دانلود رایگان مقاله جنبه های روش شناسی استفاده از خاکستر کوره ذوب آهن
چکیده
خاکستر کوره ذوب آهن (BF) یک محصول از کارخانه های فولاد است. هدف از این مطالعه، بررسی روشهای تجربی برای تعیین ظرفیت جذب فسفر خاکستر BF بود. هدایت خاکستر BF، قبل از استفاده و گرفتگی نیز به همراه برآورد ظرفیت نگهداری فسفر در نظر گرفته شد. آزمایشات تحریک و مقیاس-آزمایشی با استفاده از حلال های پساب و فسفات انجام شد. این تحقیق نشان داد که ظرفیت های جذب به دست آمده توسط آزمایش های پساب به طور قابل توجهی در مقایسه با حلال های فسفات پایین تر بودند. خاکستر تازه BF به طور خلاصه قرار گرفته در معرض رسوب دارای جذب فسفر بالاتر از خاکستر BF بود که نشان دهنده اهمیت هدایت دقیق خاکستر قبل از استفاده بود. به خصوص در طول مرحله بهره برداری اولیه از فیلترهای خاکستر BF, خطر نشت ترکیبات سولفوریک قابل توجه است. موقعیت های بسترهای فیلتر خاکستر BF برای تصفیه پساب باید به دقت از نقطه نظر زیست محیطی انتخاب شوند.
پیش زمینه
سیستم های تصفیه پساب کوچک در محل برای ساختمان های مسکونی در سوئد به طور قابل توجهی تخلیه فسفر، حدود 20٪ از ترشحات ناخالص (SEPA 2003) کمک می نمایند. تخلیه از تصفیه خانه های پساب شهری, تنها حدود 15٪ (SEPA 2003) است، هر چند به اندازه 85٪ (SCB 2004) از جمعیت سوئد به تصفیه خانه های پساب متصل می شوند. سیستم های تصفیه پساب کوچک می توانند توسط مواد فیلتر واکنشی جذب کننده فسفر برای بهبود احتباس فسفر آنها ارتقا یابند. مواد فیلتر واکنشی پیشنهادی برای این منظور، به عنوان مثال، سنگ آهک (Johanson 1999؛ Hill و همکاران، 2000)، opoka (Johansson and Gustafsson 2000)، ولاستونیت (Brooks و همکاران، 2000؛ Hill و همکاران، 2000)، شن و ماسه پوسته (Roseth 2000)، مصالح خاک رس گسترش یافته (لیکا) (Zhu و همکاران، 2003)، خاکستر بادی (Mann و Bavor 1993؛ Johansson 1999)، و خاکستر کوره ذوب آهن (BF) (Yamada و همکاران 1986؛ Sunahara و همکاران 1987) می باشند.
ظرفیت جذب ماده فیلتر، یک پارامتر مهم برای طول عمر برنامه های کاربردی تصفیه خانه پساب است. در طول دهه گذشته، جذب فسفر خاکستر BF به طور گسترده (Lee و همکاران 1997؛ Sakadevan و Bavor 1998؛ Johansson 1999؛ Johansson و Gustafsson 2000؛ Grüneberg و Kern 2001؛ Agyei و همکاران، 2002؛ Khelifi و همکاران، 2002 Cameron و همکاران، 2003؛ Oguz 2004؛ Hylander و همکاران 2005؛. Korkusuz و همکاران، 2005) مطالعه شده است. ظرفیت جذب به دست آمده از این مطالعات تا حد زیادی متفاوت هستند. تغییر نمی تواند تنها با تفاوت بین مواد، به عنوان مثال، خاکستر BF کریستالی و آمورف توضیح داده شود، بلکه توسط تفاوت ها در روشهای تجربی، مانند تحریک در مقابل آزمایشات فیلتر، حلال پساب، محتوای فسفر پساب، زمان تماس، اندازه دانه مواد فیلتر می تواند توضیح داه شود. با توجه به گفته Yamada و همکاران (1986) و Agyei و همکاران (2002), دمای واکنش بالاتر موجب حفظ فسفر بالاتر می شود. یک غلظت فسفر پساب افزایش یافته منجر به افزایش جذب فسفر در هنگام انجام آزمایش های اختلاط می شود (Sunahara و همکاران 1987؛ Agyei و همکاران، 2002). به نظر می رسد غلظت بالاتر نمک در محلول موجب کاهش جذب فسفات در خاکستر BF می شود. Yamada و همکاران (1986) اثر مقدار NaCl بر حفظ فسفر را مورد بررسی قرار دادند و نشان دادند که در غلظت های بالاتر NaCl, جذب فسفر کاهش یافت.
