边环境、地下水和土壤bz2402正文.indd 30bz2402正文.indd 302024/4/17 9:35:432024/4/17 9:35:43问题探讨312024,Vol.62,No.2造成污染，给生态环境造成了极大的危害。因此，含碱工业固体废弃物的综合治理己经成为了我国工业生产中的重点问题之一。钢铁渣是钢铁企业大宗固废之一，其堆存量巨大，占用大量土地资源，易造成场地区域土壤和地下水污染，以及扬尘现象，尤其对周边具有饮用或者农田灌溉功能的区域危害较大，影响周边人群健康和粮食安全。由于场地地下水具有流动性，若发现不及时，可能造成更大面积的地下水污染，引发严重后果。钢铁渣固废堆存污染和遗留待处理废渣问题将已经成为环境违法和中央督察的重点对象。电石渣作为聚氯乙烯和乙炔制造业的固体废弃物，年产量十分庞大，堆存量居高不下。电石渣溶液呈强碱性，大量堆积的电石渣不但会改变原本土壤的酸碱平衡状态，破坏土质；而且长时间的堆积会富集许多有毒有害物质，在雨水的冲刷下，它们随着雨水逐渐渗透，导致地下水被污染，对周围居民的身体健康及生活环境造成严重威胁。电石渣利用率不足也将进一步制约 PVC 和乙炔制造业的发展，所以将其进行综合资源利用已经刻不容缓。粉煤灰作为火力发电站的固体废弃物，每年的产量依然呈现增长趋势。目前，粉煤灰被应用于制砖、制水泥等建筑方面，但利用率都很低，利用量远小于生产量。未被利用的粉煤灰处理方式主要采用传统的填埋及露天堆放，其储存过多不但占据宝贵的土地资源，大量的粉煤灰不加处理，会产生扬尘，污染大气；若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害。留在粉煤灰中的含硫化合物等有毒和有害物质逐步地渗入地下土层，引起严重的污染，逐步扩散，最终对生态环境造成负面影响。赤泥浸滤液的 pH 值通常为 12 14，远超 有色金属工业固体废弃物污染控制标准（GB5058-85）中规定的对废液 pH 排放标准。若这些强碱性浸滤液极易引起土壤盐渍化；赤泥堆库中随赤泥排放量增高赤泥中伴生金属元素不断在土壤中富集，破坏土壤，污染地下水源，且赤泥中的微量放射性元素（铀、钍、镭等）的富集也会威胁周围居民的身体健康；另外，赤泥库通常结构较松散，容易塌陷，雨季来临还会导致溃坝，引发滑坡、泥石流等地质灾害。填海堆存曾是国外处理赤泥的主要方式，后来发现赤泥填海堆存会对海洋生态环境造成严重破坏，因而，该方法被逐渐废除。目前，赤泥主要处置办法仍以陆地堆存为主，分为干式和湿式堆存，我国赤泥大多采用湿式堆存。3碱性工业固废堆存场地建议综上所述，碱性工业固废堆存会对周边环境产生危害，对人民健康造成威胁。从中短期来看，碱性工业固废堆场的风险管控是必不可少的环境保护手段，如采用抽提、阻隔和覆盖等环境风险管控技术等方式，可有效避免污染物在土壤、地下水和大气中的污染扩散，同时解决已被污染地下水的环境问题；从长期来看，实现碱性工业固废高效资源化利用仍将是未来解决固废堆存的较好渠道，除应用于传统建材技术外，钢铁渣在矿山充填、胶凝材料利用和海洋人工鱼礁等方面的发展前景良好；电石渣在处理酸性废水、烟气脱硫等方面具有良好的应用前景；粉煤灰制备陶瓷，赤泥制备环境修复材料例如脱硫剂、吸附剂、絮凝剂、催化剂等都是高价值利用途径。另外，碱性工业固废由于含有较高的Ca、Na、K、Mg 等碱基物质，可与 CO2直接反应起到固碳的作用，在碳捕获与封存（CCS）方面也具有较好的发展前景，将有助于为我国“双碳”发展。3.1碱性工业固废堆存场地的风险管控由于碱性工业固废中的有害物质会随雨水浸溶，强碱性的组分和其它有害物质会通过淋溶方式污染场地的土壤和地下水，因此需要对碱性工业固堆存场地进行风险管控。对于碱性工业固废堆场可通过阻隔或覆盖技术将污染物封存在原地，限制污染物迁移，切断暴露途径，降低污染物的暴露风险，保护环境安全。