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用发电厂“废物”减少水污染 成本低可固磷

时间:2016-12-01 来源:中国科学报 作者:

每逢下雨,就会有一条河流穿过Dan Johnson农场的小棚。流经农田的水,穿过一个白色的“小建筑”,这里有一个泵抽取少量的水做样本。当水充满20升的水壶后,研究人员就会收集并测试磷含量。

这个装置是一项水污染控制实验的一部分。该项目旨在检测燃煤电厂排放的废弃物,并通过使用石膏,减少农场径流富营养化。

在这个美国农业的中心,越来越多农民选择在大面积农田中划分出小块土地饲养牲畜,并将牲畜的粪便当作农作物肥料。粪便中的磷和氮能为农作物提供营养,促进其生长。但如果过多营养成分被冲入水道,就会刺激藻类过度繁殖,直至破坏水生生态系统。

为了预防这种破坏,研究人员一直在寻找防止营养成分从土壤中浸出的方法。最近,《科学》杂志报道称,他们重新审视了石膏法,这种又名碳酸钙二水合物的白色或灰色的软矿物质,对固磷有很大帮助。

在美国,农民使用石膏处理田地是从第一位总统乔治·华盛顿时代就开始的老做法了。部分原因是,石膏中的硫酸盐能与土壤中的镁结合在一起,帮助土壤锁住水分。但污染专家则对石膏中的钙更感兴趣,它与土壤中的磷酸盐联结在一起,能形成更大的颗粒不易被水冲走。

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实际上,化肥公司之前曾在产品中混入一定比例的石膏,但这种做法已经消失了。因为这种矿物质原料来源于矿山,海运的价格高昂。“于是,我们慢慢忘记了石膏。”麦迪逊市威斯康星大学土壤学家FranciscoArriaga说。

但随着营养物污染问题的愈发严重,以及火力发电厂的数量激增,研究人员认为石膏或许能再次“大展身手”。很多工厂都配备了洗涤器设备,原理是用石灰洗除污染物。这种过程所涉及的化学反应可以生产出一种烟气脱硫石膏。许多烟气脱硫石膏最终被填埋在垃圾场,但公司也使用它制作墙板和水泥。部分因为是它相对便宜:一吨矿物石膏的成本约为140美元,而一吨烟气脱硫石膏的成本在38美元左右。

农民同样被允许在农田内使用烟气脱硫石膏,并且在过去10年间,科学家已经在7个州进行了研究,调查这种石膏如何影响农作物及土壤。在威斯康星州,Johnson的农场是Arriaga及其同事一起挑选的3个实验基地之一。研究人员还与麦迪逊市非盈利组织“沙乡基金会”以及威斯康星电力公司合作。

项目的现场负责人、沙乡基金会的GregOlson指出,在Johnson的农场中,陡峭斜坡上的径流受污染的可能性非常高,这使得它成为一个绝佳的实验基地。Olson团队对这个项目特别感兴趣,因为他们对受污染的径流在五大湖区造成的缺氧死区越来越担心。

Johnson从2014年就开始使用石膏处理农场大约4公顷的农田。这些石膏从距其农场仅10公里的一个威斯康星电力公司的分部获得,这一做法已经持续了2到3年。“我们正在土壤中进行化学实验。”Olson说,石膏不仅能使磷粒子减少移动,而且可以增加土壤水分、减少径流。

Arriaga在美国土壤科学协会会议上报告了初步结论,结果显示石膏有助于保持Johnson农场土壤中的磷。而且在之前的现场实验中,包括佐治亚州与俄亥俄州的实验项目,已经发现这种矿物不但能降低土壤中有毒铝合金及病原菌水平,还能提供钙和硫这两种植物生长所需的营养元素。现在,发电厂排放的硫在减少,之前这种元素以酸雨和灰尘的形式回到土壤中,这样一来,一些土壤开始缺乏这种营养物。

然而,烟气脱硫石膏也有缺点。假如暴雨将石膏冲入水道,它将释放出保存在河床沉积物中的磷,并增加水流中的营养物。在美国中西部,暴雨是一种可预见的气候变化。

另外一个问题是石膏的可得性。火力发电厂的关闭在一定程度上归功于更严格的排放标准与低廉的天然气价格。但当这些工厂关闭后,石膏也将停止产出。佐治亚大学退休员工、土壤学家MalcolmSumner预测,“在20到30年间,石膏将再度供不应求,农民也将争相购买。”

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