全榮
本文介紹了以鋼鐵渣為原料的肥料的發(fā)展史以及肥料管理法規(guī)定的肥料標(biāo)準(zhǔn)，并對高爐渣和鋼渣作為肥料原料進(jìn)行了比較，闡述了其所含的有效成分，此外還介紹了從2009 年開始的鋼渣作為肥料用途顯著擴(kuò)大的研發(fā)案例。
1 前言
根據(jù)日本鋼鐵渣協(xié)會2012 年度渣利用的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，高爐渣用于土建的為139 萬噸，用于水泥的為1822 萬噸，用于道路路基材料的為334 萬噸。鋼渣用于土建的為347 萬噸，用于水泥的為53 萬噸，用于道路路基材料的為26 萬噸。此外，用于肥料和土壤改良的高爐渣為16 萬噸，鋼渣相對較少為10 萬噸。需要說明的是，文中的鋼渣是指轉(zhuǎn)爐煉鋼渣。鋼鐵渣用于肥料和土壤改良可以將鋼鐵渣的化學(xué)性優(yōu)勢運(yùn)用于植物的生長和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，是環(huán)境和諧型用途。根據(jù)肥料管理法的官方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，不管是作為普通肥料注冊還是作為特殊肥料申報，作為肥料都是可以商品化的、具有特色的鋼鐵渣用途。
2 鋼鐵渣作為肥料的研究
2.1 以鋼鐵渣為原料的肥
料發(fā)展史和肥料管理法鋼鐵渣的肥料用途最初是以歐洲為中心開始的。1878 年英國開發(fā)了托馬斯轉(zhuǎn)爐煉鋼法。之后，在德國托馬斯轉(zhuǎn)爐煉鋼法得到發(fā)展。1882 年德國的瓦格納報告用托馬斯轉(zhuǎn)爐煉鋼法產(chǎn)生的鋼渣制成磷酸肥料。托馬斯轉(zhuǎn)爐煉鋼法產(chǎn)生的渣經(jīng)粉碎后制作的磷酸肥料“托馬斯磷肥”對植物的生產(chǎn)效果好，非常普及。到了20 世紀(jì)60 年代，德國“托馬斯磷肥”的年產(chǎn)量達(dá)到了250 萬噸。1918年日本鋼管的川崎廠引進(jìn)了托馬斯轉(zhuǎn)爐煉鋼法，開始生產(chǎn)“托馬斯磷肥”，之后托馬斯轉(zhuǎn)爐煉鋼法并沒有普及。從70 年代中期起，德國開始使用可以供給植物所需的三大元素氮(N)、磷(P)、鉀(K)的NPK 復(fù)合肥，“托馬斯磷肥”的產(chǎn)量急劇減少。現(xiàn)在，已經(jīng)小再生產(chǎn)“托馬斯磷肥”。
日本第二次世界大戰(zhàn)后使用各種各樣的肥料，包括沒有效果的肥料。為了監(jiān)督這種狀況，1950年實施了肥料管理法。在肥料管理法中，將該法律制定前作為肥料使用的、農(nóng)戶用五種感官可以期待肥效的肥料，作為特殊肥料認(rèn)定。特殊肥料中有魚粉、米糠、堆肥等。以鋼鐵渣為原料的肥料含有鐵物質(zhì)，被作為特殊肥料認(rèn)定。特殊肥料(含鐵)被規(guī)定為褐鐵礦、礦渣、鐵粉和巖石風(fēng)化物，含鐵分10%以上的物質(zhì)。
肥料管理法中除規(guī)定了特殊肥料之外，還重新規(guī)定了普通肥料。普通肥料雖然是官方明確規(guī)定的肥料，但還是作為特殊肥料以外的肥料定義。普通肥料中有氮肥、磷酸肥、鉀肥、石灰肥、苦土肥、硅酸肥、錳肥等標(biāo)準(zhǔn)。以鋼鐵渣為原料的普通肥料，目前有礦渣硅酸質(zhì)肥料、副產(chǎn)石灰肥、礦渣磷酸肥的標(biāo)準(zhǔn)(見表1-表3)。
