Mitigation of High Alkalinity in Leachates of Aged Steel Slag

Steel slag, an abundant by-product of the steel-making industry, after it is aged, has a huge potential for use as an aggregate in road construction. However, the high pH of steel slag seepage (pH≥12) is a major impediment in its beneficial use. Analyses on aged steel slag samples demonstrated that the alkalinity producing capacity of aged steel slag samples strongly correlated to Ca(OH)2 dissolution and that prolonged aging periods have marginal effects on overall alkalinity. Treatment methods that included bitumen-coating, bathing in Al(III) solutions and addition of an alum-based drinking water treatment residual (WTR) were evaluated based on reduction in pH levels and leachate alkalinity. 10% (wt./wt.) alum-based drinking water treatment residual (WTR) addition to slag was determined to be the most successful mitigation method, providing 65−70% reduction in alkalinity both in batch-type and column leach tests, but final leachate pH was only 0.5−1 units lower and leachates were contaminated by dissolved Al(+III) (≥3−4 mM). Based on the interpretation of calculated saturation indices and SEM and EDX analyses, formation of calcium sulfoaluminate phases (i.e., ettringite and monosulfate) was suggested as the mechanism behind alkalinity mitigation upon WTR-modification. The residual alkalinity in WTR-amended slag leachates was able to be completely eliminated utilizing a biosolids compost with high base neutralization capacity. In column leach tests, effluent pH levels below 7 were maintained for 58−74 pore volumes worth of WTR-amended slag leachate using 0.13 kg compost (dry wt.) per 1 kg WTR-amended slag on average; also, dissolved Al(+III) was strongly retained on the compost.

GEOTECHNICAL AND ENVIRONMENTAL IMPACTS OF STEEL SLAG IN EMBANKMENTS

Steel slag is a byproduct of iron and steel production by the metallurgical industries. Annually, 21 million tons of steel slag is produced in the United States. Most of the slag is landfilled, which represents a significant economic loss and a waste of valuable land space. Steel slag has great potential for the construction of highway embankments; however, its use has been limited due to its high swelling potential and alkalinity. The swelling potential of steel slags may lead to deterioration of the structural stability of highways, and high alkalinity poses an environmental challenge as it affects the leaching behavior of trace metals. This study seeks a methodology that promotes the use of steel slag in highway embankments by minimizing these two main disadvantages. Accelerated swelling tests were conducted to evaluate the swelling behavior of pure steel slag and water treatment residual (WTR) treated steel slag, where WTR is an alum-rich by-product of drinking water treatment plants. Sequential batch tests and column leach tests, as well as two different numerical analyses, UMDSurf and WiscLEACH, were carried out to check the environmental suitability of the methods. Tests were conducted to study the effect of a common borrow fill material that encapsulated the slag in the embankment and the effects of two subgrade soils on the chemical properties of slag leachate. The results indicated that an increase in WTR content in the steel slag-WTR mixtures yields a decrease in pH and most of the leached metal concentrations, except aluminum. The change in the levels of pH, after passing through encapsulation and subgrade, depends on the natural pHs of materials.

Differentiate performance of eight filter media in vertical flow constructed wetland: Removal of organic matter, nitrogen and phosphorus

A comparative study was conducted to reveal the differentiate effects of eight different filter media including gravel, zeolites, anthracite, shale, vermiculite, ceramic filter media, blast furnace steel slag and round ceramsite. The study mainly related to the eight different filter media's removal performances of organic matter, nitrogen and phosphorus in the vertical flow constructed wetland simulated system, which treating wastewater at hydraulic loading rate of 1000-2500 mm/d. The results indicated that the removal effects were closely related to the physical and chemical properties of medium materials. Anthracite-filled system had the highest removal rate for the total organic carbon (TOC), up to 70%, and the removal rates of other systems ranged from 20% to 30%. As for the five-day biochemical oxygen demand (BOD5), anthracite-filled and steel slag-filled systems had the highest removal rates, also up to 70%, as well as other systems all exceeded 50%. At the same time, for the total nitrogen (TN) and NH4(+)-N, the zeolites-filled and ceramic-filled systems had the best performances with the removal rates of more than 70%, the other way round, the removal rates of other systems were only about 20%. The distinguishable effects were also observed in removal performances of total phosphorus (TP) and total dissoluble phosphorus (TDP). The removal rates of TP and TDP in steel slag-filled systems were more than 90%, a much higher value, followed by that of the anthracite-filled system, more than 60%, but those of other systems being the less. Our study provided a potential mechanism to optimize the filter media design for the vertical flow constructed wetlands.

Silicon, the silver bullet for mitigating biotic and abiotic stress, and improving grain quality, in rice?

