不同種類精礦焚燒對土壤鈣鎂鐵鋁的影響

不同種類精礦焚燒對土壤鈣鎂鐵鋁的影響

根據(jù)上述對象，對土壤硅素進行了室內培養(yǎng)模擬試驗，以產生五種類型的礦物渣。結果表明，物理函數(shù)可以很好地描述土硅素釋放的動態(tài)特征。利用廢水可以顯著提高水田土硅素的釋放率，增加土硅素的釋放量，提高土壤溶液的ph值，并與土壤溶液ph和127天的硅素積累密切相關。本文在此基礎上研究了施用廢渣對土壤鈣、鎂、鐵、鋁釋放的影響,以了解影響硅素釋放的相關因子,并為工礦廢渣的農業(yè)利用提供進一步的理論依據(jù)。1供試樣品及方法本研究選用的工礦廢渣為高爐渣(A、B和F)、粉煤灰(H)和金剛石礦渣(J)。5種廢渣的主要化學成份及其它重金屬含量詳見后文表2和表3。依據(jù)中華人民共和國農用粉煤灰中污染物控制標準(GB8173-87),判斷5種供試廢渣適量地應用于農業(yè)生產是安全的。供試土壤取自沈陽市于洪區(qū),為壤質草甸土,土壤基本理化性質詳見后文表1。試驗設6個處理,方法同后文。適時取樣,測定上清液中鈣、鎂、鐵、鋁的濃度,以探討施用廢渣后鈣、鎂、鐵、鋁的溶出情況及其與硅素釋放的相關性。2影響硅溶出的因素后文報道了施用廢渣后土壤的硅素釋放速率提高、硅素累積釋放量增加的試驗結果。但值得注意的是,供試廢渣的性質較為復雜,其不僅含有豐富的可溶性硅,還含有大量的鈣、鎂、鐵、鋁等成份,顯然這些金屬離子的溶出很有可能會影響硅的溶出。為此,本文在測定土壤平衡液(上清液)中硅素含量的同時,還測定其中Ca、Mg、Fe、Al的含量,以探討施用廢渣對土壤Ca、Mg、Fe、Al等離子溶出情況的影響及其與硅釋放溶出的關系。2.1鈣、鎂的溶出及其與硅素釋放特性的關系2.1.1土壤鈣的累積釋放量與初始釋放速率的關系圖1是鈣的累積釋放量動態(tài)變化的測定結果。由圖可知,各處理土壤鈣素的釋放速率隨時間的延長而逐漸變緩。在連續(xù)培養(yǎng)過程中,A、B、F、J四個處理的鈣素累積釋放量在任一時段均明顯高于對照,其中尤以A和F兩處理表現(xiàn)最為明顯,但H處理卻低于對照?？梢哉f,施用A、B、F和J四種廢渣后,土壤平衡液中的Ca含量明顯增加,增加部分可能來自施入的廢渣,還有一部分則可能是土壤受到廢渣作用而額外釋放出來的。致于施用粉煤灰(H)后鈣的溶出量反而降低,這可能是由于粉煤灰的溶解性較差、釋放出的Ca較少,且其高活性物質成分含量高、吸附性能較強,致使一部分由土壤中釋放出來的Ca被吸附所致;另外,粉煤灰中溶出的其他一些金屬離子還可能與Ca發(fā)生絡合反應,從而減少了土壤平衡液中Ca的數(shù)量。對鈣的累積釋放量的時間過程進行擬合,結果表明這一過程均可以用方程yCa=kCaxmCa表達(表1);其中,yCa為鈣的累積釋放量(Ca2+,mgkg-1土);x為培養(yǎng)時間(d);kCa為常數(shù),表征初始釋放速率的大小;mCa為釋放速率變化系數(shù),是一個常數(shù),它的大小決定著鈣的釋放動力學曲線的形狀。由表1可知,各處理鈣的累積釋放量的時間過程可以用冪函數(shù)很好地進行表達。