在以鋼鐵渣為原料的肥料中，最具代表性的是“礦渣硅酸質(zhì)肥料”。1955 年，盛產(chǎn)水稻的日本在世界首次設(shè)定了硅酸肥料的標(biāo)準(zhǔn)。60 年代，其礦渣硅酸質(zhì)肥料的年產(chǎn)量達(dá)到了100 萬噸以上。
這時作為礦渣硅酸質(zhì)肥料的原料使用的是高爐渣。以高爐渣為原料的礦渣硅酸質(zhì)肥料現(xiàn)在使用“ケィヵル”的商品名。但是與德國的“托馬斯磷肥”一樣，進(jìn)入70 年代，以高爐渣為原料的礦渣硅酸質(zhì)肥料的生產(chǎn)量急劇減少。根據(jù)2012 年度鋼鐵渣協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，用于肥料和土壤改良的高爐渣和鋼渣合計為26 萬噸。
2.2 以高爐渣為原料的肥
料和以鋼渣為原料的肥料對比鋼鐵渣分為高爐渣和鋼渣。表4 是高爐渣和鋼渣的典型組成。高爐渣作為礦渣硅酸質(zhì)肥料的原料，年使用量約16 萬噸。鋼渣作為礦渣硅酸質(zhì)肥料、副產(chǎn)石灰肥料、礦渣磷酸肥料和特殊肥料的原料，年使用量約10 萬噸。鋼渣與高爐渣相比，SiO2 的組成偏低。但是，鋼渣含有的SiO2多是容易被植物利用的有效硅酸來源。因此，可以期待鋼渣比高爐渣更有效地向植物供給硅酸。
表4 所示鋼渣的組成是轉(zhuǎn)爐渣的組成。鋼渣有鐵水預(yù)處理渣和轉(zhuǎn)爐渣。鐵水預(yù)處理渣也有SiO2含量超過20%的，可作為硅酸肥料的原料利用。比較表4 中高爐渣和鋼渣的組成可知，鋼渣中除含有Ca、Si 外，還含有Mg、Mn、Fe、P 等肥料的有效成分。高爐渣中Al 含量高。Al 容易與土壤中的磷酸結(jié)合，是阻礙植物吸收磷酸的元素。所以，最好用以鋼渣為原料的肥料。圖1 和圖2 是日本鋼鐵渣協(xié)會統(tǒng)計的分別用于肥料、土壤改良的高爐渣、鋼渣的年使用量的變化。從圖1 可以看出，2008-2012 年度每年用于肥料、土壤改良的高爐渣用量在15 萬噸左右。圖2 顯示，2010 年度用于肥料、土壤改良的鋼渣量約為6.9 萬噸，經(jīng)過連續(xù)兩年增加，到2012年度已增加至10.3 萬噸。也許是因為以鋼渣為原料的肥料的有用性正處于被認(rèn)識的階段。
2.3 鋼鐵渣含有的肥料有效成分
在說明肥料有效成分之前，先要注意肥料組成的表示法。在肥料組成中，習(xí)慣用許多肥料的有效元素來表示氧化物組成。例如，Ca 作為CaO，Si 作為SiO2，Mg 作為MgO，P 作為P2O5 表示組成。但是對于Mn 和Fe，是用元素的含量表示組成。而CaO 讀為石灰，SiO2 讀為硅酸，MgO讀為苦土，P2O5 讀為磷酸。化學(xué)上這種讀法不能說正確，但已習(xí)慣采用這種肥料組成表示的特殊性。
硅酸(SiO2)的效果:硅酸在以鋼鐵渣為原料的肥料中是最主要的有效成分。例如有報告指出，在收獲量6t/ha 的水田中，水稻的氮吸收量是100-120kg/ha，而硅酸的吸收量達(dá)到1000-1200kg/ha，為氮吸收量的10 倍。水稻是需要吸收大量硅酸的植物，如果硅酸被水稻的根部吸收，在水稻的莖和葉的表層形成硅化細(xì)胞(由玻璃質(zhì)組成的細(xì)胞)，組成堅硬的硅化細(xì)胞壁，有助于細(xì)胞群的有序排列，使莖和葉生長健壯，提高向光性，促進(jìn)光合成，有抑制植物病原菌感染的效果。還有報告指出，硅酸關(guān)系到稻米的品質(zhì)和味道。如上所述，像水稻種植一季，每公頃約吸收1 噸的硅酸。有學(xué)者指出日本許多水田土壤有可能陷入硅酸不足。除了水稻之外，需要硅酸的植物還有甘蔗、玉米、小麥和大麥等。
