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钢铁联合企业固体废物综合利用分析 覃洁阮积海 柳州市环境保护局,广西 柳州 545006 摘要 阐述了钢铁联合企业固体废物的分类和来源, 以柳钢生产实践为例, 分析高炉煤气除尘灰、 转炉除尘污泥等固体 废物的化学成分, 探讨冶金固体废物处理方式和综合利用途径, 对钢铁企业固体废物综合利用发展方向提出建议。 关键词 钢铁;固体废物;综合利用 THE ANALYSIS ON SOLID WASTE COMPREHENSIVE USE OF AN IRON AND STEEL ENTERPRISE Qin JieRuan Jihai Liuzhou Environment Protection Bureau,Liuzhou 545006, China AbstractThe classification and source of solid waste of an iron and steel enterprise is introduced.According to the production activity of Liuzhou Iron & Steel Company, it is analysed the chemicals composition of dedusted ash of blast-furnace- gas and the dedusted sludge of a converter. Treating s and the s of comprehensive use of the dedusted sludge solid wastes are explored,and advices to the development of comprehensive use of metallurgical solid wastes from iron and steel enterprises are also given. Keywordsiron & steel;solid waste;comprehensive use 钢铁联合企业包括焦炉、 烧结机、 高炉、 转炉以及 轧钢系统等生产工序, 涉及的专业广泛, 生产工艺复 杂、 物流流程长, 产生的固体废物种类繁多、 性质各 异、 数量庞大, 主要固体废物包括高炉水渣、 转炉钢 渣、 含铁尘泥、 氧化铁皮等十几种。因此, 加强冶金固 体废物的循环利用, 实现固体废物资源化、 减量化和 无害化处理, 成为了钢铁企业生产管理的重要目标。 现以广西柳州钢铁 集团 公司 以下简称柳钢 为 例, 对钢铁联合企业产生的固体废物来源及综合利用 情况进行分析和探讨。 1钢铁生产工艺流程 钢铁联合企业主要生产工序包括铁前、 炼铁、 炼 钢以及轧钢系统等, 其中铁前系统包括烧结机、 球团 回转窑、 焦炉。铁前系统生产的烧结矿、 球团矿、 焦炭 按一定的配比分批次投入高炉中, 同时辅以鼓风、 喷 煤等措施, 利用焦炭 包括煤粉 的燃烧和还原特性, 将铁矿石中的铁元素还原成单质铁, 并以铁水的形式 排出高炉外。高炉生产的铁水送转炉炼钢, 冶炼过程 是以氧气氧化铁水中的碳、 硫、 磷、 锰、 硅等元素, 达到 降炭去硫磷的目的, 以生产出合格钢水。钢水经连铸 机可浇铸成不同规格的方坯和板坯, 然后送各轧钢厂 进行轧制。钢铁生产工艺流程见图 1。 图 1钢铁生产工艺流程 2固体废物分类及来源 2. 1高炉水渣 高炉冶炼时, 焦炭和煤粉燃烧时会放出大量的热 量并生成大量的 CO, 使高炉内形成高温还原状态, 在 此作用下铁矿石中的铁元素被还原成单质铁, 其他成 分则以熔渣的形式排出。高温熔渣经水淬后形成的 固体渣就是高炉水渣, 水渣的生成量根据入炉矿石品 位不同而变化, 以 柳 钢 目前的冶炼工艺及 60 ~ 63 的铁矿石品位, 渣铁比约为 0. 34, 即生产出1 t铁 会伴随产生0. 34 t的渣。 2. 2高炉干渣 901 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 铁水由高炉出铁口排出, 经主沟、 撇渣器、 龙沟、 摆动流嘴后进入铁水罐, 在出铁过程中, 铁水发生冷 凝、 黏结, 导致铁沟、 撇渣器和摆动流嘴越结越厚并变 得越来越小, 清理铁沟、 撇渣器和摆动流嘴所产生的 含铁渣块就属于高炉干渣。此外, 高炉炉况失常时, 从铁口排出的不是铁水, 而是渣铁混合物, 而且常常 掺杂有未充分反应的矿料, 这些渣铁混合物成分上达 不到铁水的质量要求, 只能当作干渣的一部分重新处 理。干渣的另一重要来源是, 高炉渣处理系统出现故 障时, 红渣未经渣处理系统直接排入干渣坑, 从而形 成干渣, 这部分干渣是由脉石、 灰分、 熔剂和其他不能 进入生铁中的杂质组成的易熔混合物, 其化学成分主 要是 SiO2、 CaO、 Al2O3等。 2. 3高炉煤气除尘灰 高炉煤气是伴随着高炉冶炼而生成的副产品, 由 于含尘浓度高, 因此进入煤气管网前必须先进行净化 处理。目前绝大多数的高炉工艺均采用重力沉降室 和布袋除尘器对高炉煤气进行二级处理, 在对煤气净 化除尘时产生的除尘灰就称为高炉煤气除尘灰。