對各處理硅素累積釋放曲線方程的參數(shù)kSi與鈣素累積釋放曲線方程中的參數(shù)kCa進行相關分析。由圖2可知,硅、鈣兩元素的累積釋放曲線方程參數(shù)kSi和kCa之間呈極顯著直線正相關關系(r=0.979,r0.01=0.917,n=6)。如前文所述,參數(shù)k能夠表征初始釋放速率的大小;kSi和kCa關系密切,說明施用廢渣后土壤硅素和鈣素的初始釋放速率間存在著極顯著線性正相關關系。由此推斷,供試廢渣(尤其是F渣)中的可溶性硅可能有很大一部分是和鈣結合在一起而被共同溶解和釋放出來的。2.1.2土壤中鎂的累積釋放量由圖3可知,各處理Mg的累積釋放量隨時間的延長而增加,但各處理累積釋放量增加的趨勢并不相同。在培養(yǎng)的前30天,CK處理Mg的累積釋放量高于其它各施廢渣處理,此后其Mg的累積釋放量增加趨于平緩,而A、F兩處理的累積釋放量繼續(xù)增加以致高于CK。在整個培養(yǎng)期內,B、H和J三處理的Mg累積釋放量都低于CK,但隨時間的延長,B、H處理與CK的差距有縮小的趨勢。也就是說,5種廢渣中雖然都含有較多的鎂,但溶出的速度較慢,以致在培養(yǎng)初期各施廢渣處理土壤平衡液中Mg的濃度不但沒有增加,反而降低了;這可能是由于施用廢渣改變了土壤的pH條件及土壤中其它一些可溶性離子的含量,從而抑制了土壤中Mg的釋放所致。另外,如表2所示各處理鎂的累積釋放量的時間過程也可以用冪函數(shù)yMg=kMgxmMg表達。不過研究發(fā)現(xiàn)與鈣不同,各處理硅、鎂釋放動力學方程參數(shù)kSi和kMg間并無明顯相關性。因此可以推斷,供試廢渣中的可溶性硅與可溶性鎂之間關系可能不緊密;或者說溶液中Mg含量并不能明顯地影響土壤硅素的溶解與釋放。另一方面,鈣鎂累積釋放量之和與硅素累積釋放量間的卻存在著極顯著的冪函數(shù)正相關關系(圖4),可以用方程ySi=kCa,MgxmCa,Mg表達(表3)。其中,y為硅素累積釋放量(SiO2,10-4molkg-1土),x為鈣鎂累積釋放量之和(Ca2++Mg2+,10-6molkg-1土)。可以認為,雖然Mg不如Ca能顯著影響硅素的釋放與溶解,但Ca和Mg之間存在著復雜的數(shù)量關系,它們共同作用確實顯著地影響著硅素的釋放。2.2危害水稻的金屬離子由于廢渣中含有相對較多的鐵和鋁,且水田土壤長期處于淹水還原條件,所以可能易造成鐵、錳、鋁等對水稻的毒害。另外,金屬離子的釋放溶出過程,也可能會影響到土壤中硅的釋放。為此,這里根據(jù)培養(yǎng)試驗的土壤平衡液中鐵、鋁含量測定數(shù)據(jù),探討施用廢渣后土壤鐵、鋁溶出與釋放特點及其對硅溶出的影響。2.2.1廢棄物對土壤溶液的溶解由圖5可知,隨時間的延長,各處理鐵的累積釋放量逐漸增加。培養(yǎng)的前80天,A、F、J三個處理的鐵累積釋放量均低于CK,而B、H兩處理則與CK接近或略高于CK。培養(yǎng)80天以后,J處理Fe的累積釋放量逐漸增加并超過CK。培養(yǎng)127天后,J處理累積釋放Fe的數(shù)量最多,其次為B、H、CK三個處理,而A、F兩處理最低。