石灰(CaO)的效果:石灰(CaO)因堿性對酸性土壤有中和的效果。此外，堿性對抑制士壤病害也有效。而且鈣強(qiáng)化植物的根部，對促進(jìn)植物吸收鉀起重要作用。
苦土(MgO)的效果:苦土(MgO)也是堿性，對改良酸性土壤有效。鎂是葉綠素的構(gòu)成元素，可促進(jìn)光合作用。磷酸(P2O5)的效果:磷(P)是植物必須的三要素之一，如果沒有磷，植物就不能生長。磷可以促進(jìn)植物的生長、根的延伸、開花和結(jié)果。錳(Mn)的效果:錳(Mn)關(guān)系到葉綠素的生成，促進(jìn)光合作用。鐵(Fe)的效果:鐵(Fe)將土壤中的硫化氫轉(zhuǎn)化為無害化的硫化鐵，有減輕對植物根部危害的效果。還關(guān)系到葉綠素的生成，促進(jìn)光合作用。
2.4 研究開發(fā)的案例
2.4.1 硅化細(xì)胞的形成和芝麻葉枯病的抑制效果
水稻的葉、穗和莖出現(xiàn)芝麻狀斑點，嚴(yán)重時會使水稻枯死。近年來，在日本主要水稻產(chǎn)地新渴縣，芝麻葉枯病成為問題。硅酸肥料由于硅化細(xì)胞的形成，可期待有抑制芝麻葉枯病的效果。因此，新渴縣農(nóng)業(yè)綜合研究所和千葉大學(xué)共同研究，通過施用以鋼渣為原料的硅酸肥料，調(diào)查了對抑制芝麻葉枯病的效果。在土壤中以lt/ha 施用鋼渣為原料的硅酸肥，觀察到隨著芝麻葉枯病斑點的減少，水稻葉子表面形成更多硅化細(xì)胞。與不施用以鋼渣為原料的硅酸肥相比，幾乎未發(fā)現(xiàn)芝麻葉枯病的病原菌。
2.4.2 磷酸肥料的效果確認(rèn)和肥料注冊
鹿島廠的鐵水預(yù)處理脫磷渣含磷酸(P2O5)約5%。在鹿島廠資源能源部的協(xié)作下，購入該廠的脫磷渣試料，進(jìn)行了肥料管理法規(guī)定的分析，分析結(jié)果全部滿足表3 中礦渣磷酸肥料的標(biāo)準(zhǔn)。并通過種植小松菜試驗了脫磷渣作為磷酸肥料的效果，結(jié)果顯示添加脫磷渣肥料的小松菜長勢壯于未添加的。因此，將鹿島廠脫磷渣作為磷酸肥料鹿島1 號，于2013 年6 月25 日進(jìn)行了肥料注冊。
2.4.3 利用鋼渣對海嘯損毀農(nóng)田進(jìn)行土壤改良
東日本大地震使許多農(nóng)田被海嘯損毀，宮城縣有約15000 公頃，福島縣約5900 公頃農(nóng)田受災(zāi)。以鋼渣為原料的肥料含CaO 多，通過海水使吸附在土壤顆粒的鈉離子(Na+)與肥料供給的鈣離子(Ca2+)交換，期待促進(jìn)除鹽。此外，海嘯堆積土中因黃鐵礦(FeS2)氧化，產(chǎn)生硫酸使土壤酸性化。這時，有望用以鋼渣(含有CaO)為原料的肥料的堿性來抑制黃鐵礦(FeS2)的氧化，從而改良土壤的pH 值。有研究者于2012 年4 月在福島縣相馬市的海嘯損毀水田的酸性化土壤中，施用以鋼渣為原料的肥料，試驗栽培了水稻。圖3 是施用以鋼渣為原料的肥料前后的水田土壤中pH 值的變化。通過在酸性化pH=4 的水田土壤中施用以鋼渣為原料的肥料，土壤改良為適合栽培水稻的pH 值(約5.5)。水稻順利生長，收獲與常年一樣。