صرفاً به برنامه های کاربردی تصفیه پساب عملی، ظرفیت های جذب فسفر مواد فیلتر مرتبط نیستند, بلکه به جنبه های محیط زیست و دیگر جنبه های عملی، مانند شستشوی ترکیبات خطرناک و گرفتگی فیلتر مرتبط هستند. تا کنون، شسته شدن ترکیبات خطرناک از فیلتر خاکستر BF در برنامه های کاربردی درمان پساب, توجهی را به دست نیاورده است. با این حال، شستشو در استفاده از محصولات جانبی به عنوان مصالح ساختمانی (Tossavainen 2005) در نظر گرفته شده است.
بیشتر آزمایش های انجام شده برای بررسی ظرفیت نگهداری فسفر خاکستر BF, آزمون های آزمایشگاهی (آزمون های تحریک و ستون) با استفاده از حلال های فسفر مصنوعی (Yamada و همکاران 1986؛ Mann and Bavor 1993; Lee et al. 1997; Johansson 1998; Sakadevan and Bavor 1998; Agyei et al. 2002; Khelifi et al.، 2002). با این حال، یافته های پژوهش از آزمایشات با حلال های فسفر مصنوعی (به خصوص آزمایشات تحریک) را نمی توان برای برنامه های کاربردی پساب، به عنوان مثال، تفاوت های هیدرولیک و یون های رقابتی تعمیم داد. این یافته ها تنها می توانند به یک مقایسه بین بهره وری مواد مختلف منجر شوند. مطالعات اضافی خاکستر BF بارگذاری شده با پساب, برای ارزیابی مناسب بودن آن به عنوان یک محیط فیلتر برای تصفیه پساب مد نظر هستند. علاوه بر این، جنبه های زیست محیطی و عملی استفاده از خاکستر BF باید روشن شود. ارزیابی روش های تجربی مختلف نیز برای درک بهتر این مورد که چگونه نتایج آزمایشگاهی تجربی باید برای طراحی سیستم ها در مقیاس کامل تفسیر شوند مد نظر است.
اهداف و محدوده
هدف از این مطالعه, بررسی روش های مختلف تجربی برای تعیین ظرفیت جذب فسفر از خاکستر BF بود. علاوه بر این، جنبه های عملی، مانند گرفتگی، هدایت خاکستر BF قبل از استفاده و کیفیت پساب خروجی، برای استفاده از خاکستر BF در برنامه های کاربردی درمان پساب بررسی قرار گرفت. علاوه بر این، ظرفیت های جذب فسفر خاکستر کوره در تماس با محلول فسفات مصنوعی و پساب شهری انجام شد. جنبه های زیست محیطی استفاده از خاکستر کوره در برنامه های کاربردی درمان پساب مورد بحث قرار گرفت.
آزمایشات تحریک و یک مطالعه در مقیاس آزمایشی با جریان افقی در این تحقیق انجام شد. هر دوی حلال های پساب شهری و حلال های فسفر مصنوعی در این آزمایش مورد استفاده قرار گرفتند. خاکستر کوره ذوب آهن بلور در سنین مختلف در کارخانه فولاد SSAB در Luleå، سوئد جمع آوری شد.
مواد و روش ها
مصالح
خاکستر کوره ذوب آهن
خاکستر BF مورد استفاده در آزمایشات از کارخانه فولاد SSAB در Luleå، شمال سوئد سرچشمه گرفته است. دو اندازه ذرات کریستالی خاکستر BF، 0.5-2 و 5.6-1 میلی متر، در آزمایش استفاده شدند. علاوه بر این، دو نوع خاکستر BF 2-0.5 میلی متر مورد استفاده قرار گرفتند: یک مورد که در فضای باز در یک شمع حدود یک سال (تازه) بوده است، و دیگری برای چند سال (هوازده). در طول زمان ذخیره سازی، این ماده در معرض شرایط مختلف آب و هوایی (باران، رسوب برف، و غیره) قرار گرفت. این وضعیت می تواند باعث شسته شدن عناصر مهم در جذب فسفر شود. ماده خاکستر BF یک بار با آب شیر در یک آزمون هدایت هیدرولیکی قبل از برخی از آزمایش های شستشو غوطه ور شد (هوازده +). بخشی از این خاکستر BF با آب شیر در یک نسبت مایع / جامد (L / S، [حجم / حجم) از 16 (هوازده ++) قبل از آزمایش برای حذف گرد و غبار و هر گونه مازاد از ترکیبات کلسیم به راحتی قابل حل بیشتر شسته شد. اطلاعات در مورد مواد مورد بررسی در آزمایش در جدول 1 آمده است. ماده خاکستر BF بلورین (غیردانه ای)متشکل از ترکیبات سه تایی است که شایع ترین آنها melilite است، که یک سری از حلال های جامد از akermanite در merwinite , ، و آنورتیت تا gehlenite است (Lindgren 1992؛ Tossavainen و Forssberg 2000). محتوای عناصر اصلی در خاکستر BF مورد بررسی قرار گرفته 30–33% CaO, 33–36% SiO2, 15–19% MgO, 11–13% Al2O3, 2–3% TiO2, 1–2% S, 0.3–0.5% MnO, 0.281% Fe2O3, and _0.012% P2O5 بود. محتوای عناصر جزئی و خواص فیزیکی خاکستر BF مورد استفاده در این مطالعه به ترتیب در جداول 2 و 3 داده شده است.
