不同种类精矿焚烧对土壤钙镁铁铝的影响

不同种类精矿焚烧对土壤钙镁铁铝的影响

根据上述对象，对土壤硅素进行了室内培养模拟试验，以产生五种类型的矿物渣。结果表明，物理函数可以很好地描述土硅素释放的动态特征。利用废水可以显著提高水田土硅素的释放率，增加土硅素的释放量，提高土壤溶液的ph值，并与土壤溶液ph和127天的硅素积累密切相关。本文在此基础上研究了施用废渣对土壤钙、镁、铁、铝释放的影响,以了解影响硅素释放的相关因子,并为工矿废渣的农业利用提供进一步的理论依据。1供试样品及方法本研究选用的工矿废渣为高炉渣(A、B和F)、粉煤灰(H)和金刚石矿渣(J)。5种废渣的主要化学成份及其它重金属含量详见后文表2和表3。依据中华人民共和国农用粉煤灰中污染物控制标准(GB8173-87),判断5种供试废渣适量地应用于农业生产是安全的。供试土壤取自沈阳市于洪区,为壤质草甸土,土壤基本理化性质详见后文表1。试验设6个处理,方法同后文。适时取样,测定上清液中钙、镁、铁、铝的浓度,以探讨施用废渣后钙、镁、铁、铝的溶出情况及其与硅素释放的相关性。2影响硅溶出的因素后文报道了施用废渣后土壤的硅素释放速率提高、硅素累积释放量增加的试验结果。但值得注意的是,供试废渣的性质较为复杂,其不仅含有丰富的可溶性硅,还含有大量的钙、镁、铁、铝等成份,显然这些金属离子的溶出很有可能会影响硅的溶出。为此,本文在测定土壤平衡液(上清液)中硅素含量的同时,还测定其中Ca、Mg、Fe、Al的含量,以探讨施用废渣对土壤Ca、Mg、Fe、Al等离子溶出情况的影响及其与硅释放溶出的关系。2.1钙、镁的溶出及其与硅素释放特性的关系2.1.1土壤钙的累积释放量与初始释放速率的关系图1是钙的累积释放量动态变化的测定结果。由图可知,各处理土壤钙素的释放速率随时间的延长而逐渐变缓。在连续培养过程中,A、B、F、J四个处理的钙素累积释放量在任一时段均明显高于对照,其中尤以A和F两处理表现最为明显,但H处理却低于对照。可以说,施用A、B、F和J四种废渣后,土壤平衡液中的Ca含量明显增加,增加部分可能来自施入的废渣,还有一部分则可能是土壤受到废渣作用而额外释放出来的。致于施用粉煤灰(H)后钙的溶出量反而降低,这可能是由于粉煤灰的溶解性较差、释放出的Ca较少,且其高活性物质成分含量高、吸附性能较强,致使一部分由土壤中释放出来的Ca被吸附所致;另外,粉煤灰中溶出的其他一些金属离子还可能与Ca发生络合反应,从而减少了土壤平衡液中Ca的数量。对钙的累积释放量的时间过程进行拟合,结果表明这一过程均可以用方程yCa=kCaxmCa表达(表1);其中,yCa为钙的累积释放量(Ca2+,mgkg-1土);x为培养时间(d);kCa为常数,表征初始释放速率的大小;mCa为释放速率变化系数,是一个常数,它的大小决定着钙的释放动力学曲线的形状。由表1可知,各处理钙的累积释放量的时间过程可以用幂函数很好地进行表达。对各处理硅素累积释放曲线方程的参数kSi与钙素累积释放曲线方程中的参数kCa进行相关分析。由图2可知,硅、钙两元素的累积释放曲线方程参数kSi和kCa之间呈极显著直线正相关关系(r=0.979,r0.01=0.917,n=6)。如前文所述,参数k能够表征初始释放速率的大小;kSi和kCa关系密切,说明施用废渣后土壤硅素和钙素的初始释放速率间存在着极显著线性正相关关系。由此推断,供试废渣(尤其是F渣)中的可溶性硅可能有很大一部分是和钙结合在一起而被共同溶解和释放出来的。2.1.2土壤中镁的累积释放量由图3可知,各处理Mg的累积释放量随时间的延长而增加,但各处理累积释放量增加的趋势并不相同。在培养的前30天,CK处理Mg的累积释放量高于其它各施废渣处理,此后其Mg的累积释放量增加趋于平缓,而A、F两处理的累积释放量继续增加以致高于CK。在整个培养期内,B、H和J三处理的Mg累积释放量都低于CK,但随时间的延长,B、H处理与CK的差距有缩小的趋势。也就是说,5种废渣中虽然都含有较多的镁,但溶出的速度较慢,以致在培养初期各施废渣处理土壤平衡液中Mg的浓度不但没有增加,反而降低了;这可能是由于施用废渣改变了土壤的pH条件及土壤中其它一些可溶性离子的含量,从而抑制了土壤中Mg的释放所致。另外,如表2所示各处理镁的累积释放量的时间过程也可以用幂函数yMg=kMgxmMg表达。