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烟气脱硫石膏应用 减少农田磷流失

烟气脱硫石膏是燃煤电厂废气脱硫的副产物。在湿法脱硫过程中,以石灰石为脱硫剂,通过向吸收塔内喷入脱硫剂浆液,与烟气充分接触混合并洗涤,使得烟气中的SO2与浆液中的CaCO3以及鼓入的强氧化空气反应,生成比矿物石膏粒径更细匀、更高纯度的烟气脱硫石膏(CaSO4•2H2O)。2010年,我国燃煤电厂脱硫产生的烟气脱硫石膏约为0.523亿吨,其中69%被回用;累积库存0.8亿吨。                       
尽管相关环境问题的研究仍在继续,特别是烟气脱硫石膏中重金属对土壤、植物和水质潜在影响的研究,但大量相关研究均表明烟气脱硫石膏施用造成的二次环境污染效应微乎其微。
烟气脱硫石膏在控制农田P流失上有良好的效果,其机理主要是:(1)增加土壤渗透性,减少农田径流,和(2)增加土壤对磷的吸持能力,减少TP和可溶性P的流失。
(1)改善土壤结构,减少农田径流
当土壤的pH值为中性时,石膏的溶解度比石灰石高200倍。石膏的溶解度允许钙和硫从土壤表面向根部区域移动,可以改善土壤理化性质,促使土壤聚合,增加土壤渗透性(如下图)。例如在盐碱土壤中掺入含有大量Ca的烟气脱硫石膏后,由于 Ca2+ 比 Na+ 对土壤中胶体粒的吸附能力强,原已吸附的 Na+ 会和土壤溶液中的 Ca2+ 发生离子交换。含 Ca2+ 胶体微粒的外层不吸附水分子,土壤胶体微粒自己能互相靠近而聚团,形成团粒结构,增强土壤的渗透性和通气性,减少土壤侵蚀和水土流失。同时 Na+ 被置换下来后形成的 Na2SO4 可随水移动排除出土壤,降低碱化土壤的盐碱度。

烟气脱硫石膏改变土壤物理特性(上图)和增加土壤水渗透性(下图)

 

  (2)增加土壤对磷的吸持能力,减少P的流失

化学固定是磷肥施入土壤后最常发生的固定作用,即在中性和石灰性土壤中,水溶性磷酸根离子可与碳酸钙(CaCO3)生成难溶性磷酸钙盐。例如在CaCl介质中,土壤对磷的吸持量大约自pH6以后显著增加。按溶积度计算结果表明,在pH6以上可能有CaHPO4CaHPO42H2O等硫酸钙类盐沉淀产生。Bertrand等研究了几种钙质土壤,认为高钙质土壤磷吸附决定因素是CaCO3,非钙质碱性土壤磷吸附能力低,沉淀作用是这些土壤保持磷的主要机制。Afif等认为,土壤中施用大量磷肥,磷植物有效性与CaCO3含量呈负相关。Ca对沉积物中的磷也有钝化作用。

 磷的固定作用包括吸附和吸收两个难以截然区分的反应,一般统称为吸持。吸附作用一般是指土壤固相上磷酸根离子浓度高于溶液中磷酸根离子浓度,既磷酸根离子被保持在土壤固相表面的过程;这是一个可逆的过程。吸收作用则是指吸附在土壤固相表面的磷酸根离子部分、均匀的渗入土壤固相内部的现象,是不可逆的化学吸附。

烟气脱硫石膏与土壤中可溶性磷反应,形成一种不可溶的Ca-P复合物:氢氧(羟)磷石灰或氟磷石灰(公式1, 2)。Ca5(PO4)3F中的F为羟基(OH)取代也形成 (Ca5(PO4)3OH)(羟磷石灰)。

来源华东师范大学李小平教授