Adequate silicon fertilization greatly boosts rice yield and mitigates biotic and abiotic stress, and improves grain quality through lowering the content of cadmium and inorganic arsenic. This review on silicon dynamics in rice considers recent advances in our understanding of the role of silicon in rice, and the challenges of maintaining adequate silicon fertility within rice paddy systems. Silicon is increasingly considered as an element required for optimal plant performance, particularly in rice. Plants can survive with very low silicon under laboratory/glasshouse conditions, but this is highly artificial and, thus, silicon can be considered as essential for proper plant function in its environment. Silicon is incorporated into structural components of rice cell walls were it increases cell and tissue rigidity in the plant. Structural silicon provides physical protection to plants against microbial infection and insect attack as well as reducing the quality of the tissue to the predating organisms. The abiotic benefits are due to silicon's effect on overall organ strength. This helps protect against lodging, drought stress, high temperature (through efficient maintenance of transpiration), and photosynthesis by protecting against high UV. Furthermore, silicon also protects the plant from saline stress and against a range of toxic metal stresses (arsenic, cadmium, chromium, copper, nickel and zinc). Added to this, silicon application decreases grain concentrations of various human carcinogens, in particular arsenic, antimony and cadmium. As rice is efficient at stripping bioavailable silicon from the soil, recycling of silicon rich rice straw biomass or addition of inorganic silicon fertilizer, primarily obtained from iron and steel slag, needs careful management. Silicon in the soil may be lost if the silicon-cycle, traditionally achieved via composting of rice straw and returning it to the land, is being broken. As composting of rice straw and incorporation of composted or non-composted straw back to land are resource intensive activities, these activities are declining due to population shifts from the countryside to cities. Processes that accelerate rice straw composting, therefore, need to be identified to aid more efficient use of this resource. In addition, rice genetics may help address declining available silicon in paddy soils: for example by selecting for characteristics during breeding that lead to an increased ability of roots to access recalcitrant silicon sources from soil and/or via selection for traits that aid the maintenance of a high silicon status in shoots. Recent advances in understanding the genetic regulation of silicon uptake and transport by rice plants will aid these goals.

Caracterização laboratorial de misturas betuminosas com incorporação de agregado siderúrgico inerte para construção (ASIC)

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Vias de Comunicação e Transportes

Estudo sobre a potencialidade de uso das escórias de aciaria como adição ao concreto

A geração de resíduos tem se mostrado um problema de preocupação mundial crescente. Muitos rejeitos, sejam industriais ou urbanos, muitas vezes acabam por poluir o meio-ambiente, causando problemas de armazenagem de certos materiais. Além disso, materiais alternativos a partir desses rejeitos podem ser mais baratos, apresentando muitas vezes características de desempenho melhores que os materiais convencionais. As siderúrgicas, em nível mundial, vêm enfrentando um problema comum, que consiste no que fazer para que a totalidade da escória gerada no refino do aço em aciarias elétricas ou à oxigênio tenha uma solução de aproveitamento melhor do que vem sendo feito atualmente. Na fabricação do aço as escorias são geradas em duas etapas: a primeira provém do chamado refino oxidante (forno elétrico a arco ou convertedor à oxigênio) e a segunda do refino redutor em processos de metalurgia na panela (forno-panela). Este trabalho tem como objetivo principal o de apontar potencialidades de uso da escória de aciaria elétrica, com destaque para a proveniente do forno-panela (escória do refino redutor), na indústria da construção civil através de testes em que a escória é utilizada, após moagem, como adição ao cimento Portland comum. Inicialmente foram realizados ensaios de viabilização para se testar a pozolanicidade, resistência à compressão, expansibilidade e profundidade de carbonatação de concretos gerados com diversas adições de escórias de aciaria elétrica. Comprovada a sua viabilidade partiu-se para os ensaios complementares do trabalho utilizando-se somente uma escória do refino redutor. Nesta segunda etapa foram realizados ensaios de caracterização de todos materiais estudados, ensaios de expansibilidade, ensaios mecânicos e de durabilidade dos concretos gerados com esta escória e ensaios de microscopia eletrônica de varredura e de difração de raios X do material. Após o estudo realizado comprovou-se ser perfeitamente viável a utilização de até 10% da escória do refino redutor (forno-panela- FP) como adição ao cimento para produção de concretos. Inclusive, independente do tempo de estocagem da escória, pode-se constatar melhorias no concreto produzido.

Estudo da viabilidade técnica da utilização de escórias de aciaria do processo LD como adição em cimentos

A reciclagem de resíduos apresenta-se como uma alternativa adequada com relação à preservação dos recursos naturais e do meio ambiente. As escórias de aciaria são resíduos siderúrgicos originados na fabricação do aço, e são geradas em grandes quantidades. Estes resíduos são estocados nos pátios siderúrgicos, onde permanecem, na sua maioria, sem qualquer destino. Normalmente, as escórias de aciaria são volumetricamente instáveis, apresentando características expansivas, e por esta razão, a aplicação das mesmas em materiais de construção torna-se restrita. Esta pesquisa tem como objetivo estudar a viabilidade técnica do uso das escórias de aciaria LD como adição em cimentos, propondo um método de estabilização por meio de granulação por resfriamento brusco destas escórias, buscando, desta forma, a eliminação do fenômeno da expansão, e visando a melhoria das características destes resíduos. No processo de estabilização, a escória líquida foi granulada em uma usina siderúrgica. Estudos complementares de granulação foram realizados nos laboratórios da UFRGS, empregando-se escórias refundidas. A granulação por resfriamento brusco favoreceu a redução do CaOlivre, a eliminação do MgO na forma de periclásio, e a eliminação do bC2S das escórias, considerados agentes causadores da expansão. No entanto, a elevada basicidade da escória LD dificulta a formação da estrutura vítrea e a separação da fração metálica após o resfriamento brusco. Foram realizados ensaios de expansão das escórias, atividade pozolânica, e resistência mecânica de argamassas com escórias granuladas. O resfriamento brusco proporcionou a eliminação da expansão e o desenvolvimento das propriedades pozolânicas/cimentícias da escória granulada. Como adição em cimentos, do ponto de vista da resistência mecânica, as argamassas compostas com escórias granuladas e clínquer apresentaram níveis de resistência à compressão axial compatíveis com as especificações referentes ao cimento Portland composto, apesar destes resultados serem inferiores aos obtidos para as argamassas de referência.