也就是說,除金剛石礦渣J外,施入到土壤中的廢渣盡管本身含有較多的鐵,但并沒有增加土壤溶液中所溶解的鐵的數(shù)量;而且施用A或F后,土壤溶液中鐵的含量反而大大降低。這可能是由于廢渣的施用提高了土壤pH,從而降低了鐵的溶解性所致。這與TakuhitoNozoe等提出的高pH條件能夠延遲土壤中Fe2+溶解、抑制Fe3+還原的觀點是不矛盾的。而且,廢渣中溶出的Si也可能與Fe絡合從而降低了平衡液中的Fe的可溶性。另外,A、F兩處理Fe的累積釋放量在整個培養(yǎng)過程中都低于對照,增加的速率也較CK緩慢;且二者之間的差異隨時間延長而逐漸縮小,直至培養(yǎng)127天時,兩處理Fe的累積釋放量已經十分接近。說明與廢渣F相比,廢渣A的溶解緩慢,或者說其與土壤相互作用的速度較慢;這與前面分析Si、Ca溶解特性得出的結論是一致的。各處理鐵的累積釋放量的時間變化曲線仍然可以用冪函數(shù)yFe=kFexmFe表達(表4),但各處理方程參數(shù)與其硅素釋放動力學曲線方程參數(shù)間無顯著相關性,即廢渣中的硅可能不是與鐵結合而共同存在的,或者說溶液中鐵含量的多少并不顯著影響硅的溶解與釋放。2.2.2鐵、鋁的累積釋放量對土壤鋁活性的影響由圖6可知,隨時間的延長各處理鋁的累積釋放量不斷增加,但A、F兩處理增加較為緩慢。除B處理在培養(yǎng)初期略高于對照CK外,在整個培養(yǎng)期內其它各施廢渣處理的鋁的釋放量均低于CK,尤以A、F兩處理最為明顯,且A、F兩處理間差異不大。這說明施用廢渣同樣沒有增加土壤溶液中Al的數(shù)量,而且在一定程度上還可能降低了土壤中鋁的活性。另外,各處理鋁的累積釋放量-時間過程也可以用冪函數(shù)yAl=kAlxmAl很好地表達(表5)。總之,各處理鋁素釋放特性的差異可能是由廢渣本身的性質(鋁含量的多少及其存在形態(tài)等)及其與土壤之間的復雜作用所導致的,其機理有待進一步研究。盡管溶液中鐵含量或鋁含量的多少與硅的數(shù)量關系并不密切,但鐵、鋁二者累積釋放量之和與硅素累積釋放量之間即呈極顯著的直線正相關關系(圖7),可以用方程ySi=aFe,Alx+bFe,Al表達(表6)。其中y為硅素累積釋放量(SiO2,10-4molkg-1土),x為鐵鋁累積釋放量之和(Fe3++Al3+,10-5molkg-1土)。也就是說,無論Ca、Mg還是Fe、Al,它們共同對硅素的溶解與釋放產生影響;不同種類廢渣中與硅作用的陽離子類型可能不同,從而影響其中硅素的有效性。3含硅廢水的工業(yè)廢水處理對鐵鋁發(fā)酵的影響室內連續(xù)培養(yǎng)模擬試驗結果表明:方程可以很好地描述土壤鈣、鎂、鐵、鋁釋放的動力學特征,Si釋放動力學方程中的參數(shù)kSi與Ca釋放動力學方程中的參數(shù)kCa間呈極顯著直線正相關;硅素累積釋放量與鈣鎂累積釋放量之和間存在極顯著的冪函數(shù)正相關關系,硅素累積釋放量與鐵鋁累積釋放量之和間存在極顯著的直線正相關關系。綜上所述,施用含硅廢渣不僅可以增加土壤硅的釋放,還能降低土壤中鐵、鋁的活性,高爐渣A和高爐渣F這樣的工業(yè)