何 詩(shī)，趙 娜，曾從盛，王維奇

(福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州350007)

0 引 言

農(nóng)業(yè)面源污染是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，氮素和磷素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、農(nóng)藥以及其他有機(jī)或無(wú)機(jī)污染物質(zhì)，通過(guò)農(nóng)田的地表徑流和農(nóng)田滲漏形成的環(huán)境污染［1］。磷酸鹽是農(nóng)業(yè)面源污染的重要污染物之一，因此，如何去除農(nóng)業(yè)廢水中的磷已經(jīng)逐漸受到人們的關(guān)注［2］。有研究表明，爐渣對(duì)磷的吸附具有很高的有效性［3-8］，但當(dāng)前的研究主要是通過(guò)室內(nèi)的吸附實(shí)驗(yàn)，原位的試驗(yàn)研究甚少?；诖耍狙芯恐饕接憼t渣在原位稻田水磷去除過(guò)程中的應(yīng)用，若可取得良好效果，不僅有助于新型價(jià)廉高效的吸附材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，也將減輕鋼鐵工業(yè)固體廢物的問(wèn)題，更重要的是可填補(bǔ)爐渣在稻田水磷去除過(guò)程中的應(yīng)用研究的不足。我國(guó)水稻生產(chǎn)的肥料利用率低，使得農(nóng)業(yè)灌溉排水造成河流和湖泊污染風(fēng)險(xiǎn)提高，河流和湖泊污染中60% ～70%是該原因?qū)е碌模?］。福建農(nóng)田磷養(yǎng)分盈余較高，超過(guò)農(nóng)田磷平衡盈余的閾值，可能引起磷對(duì)環(huán)境的潛在威脅［10］。因此，選擇本區(qū)域稻田進(jìn)行研究具有明顯的代表性。本文在闡述爐渣施加后稻田水中磷酸鹽的時(shí)間變化的基礎(chǔ)上，分析和探討了在我們的實(shí)驗(yàn)中爐渣在稻田水中磷酸鹽去除中實(shí)效性問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)除了其多孔結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分外，pH 和溫度的升高也可能是其去除磷酸鹽的主要原因，并針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了討論。

1 爐渣在稻田廢水磷去除中的可行性

基質(zhì)對(duì)溶質(zhì)的吸附分為物理吸附和化學(xué)吸附，物理吸附指吸附質(zhì)和吸附劑分子間作用力所引起，也叫范德華吸附，它是分子間的引力所引起的吸附，一般物理吸附結(jié)合能力較弱，吸附和解析速度較快，被吸附的物質(zhì)也較容易解析出來(lái)，物理吸附與吸附劑的性質(zhì)和表面積的大小有關(guān)［3］。爐渣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了其比表面積比土壤顆粒的比表面積大，爐渣是多孔結(jié)構(gòu)，因此吸附質(zhì)更容易與爐渣接觸，從而促進(jìn)吸附，土壤對(duì)磷酸鹽的吸附主要是以物理吸附為主，爐渣對(duì)磷酸鹽的吸附不僅有物理吸附，還有化學(xué)吸附，爐渣中含有大量的游離的金屬離子如Ca2+、Mg2+，在溶液中磷酸鹽濃度較高時(shí)會(huì)發(fā)生絮凝反應(yīng)［6，11-13］。因此爐渣對(duì)磷具有較高的吸附作用。

2 應(yīng)用實(shí)例分析

2.1 研究區(qū)域與實(shí)驗(yàn)方法

本研究以福州平原的水稻田為研究區(qū)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。選取早稻生長(zhǎng)季進(jìn)行鐵爐渣對(duì)稻田灌溉水磷去除的實(shí)驗(yàn)。鐵爐渣施加濃度分別為2、4 和8 Mg/hm2，并通過(guò)流動(dòng)注射分析儀測(cè)定磷含量的變化，原位pH 采用IQ150 pH 計(jì)測(cè)定。與此同時(shí)，室內(nèi)模擬在pH 為7和9 的條件下，2g 土壤對(duì)20、40、60、80、120、140、160、180、200 ml/L 的初始濃度的磷的去除效率。