Abstract
Blast furnace BF slag is a by-product of steel plants. The objective of this study was to evaluate experimental methods to determine the phosphorus sorption capacity of BF slag. The handling of BF slag, before usage and clogging were also considered, as well as estimating the phosphorus retention capacity. Agitation and pilot-scale experiments were performed using both wastewater and phosphate solutions. This investigation showed that sorption capacities derived by wastewater experiments were considerably lower compared to those by phosphate solutions. Fresh BF slag briefly exposed to rainfall had a higher phosphorus sorption than weathered BF slag, indicating the importance of handling the slag carefully before usage. The risk for leakage of sulfuric compounds is considerable, especially during the initial operation phase of BF slag filters. Locations of BF slag filter beds for wastewater treatment must be carefully chosen from an environmental point of view.
Background
Small on-site wastewater treatment systems for residential buildings in Sweden contribute significantly to the anthropogenic discharge of phosphorus, approximately 20% of the gross discharge SEPA 2003. Discharge from municipal wastewater treatment plants is only approximately 15% SEPA 2003, though as much as 85% SCB 2004 of the Swedish population are connected to wastewater treatment plants. Small wastewater treatment systems may be upgraded by phosphorus sorbing reactive filter materials to improve their phosphorus retention. Suggested reactive filter materials for this purpose are, e.g., limestone Johansson 1999; Hill et al. 2000, opoka Johansson and Gustafsson 2000, wollastonite Brooks et al. 2000; Hill et al. 2000, shell sand Roseth 2000, light expanded clay aggregates Leca Zhu et al. 2003, fly ash Mann and Bavor 1993; Johansson 1999, and blast furnace BF slag Yamada et al. 1986; Sunahara et al. 1987.
The sorption capacity of the filter material is an important parameter for the longevity of wastewater treatment applications. During the last decade, phosphorus sorption of BF slag has been studied intensively Lee et al. 1997; Sakadevan and Bavor 1998; Johansson 1999; Johansson and Gustafsson 2000; Grüneberg and Kern 2001; Agyei et al. 2002; Khelifi et al. 2002; Cameron et al.2003; Oguz 2004; Hylander et al. 2005; Korkusuz et al. 2005. The obtained sorption capacity of these studies varied to a great extent. The variation cannot be explained only by the difference between the materials, e.g., crystalline and amorphous BF slag, but by the differences in the experimental methods, such as agitation versus filter experiments, influent solution, phosphorus content of influent, contact time, grain size of filter material. A higher reaction temperature caused higher phosphorus retention according to Yamada et al. 1986 and Agyei et al. 2002. An increased influent phosphorus concentration resulted in an increased phosphorus sorption when conducting agitation experiments Sunahara et al. 1987; Agyei et al. 2002. A higher concentration of salt in the solution seemed to decrease the phosphate sorption on the BF slag. Yamada et al. 1986 investigated the effect of NaCl content on phosphorus retention, showing that a higher NaCl concentration decreased the phosphorus sorption.
For practical wastewater treatment applications, phosphorus sorption capacities of filter materials are not solely relevant but environmental and other practical aspects, such as possible leaching of hazardous compounds and clogging of filter. So far, leaching of hazardous compounds from BF slag filter in wastewater treatment applications has not achieved attention. However, the leaching has been considered in the use of by-products as construction material Tossavainen 2005.