Atributos químicos do solo, crescimento radicular e produtividade do arroz de acordo com a aplicação de escórias

Resíduos industriais são fontes alternativas de nutrientes para as plantas e sua utilização decorre da necessidade de diminuir o acúmulo dos resíduos nos centros de produção. O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito de escórias de siderurgia nos atributos químicos do solo, no desenvolvimento e na produtividade de grãos do arroz de terras altas irrigado por aspersão. O delineamento experimental foi em blocos casualizados, com três tratamentos constituídos de duas escórias, alto-forno (196 g kg-1 de Si) e aciaria (56 g kg-1 de Si), e a testemunha sem aplicação, com oito repetições. As escórias podem ser usadas como corretivo de acidez do solo e como fonte de silício. As alterações nos atributos químicos do solo estão relacionadas com a composição química das escórias. A escória de alto-forno proporcionou maior crescimento radicular em profundidade e melhor distribuição no perfil do solo e, conseqüentemente, maior produção de massa de matéria seca da parte aérea e produtividade de grãos de arroz.

Aplicação superficial de calcário e diferentes resíduos em soja cultivada no sistema plantio direto

A prática da correção da acidez do solo pela aplicação superficial de corretivos sobre a palha no sistema plantio direto se restringe ao calcário, não havendo maiores estudos em relação à escória de aciaria, lama cal e lodo de esgoto centrifugado. O objetivo do trabalho foi avaliar os índices de acidez do solo e a produtividade da soja em função da aplicação superficial de lodo de esgoto centrifugado, lama cal, escória de aciaria e calcário dolomítico. O trabalho foi desenvolvido em Latossolo Vermelho distrófico, durante os anos agrícolas de 2002 a 2005, sob sistema plantio direto. Os tratamentos constituíram da aplicação superficial de escória de aciaria (E), lama cal (Lcal), lodo de esgoto centrifugado (LC), calcário dolomítico e sem aplicação de corretivo, em delineamento em blocos ao acaso, com quatro repetições. A aplicação superficial de escória de aciaria, lama cal e lodo de esgoto centrifugado permite a correção da acidez do solo, o deslocamento do Ca2+, o aumento da saturação por bases e redução do Al3+ até 40 cm, e para o calcário, até 20 cm, fatores que condicionaram o aumento da produtividade da soja para os tratamentos LC, E e Lcal em 2003/2004 e 2004/2005 e para LC e E em 2002/2003 no sistema plantio direto.

Eficiência de escórias de siderurgia na cultura do feijoeiro em sistema de semeadura direta

In the no till system, soil acidity correction practice is restricted to limestone use and there is little information regarding slag. The study aimed to evaluate the amendments in soil chemical properties, yield and bean nutrient uptake according to the application forms of slags, compared to limestone, in the implantation of no till system. The experiment was conducted in the field at College of Agricultural Sciences, Botucatu (SP) from December 2010 to May2011. The treatments consisted of two application ways of seven soil acidity correctives: steel slag, blast furnace slag, ladle furnace slag, stainless steel slag (agrosilício), wollastonite, lime and calcined dolomite lime, plus one control without corrective application. Each material dose was calculated to raise the base saturation to 70%. Soil acidity was neutralized down to 20cm with limestones, whereas for wollastonite and ladle furnace slag those effects occurred down to 10cm, for steel slag, blast furnace slag and agrosilício the corrective effect was restricted to the first 5cm. The bean yield increased by application of correctives in soil acidity, without differences between the application ways.

Disponibilidade de fósforo em função da aplicação de calcário e silicatos em solos oxídicos

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Adubação fosfatada e lodo de esgoto compostado na nutrição da mamoneira de porte baixo, cultivada sob calagem e silicatagem

Pós-graduação em Agronomia (Agricultura) - FCA

Escória de siderurgia na cultura da cana-planta: efeitos no solo, na nutrição e na produtividade

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Corretivos de acidez e fontes de fósforo na disponibilidade de P no solo, nutrição e produção do amendoim e do capim marandu

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Uso de escória de aciaria e calcário em bananeira prata-anã

Pós-graduação em Agronomia (Horticultura) - FCA