2.2 鐵爐渣對(duì)稻田上覆水磷的去除效率

磷素在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也很重要，雖然土壤對(duì)磷素有一定的吸附作用，但是在降水和灌溉的作用下，磷素會(huì)通過(guò)大孔系下滲進(jìn)入水體，對(duì)水體造成污染。所以有效地控制農(nóng)業(yè)水的磷含量具有重要意義。本研究結(jié)果表明，不同處理稻田水中磷酸鹽含量在水稻移栽第29 d 之前含量較小，29 d 以后逐漸增大(見(jiàn)圖1);對(duì)照樣地、2、4、8 Mg/hm2的稻田水中磷酸鹽含量平均值分別為(657.27 ±174.94)、(622.2 ±161.51)、(546.8 ±133.24)、(474.1 ±119.50)μg/L，表現(xiàn)為對(duì)照樣地＞2Mg/hm2＞4 Mg/hm2＞8 Mg/hm2。爐渣的施加減少了稻田水磷酸鹽的含量，施加8 Mg/hm2爐渣樣地比對(duì)照樣地含量減少了27.8%。

圖1 爐渣施加對(duì)稻田灌溉水磷含量的影響

2.3 鐵爐渣對(duì)稻田上覆水磷的去除機(jī)制

本實(shí)驗(yàn)選用的爐渣中，F(xiàn)e2O3、MgO、CaO 和Al2O3的含量分別為4.8%、0.6%、34.9%和11.2%，其施加相當(dāng)于增加了吸附過(guò)程中的活性物質(zhì)，與此同時(shí)，爐渣多孔的結(jié)構(gòu)也是其可以去除磷的原因(見(jiàn)圖2)。此外，因?yàn)闋t渣是一種堿性物質(zhì)，其施加后稻田水的pH有所提高(見(jiàn)圖3)，可能是隨著pH 升高，爐渣表面的活性物質(zhì)如Ca2+、Fe3+、Mg2+與溶液中的OH－發(fā)生反應(yīng)生成沉淀，從而提高對(duì)磷的吸附(見(jiàn)圖4)［14-15］。從爐渣去除稻田水中磷的效率的時(shí)間變化看，隨著水稻移栽時(shí)間增加而提高，這與環(huán)境溫度的不斷升高密切相關(guān)。因?yàn)闇囟壬邥r(shí)，不僅使磷酸鹽克服爐渣周?chē)后w阻力增強(qiáng)，而且有利于爐渣表面吸附的磷酸鹽沿著爐渣的微孔向內(nèi)部遷移，使可供吸附的爐渣表面有更多的吸附位點(diǎn)，從而提高吸附能力［16］。

圖2 爐渣內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖3 爐渣施加對(duì)稻田灌溉水pH 的影響

圖4 pH 對(duì)磷去除率的影響

3 結(jié) 語(yǔ)

鐵爐渣是鋼鐵工業(yè)的廢棄物，具有價(jià)格便宜和應(yīng)用方便等優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)鐵爐渣磷去除技術(shù)在稻田磷去除研究中的應(yīng)用進(jìn)行了初步的探索，發(fā)現(xiàn)鐵爐渣在作為磷去除底物的過(guò)程中不僅是因?yàn)槠湮镔|(zhì)組成和多孔結(jié)構(gòu)，其施加后pH 的升高，增加活性物質(zhì)含量進(jìn)而影響著磷含量以及生長(zhǎng)季溫度的升高對(duì)磷去除的影響也可能是其控制磷去除效率的主要機(jī)制。目前，關(guān)于鐵爐渣磷去除技術(shù)在稻田中的應(yīng)用研究還不是很多，在今后的研究中有待對(duì)鐵爐渣磷去除的有效性和環(huán)境效應(yīng)作進(jìn)一步的探討，以期使之成為稻田磷去除的有效技術(shù)手段。

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