由 于除尘工艺和综合利用途径的不同, 一般将该除尘灰 分成两类 从重力沉降室排出的称为高炉重力灰, 由 布袋除尘器排出的则为高炉干法灰。 2. 4转炉钢渣 炼钢时, 吹入的氧气与铁水在炉内发生激烈的碳 氧反应, 实现降碳的目的, 同时需向炉内投加石灰石、 白云石等造渣剂, 以便去除铁水中的硫、 磷、 硅等有害 元素。钢渣是转炉炼钢过程中的副产品, 其主要来自 铁水中所含硅、 铝、 硫、 磷、 钒、 铁等元素氧化后生成的 氧化物、 治炼时加入的造渣剂以及被侵蚀的炉衬材料 和护炉材料, 钢 渣的 产 生量 为粗 钢 产 量的 15 ~ 17 。从炉子排出的熔融状红渣一般称为炉渣, 炉渣 经热泼或粒化装置处理后即为钢渣。 2. 5转炉除尘污泥 转炉冶炼时, 铁水中的碳元素与吹入的氧气发生 激烈的碳氧反应并放大量的炉气 转炉煤气 , 炉气 的主要成分为 CO、 CO2、 N2, 并掺杂大量的粉尘, 粉尘 主要来源于铁水的烧损和未反应的辅助原料 石灰 石、 白云石等 的细小颗粒。转炉煤气经湿法净化除 尘后伴随大量的除尘废水产生, 在处理该除尘废水时 产生的污泥称之为转炉除尘污泥。根据水处理工艺 和综合利用途径的不同, 可将该除尘污泥分成两类 从粗颗粒分离机排出的污泥粒径大、 含铁率高, 称为 粗颗粒渣; 其他从斜板沉淀池、 离心机排出的仍按传 统习惯称为转炉除尘污泥 OG 泥 。入炉钢水通常 有 1 ~ 2 以烧损的形式进入烟气中, 所以除尘污 泥产生量按每吨钢产生19 kg干污泥计算。 2. 6含铁尘泥 钢铁生产工艺流程长、 物料转运多, 因此产生的 扬尘点也相应较多, 从粉尘来源划分, 主要有二个方 面 一是冶炼系统各烟尘、 粉尘产生部位, 比如高炉出 铁场、 转炉二次烟气以及烧结机头和机尾等; 另一方 面是矿槽储存、 原料供料和转运系统, 比如烧结矿槽、 炼铁供料系统等。这些含尘废气经干法除尘器收集 处理后产生的固体废物, 统称为含铁尘泥。 2. 7氧化铁皮 钢材进行轧制前, 必须先将钢坯加热至轧制温度 约1 100 ℃ , 钢坯在加热炉加热时, 钢坯表面与空 气中的氧发生反应, 并在表层形成一层氧化层, 为了 确保钢材表面质量, 进入轧机轧制前必须将该层氧化 层剥离, 通常采用高压除磷装置予以清除, 导致氧化 层随冲涮水进入浊环水处理系统, 经漩流沉淀池沉淀 处理后产生的固体废物即为氧化铁皮。 2. 8其他固体废物 其他固体废物主要包括废石碴、 废耐火材料和废 油等产生量较大的固体废物, 石灰窑入炉原料经筛分 处理后产生的筛下物即为废石碴; 高炉、 转炉及轧钢 加热炉等炉窑在大修、 维护拆除炉衬材料时会产生大 量的废耐火材料; 废油主要来源于机械设备更换下来 的机油及轧钢水处理系统处理浊环水时产生的油污。 3柳钢固体废物综合利用情况 3. 1固体废物成分分析 钢铁生产工艺复杂, 产生的固废种类繁多, 性质 各异, 为了实现综合利用效益的最大化, 必须清楚了 解各类固体废物的主要成分, 以便对固体废物进行分 类收集和有效利用, 表 1表 3 是柳钢主要固体废物 的成分分析。 3. 2柳钢固体废物的综合利用情况 柳钢是华南地区最大的钢铁生产企业, 目前已具 备生产钢1 000 万 t/a的规模, 2009 年钢、 铁、 材产量 分别为 818 万, 789 万, 817 万 t, 生产过程中产生的固 废种类繁多, 包括高炉水渣、 转炉钢渣、 含铁尘泥、 氧 化铁皮等十几种, 而且发生量大, 全年共产生固体废 物500 多万 t, 高炉水渣、 转炉钢渣、 含铁尘泥、 高炉煤 气除尘灰、 转炉除尘污泥位列产生量前五位, 占总产 011 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 表 1钢铁生产含铁尘泥主要成分分析 名称 Si02 Ca0Mg0TFeSPAsPbZnC 1 250 m3高炉干法除尘灰8. 634. 201. 3022. 610. 820. 0510. 0111. 797. 9229. 60 380 m3高炉干法除尘灰7. 455. 651. 9326. 601. 050. 0450. 0211. 126. 1832. 13 1 250 m3高炉重力除尘灰7. 375. 811. 4832. 100. 380. 0560. 0120. 7500. 93333. 14 380 m3高炉重力除尘灰13. 675. 491. 4236. 290. 350. 0670. 0120. 2940. 82827. 83 1 250 m3高炉出铁场除尘灰4. 962. 180. 6051. 000. 660. 0680. 0121. 491. 0812. 25 380 m3高炉出铁场除尘灰1. 850. 180. 1164. 220. 470. 0750. 0160. 3250. 5963. 50 100 t 转炉二次除尘灰5. 5310. 26 2. 9140. 880. 380. 1140. 0191. 612. 707. 39 35 t 转炉二次除尘灰8. 419. 04 2. 2447. 510. 280. 1280. 0190. 7392. 433. 32 100 t 转炉除尘废水粗颗粒8. 8326. 15 4. 9742. 480. 150. 3370. 0110. 0680. 0941. 