Most experiments done to investigate the phosphorus retention capacity of BF slag are laboratory tests agitation and column tests using artificial phosphorus solutions Yamada et al. 1986; Mann and Bavor 1993; Lee et al. 1997; Johansson 1998; Sakadevan and Bavor 1998; Agyei et al. 2002; Khelifi et al. 2002. However, research findings from experiments with artificial phosphorus solutions particularly agitation experiments cannot be extrapolated to wastewater applications due to, e.g., hydraulic differences and competing ions. The findings may only result in a comparison between the efficiency of different materials. Additional studies of BF slag being loaded with wastewater are of interest to evaluate its suitability as a filter medium for wastewater treatment. Further, environmental and practical aspects of using BF slag should be elucidated. Assessing different experimental approaches is also of interest to better understand how laboratory experimental results should be interpreted to the following design of full-scale systems.
Objectives and Scope
The objective of this study was to evaluate different experimental methods to determine the phosphorus sorption capacity of BF slag. Further, practical aspects, such as clogging, handling of BF slag prior to usage and effluent quality, of utilizing BF slag in wastewater treatment applications were evaluated. Moreover, the phosphorus sorption capacities of blast furnace slag in contact with artificial phosphate solution and municipal wastewater were determined. Environmental aspects of using blast furnace slag in wastewater treatment applications were discussed.
Agitation experiments and a pilot-scale study with horizontal flow were performed in this investigation. Both municipal wastewater and artificial phosphorus solutions were used in these experiments. Crystalline blast furnace slag of different ages was collected at the SSAB steel plant in Luleå, Sweden.
Materials and Methods
Materials
Blast Furnace Slag
The BF slag used in the experiments originated from the SSAB steel plant in Luleå, northern Sweden. Two particle sizes of crystalline BF slag, 0.5–2 and 1 – 5.6 mm, were used in the experiments. Further, two types of 0.5– 2 mm BF slag were used: One which had been outdoors in a pile for about one year fresh, the other weathered for a couple of years. During storage time, the material was exposed to various weather conditions rain, snowfall, etc.. This situation may have caused leaching of important elements for phosphorus sorption. The weathered BF slag material was rinsed once with tap water in a hydraulic conductivity test prior to some of the experiments weathered+. Part of this BF slag was further washed with tap water at a liquid/solid ratio L/S, volume/volume of 16 weathered++ prior to the experiment to remove dust and any excess of easily soluble calcium compounds. Information about the materials investigated in the experiments is compiled in Table 1. Crystalline ungranulated BF slag material consists of ternary compounds, the most common being melilite, a series of solid solutions from akermanite 2CaO·MgO· 2SiO2, merwinite 3CaO·MgO· 2SiO2, and anorthite CaO·Al2O3 · 2SiO2 to gehlenite 2CaO·Al2O3 ·SiO2 Lindgren 1992; Tossavainen and Forssberg 2000. The content of major elements in the investigated BF slag was 30–33% CaO, 33–36% SiO2, 15–19% MgO, 11–13% Al2O3, 2–3% TiO2, 1 – 2% S, 0.3– 0.5% MnO, 0.281% Fe2O3, and 0.012% P2O5. The content of minor elements and the physical properties of the BF slag used in this study are given in Tables 2 and 3, respectively.
چکیده
پیش زمینه
اهداف و محدوده
مواد و روش ها
مصالح
خاکستر کوره ذوب آهن
حلال های فسفات و پساب مورد استفاده در آزمایش
آزمایشات تحریک
آزمایش در مقیاس آزمایشی
راه اندازی آزمایشی
نمونه برداری
تجزیه و تحلیل نمونه های آب
محاسبات
برآوردهای استخراج فسفر از خاکستر BF از آزمایش در مقیاس آزمایشی
نتایج و بحث
تاثیر روش های تجربی بر جذب فسفر
جنبه های عملی استفاده از خاکستر BF به عنوان یک جاذب فسفر
گرفتگی
هدایت خاکستر BF قبل از کاربرد
ظرفیت جذب BF خاکستر
اشباع فیلتر در مقابل کیفیت پساب
جنبه های زیست محیطی با استفاده از خاکستر کوره ذوب آهن در کاربردهای تصفیه پساب
نتیجه گیری
منابع
Abstract
Background
Objectives and Scope
Materials and Methods
Materials
Blast Furnace Slag
Phosphate Solutions and Wastewater Used in the Experiments
Agitation Experiments
Pilot-Scale Experiment
Experimental Setup
Sampling
Analyses of Water Samples
Calculations
Phosphorus Extraction Estimations of BF Slag from Pilot-Scale Experiments
Results and Discussion
Influence of Experimental Methods on Phosphorus Sorption
Practical Aspects of Using BF Slag as a Phosphorus Sorbent
Clogging
Handling of BF Slag before Application
Sorption Capacity of BF Slag
Filter Saturation versus Effluent Quality
Environmental Aspects of Using Blast Furnace Slag in Wastewater Treatment Applications
Conclusions
References