在2012 年度實施的土壤改良和水稻試驗栽培結(jié)果的基礎(chǔ)上，修復(fù)海嘯損毀農(nóng)田的項目被作為福島縣相馬市的項目，由東京大學(xué)、相馬市、JA 相馬于2013 年度開始實施。2013 年度約40公頃海嘯損毀農(nóng)田平均5t/ha 施用以鋼渣為原料的肥料，進(jìn)行了水稻種植，獲得了與災(zāi)前相同的稻米收獲量。2014 年度相馬項目繼續(xù)實施，計劃修復(fù)約200 公頃的海嘯損毀農(nóng)田。與相馬項目不同，作為日本鋼鐵協(xié)會的生產(chǎn)發(fā)展項目，由東北大學(xué)多元物質(zhì)科學(xué)研究中心，野外環(huán)境研究中心利用鋼渣修復(fù)海嘯損毀農(nóng)田的研究也于2014 年以宮城縣內(nèi)為中心開始實施。
2.4.4 作為堆肥利用
家禽畜糞便形成的堆肥可以作為含有N、P 的肥料利用。在家禽畜糞便中混合鋼渣，制或除含有N、P 外，還含有Ca、Si、Mg、Mn、Fe 等成分的堆肥。在牛糞中混合15%的鋼渣與不混合鋼渣制堆肥的試驗中，在距堆肥表面20cm 深處測定的溫度變化示于圖4。混合鋼渣時，溫度約上升到70℃，而不混合鋼渣時只上升到58℃。每10 天進(jìn)行翻動時，溫度暫時下降，但其后再次上升。混合鋼渣時，堆肥內(nèi)部溫度保持在65-70℃，所以認(rèn)為短時期可以堆肥化。圖5 是將制作的堆肥用于小松菜后，堆肥腐熟度的調(diào)查結(jié)果。
根據(jù)用于小松菜的堆肥腐熟度的試驗結(jié)果，在牛糞中混合鋼渣制作的堆肥發(fā)芽率在80%以上，判定可用于作物的栽培。圖6 是施用在牛糞中混合鋼渣的堆肥和不混合鋼渣的堆肥以及不使用堆肥時，卷心菜栽培試驗的結(jié)果。結(jié)果表明使用混合鋼渣制作的堆肥時，收獲量最高。根據(jù)上述結(jié)果，明確了鋼渣與家禽畜糞便混合可以作為堆肥利用。
2.5 鋼渣用于肥料的問題
以鋼鐵渣為原料的肥料幾乎不含植物必須的元素N、K，P 的含量也低，所以必須與含N、P、K 的復(fù)合肥和堆肥一塊使用。農(nóng)戶在考慮肥料成本和施肥所花費(fèi)人力和時間時，優(yōu)先考慮的是成本低的肥料。這是以鋼鐵渣為原料的肥料需要克服的不利因素。
例如，水稻需要大量的Si，有報告指出日本水田土壤的硅酸含量低，期待以硅酸對植物供給能力高的鋼渣為原料的肥料的普及。此外，對鋼渣含有的Si、Ca 以外的Mn、Fe、Mg 等有效成分，如果發(fā)現(xiàn)新的功效，就有可能開拓新的用途。
最后，在鋼鐵渣的肥料用途中，應(yīng)該注意的一點是有害金屬的檢測。礦渣硅酸質(zhì)肥料、礦渣磷酸肥料的肥料標(biāo)準(zhǔn)的名稱用礦渣表示。有可能存在是否含有害重金屬的擔(dān)心。為了確立作為肥料的可信賴性，必須遵守肥料管理法規(guī)定的有害金屬的標(biāo)準(zhǔn)和公害對策基本法規(guī)定的土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。
3 結(jié)語
鋼渣中含有Si、Ca、P、Mg、Mn、Fe 等各種肥料有效成分。除了原來作為肥料使用的硅酸肥和石灰肥之外，還有作為磷酸肥料注冊的肥料。因水稻需要大量的Si，所以作為硅酸肥普及，而且對改良酸性土壤等也有效。鋼渣除單獨作為肥料使用外，還可以與家禽畜糞便等混合作為堆肥使用，促進(jìn)家禽畜糞便的有效利用，有望給植物提供多種肥料的有效成分。