不过研究发现与钙不同,各处理硅、镁释放动力学方程参数kSi和kMg间并无明显相关性。因此可以推断,供试废渣中的可溶性硅与可溶性镁之间关系可能不紧密;或者说溶液中Mg含量并不能明显地影响土壤硅素的溶解与释放。另一方面,钙镁累积释放量之和与硅素累积释放量间的却存在着极显著的幂函数正相关关系(图4),可以用方程ySi=kCa,MgxmCa,Mg表达(表3)。其中,y为硅素累积释放量(SiO2,10-4molkg-1土),x为钙镁累积释放量之和(Ca2++Mg2+,10-6molkg-1土)。可以认为,虽然Mg不如Ca能显著影响硅素的释放与溶解,但Ca和Mg之间存在着复杂的数量关系,它们共同作用确实显著地影响着硅素的释放。2.2危害水稻的金属离子由于废渣中含有相对较多的铁和铝,且水田土壤长期处于淹水还原条件,所以可能易造成铁、锰、铝等对水稻的毒害。另外,金属离子的释放溶出过程,也可能会影响到土壤中硅的释放。为此,这里根据培养试验的土壤平衡液中铁、铝含量测定数据,探讨施用废渣后土壤铁、铝溶出与释放特点及其对硅溶出的影响。2.2.1废弃物对土壤溶液的溶解由图5可知,随时间的延长,各处理铁的累积释放量逐渐增加。培养的前80天,A、F、J三个处理的铁累积释放量均低于CK,而B、H两处理则与CK接近或略高于CK。培养80天以后,J处理Fe的累积释放量逐渐增加并超过CK。培养127天后,J处理累积释放Fe的数量最多,其次为B、H、CK三个处理,而A、F两处理最低。也就是说,除金刚石矿渣J外,施入到土壤中的废渣尽管本身含有较多的铁,但并没有增加土壤溶液中所溶解的铁的数量;而且施用A或F后,土壤溶液中铁的含量反而大大降低。这可能是由于废渣的施用提高了土壤pH,从而降低了铁的溶解性所致。这与TakuhitoNozoe等提出的高pH条件能够延迟土壤中Fe2+溶解、抑制Fe3+还原的观点是不矛盾的。而且,废渣中溶出的Si也可能与Fe络合从而降低了平衡液中的Fe的可溶性。另外,A、F两处理Fe的累积释放量在整个培养过程中都低于对照,增加的速率也较CK缓慢;且二者之间的差异随时间延长而逐渐缩小,直至培养127天时,两处理Fe的累积释放量已经十分接近。说明与废渣F相比,废渣A的溶解缓慢,或者说其与土壤相互作用的速度较慢;这与前面分析Si、Ca溶解特性得出的结论是一致的。各处理铁的累积释放量的时间变化曲线仍然可以用幂函数yFe=kFexmFe表达(表4),但各处理方程参数与其硅素释放动力学曲线方程参数间无显著相关性,即废渣中的硅可能不是与铁结合而共同存在的,或者说溶液中铁含量的多少并不显著影响硅的溶解与释放。2.2.2铁、铝的累积释放量对土壤铝活性的影响由图6可知,随时间的延长各处理铝的累积释放量不断增加,但A、F两处理增加较为缓慢。除B处理在培养初期略高于对照CK外,在整个培养期内其它各施废渣处理的铝的释放量均低于CK,尤以A、F两处理最为明显,且A、F两处理间差异不大。这说明施用废渣同样没有增加土壤溶液中Al的数量,而且在一定程度上还可能降低了土壤中铝的活性。另外,各处理铝的累积释放量-时间过程也可以用幂函数yAl=kAlxmAl很好地表达(表5)。总之,各处理铝素释放特性的差异可能是由废渣本身的性质(铝含量的多少及其存在形态等)及其与土壤之间的复杂作用所导致的,其机理有待进一步研究。尽管溶液中铁含量或铝含量的多少与硅的数量关系并不密切,但铁、铝二者累积释放量之和与硅素累积释放量之间即呈极显著的直线正相关关系(图7),可以用方程ySi=aFe,Alx+bFe,Al表达(表6)。其中y为硅素累积释放量(SiO2,10-4molkg-1土),x为铁铝累积释放量之和(Fe3++Al3+,10-5molkg-1土)。也就是说,无论Ca、Mg还是Fe、Al,它们共同对硅素的溶解与释放产生影响;不同种类废渣中与硅作用的阳离子类型可能不同,从而影响其中硅素的有效性。3含硅废水的工业废水处理对铁铝发酵的影响室内连续培养模拟试验结果表明:方程可以很好地描述土壤钙、镁、铁、铝释放的动力学特征,Si释放动力学方程中的参数kSi与Ca释放动力学方程中的参数kCa间呈极显著直线正相关;硅素累积释放量与钙镁累积释放量之和间存在极显著的幂函数正相关关系,硅素累积释放量与铁铝累积释放量之和间存在极显著的直线正相关关系。综上所述,施用含硅废渣不仅可以增加土壤硅的释放,还能降低土壤中铁、铝的活性,高炉渣A和高炉渣F这样的工业