阻隔技术主要是利用地下阻隔封存污染物流向，覆盖技术也称为表层阻隔，其目的是减少雨水淋溶，阻隔污染物进入地表水或土壤及地下水，通过切断污染物迁移途径，降低污染物风险。对已被污染的地下水可通过抽出-处理技术，将地下水抽提至地面，进入污水处理车间处理合格后再外排的方式。bz2402正文.indd 31bz2402正文.indd 312024/4/17 9:35:432024/4/17 9:35:43冶金标准化与质量2024,Vol.62,No.232同时，按照 一般工业固体废物贮存和填埋（GB 18599-2020）标准规定，需要对堆存场地土壤、地表水和地下水进行长期监测，对相关大量监测数据进行有效分析，掌握堆场周边生态环境质量变化趋势，充分保障环境的安全性。3.2碱性工业固废矿化固碳的发展前景在碳捕获与封存（CCS）领域，矿物碳酸化固定CO2技术是重要的一项组成，利用矿物原料同 CO2气体进行碳酸化反应，得到稳定的固态碳酸盐。天然含钙镁矿物，如橄榄石、蛇纹石等，均可用作矿化固碳的原料。但天然矿石矿化固定 CO2会消耗大量的矿产资源，而工业固体废物(粉煤灰、钢渣、电石渣等)通常含有大量的钙、镁元素，可作为碳酸化所需钙镁离子来源以替代天然矿石对 CO2进行固碳。与天然矿物相比，碱性工业固废具备以下几种优势：碱性工业固废具有钙、镁氧化物含量高，活性高，颗粒小的优势，不需要采矿、研磨等预处理；碱性工业固废（如粉煤灰、钢渣和电石渣）的年产量巨大；工业碱性固废可直接与其生产企业排放的 CO2矿化固碳，可大大降低减排和运输成本，实现就地以废治废的目标。因此，碱性工业固废矿化固定 CO2是一种极具经济价值和工业应用价值的技术。近年来在碱性工业固废矿化固碳领域研究人员进行了大量研究并取得了显著的进展。张亚朋等通过电石渣、钢渣和煤气化粉煤灰三种固废直接碳酸化固碳试验比较发现，CaO 含量是影响 CO2 封存量的关键因素，湿法固碳性能一般优于干法；马卓慧通过将超音速蒸汽磨粉碎后的钢渣与电石渣复配矿化固定 CO2，发现钢渣与电石渣复配后矿化固定 CO2矿化速率加快，矿化效率提高。Huijgen 等对钢渣直接矿化固碳研究表明，与天然矿物相比，采用钢渣矿化所需的温度和压力明显降低，粒度小于 38 m 的钢渣在 100、CO2压力为 1.8 MPa 条件下反应 30 min，钙的转化率可达 74%。伊元荣以白云石尾矿及钢渣和 赤泥为碳捕获剂吸收烟气中的 CO2，在优化工艺条件下白云石尾矿碳捕获可达到 15 20 g/kg，烧结法赤泥碳捕获量为190 230 g/kg，钢渣碳捕获量为 160 200 g/kg，拜耳法赤泥碳捕获量为 18 23 g/kg。高炉渣矿化CO2所需要的条件比钢渣等要苛刻，国内外研究主要以间接矿化为主。4结语由于碱性大宗工业固废（钢铁渣、电石渣、粉煤灰、赤泥等）的产生量巨大、利用率低，导致大量堆存。无法利用的碱性工业固废主要采取堆场堆存方式，不仅占用了大量的土地，渣中的碱和重金属还会改变原本土壤的酸碱平衡状态，污染土壤，如不加处理粉尘会污染大气，经雨水淋溶后渗滤液会污染地下水和河流，给生态环境造成了极大的危害，给周围居民生活健康带来威胁。为解决以上问题，一方面，建议对碱性工业固废堆场进行风险管控，通过阻隔技术阻断污染路径，对已被污染的地下水可通过抽出-处理技术进行治理；通过对堆存场地土壤、地表水和地下水进行长期监测，及时做出预判，保障环境安全。另一方面，建议通过加大碱性工业固废资源化利用率减少堆存量，除传统利用途径外，文中提出碱性工业固废矿化固碳技术是非常具有工业应用价值的技术，具有较高的经济效益、社会效益和环境效益，将是碱性工业固废未来的发展研究方向。欢迎订阅2024年冶金标准化与质量邮发代号：82-805全年订价：168元全国各地邮局均可订阅bz2402正文.indd 32bz2402正文.indd 322024/4/17 9:35:432024/4/17 9:35:43