62 100 t 转炉除尘废水污泥1. 6416. 08 2. 8748. 360. 190. 0750. 0120. 4010. 3962. 32 380 m3高炉矿槽除尘灰5. 6712. 002. 7352. 100. 340. 0700. 0130. 0360. 0611. 33 1 250 m3高炉矿槽除尘灰6. 438. 932. 1154. 680. 0880. 0510. 0100. 0250. 0621. 57 炼铁供料系统除尘灰7. 0911. 402. 4753. 430. 0890. 0670. 0150. 0280. 0480. 49 100 t 铁水倒罐站除尘灰1. 190. 36 0. 3860. 770. 0730. 0640. 0121. 240. 6849. 31 35 t 转炉混铁炉除尘灰1. 290. 49 0. 3464. 680. 380. 0380. 0130. 5160. 3872. 03 LF 精炼炉除尘灰3. 78 55. 2714. 834. 970. 380. 016< 0. 010. 0490. 0762. 89 100 t 转炉地下料仓除尘灰4. 7255. 66 9. 916. 790. 480. 023< 0. 010. 0200. 0392. 40 机制铸钢电炉除尘灰8. 1712. 6214. 9630. 230. 540. 0840. 0250. 1340. 4961. 77 表 2烧结机头电除尘灰主要成分分析 名称 Si02Al203 Ca0Mg0TFeSPAsPbZn K2ONa2O 360 m2烧结机 265 m2烧结机 83m2烧结机 1 号电场3. 84 2. 3311. 292. 3333. 600. 940. 0390. 0126. 910. 0545. 960. 36 2 号电场2. 10 1. 427. 341. 6916. 350. 610. 0190. 01318. 300. 08914. 920. 88 3 号电场0. 48 0. 322. 181. 813. 740. 320. 0190. 00929. 770. 12220. 501. 30 4 号电场0. 54 0. 282. 160. 923. 800. 670. 0080. 01630. 890. 14419. 501. 38 1 号电场4. 49 2. 5111. 192. 5343. 630. 920. 0390. 0202. 010. 0491. 620. 15 2 号电场3. 45 2. 5912. 262. 7032. 521. 090. 0510. 0375. 640. 0985. 860. 63 3 号电场3. 00 1. 9810. 912. 5023. 561. 290. 0290. 03711. 960. 1089. 810. 87 1 号电场4. 41 2. 5210. 782. 3045. 840. 650. 0450. 0260. 760. 0480. 650. 085 2 号电场3. 54 2. 2812. 042. 5030. 221. 290. 0360. 0356. 540. 0905. 230. 49 3 号电场2. 82 1. 9010. 402. 6623. 571. 510. 0320. 0639. 540. 1188. 670. 87 表 3转炉钢渣成分分析 名称 SiO2Al2O3 CaOMgOT FeS P2O5TiO2 MnO K2ONa2OV2O5 粒化渣13. 310. 9943. 447. 9816. 010. 0241. 691. 372. 570. 001< 0. 0010. 359 热泼渣12. 860. 8645. 517. 0816. 040. 0531. 801. 512. 510. 002< 0. 0010. 384 原始渣13. 090. 7846. 456. 9116. 570. 0561. 760. 981. 820. 002< 0. 0010. 276 注 1. 原始渣是刚从转炉倾倒出来的熔融态炉渣; 2. 粒化渣是经粒化装置打碎并急速冷却后的粒状钢渣; 3. 热泼渣是置于渣槽并淋水热焖 处理后的钢渣; 4. 以上数据由广西柳州钢铁冶金材料检测中心提供。 生量的 93 以上。固体废物利用方式以厂内自我循 环利用为主, 并呈现多元化发展, 其中氧化铁皮、 转炉 除尘污泥、 含铁尘泥全部返回烧结厂配矿; 高炉水渣 外销作水泥原料; 钢渣经磁选、 分类后, 铁块返回转炉 厂, 磁选粉作为半成品外销, 尾渣可作水泥厂原料或 用于铺路。其他固体废物如废石碴、 废油等也得到了 111 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 很好地利用和处理。据统计, 2009 年固体废物综合 利用率达 91 以上, 不仅充分利用了含铁固体废物, 并减少了固体废物的排放, 取得了很好的经济效益和 环境效益。 4钢铁企业固体废物综合利用发展方向 4. 1实施减量化原则, 减少固体废物产生量 “减量化、 资源化、 无害化” 三 R 原则是固体废物 污染防治的根本途径和治本之策, 这其中最为根本的 是实施减量化。因此, 钢铁企业应加大结构调整的力 度, 改进工艺技术, 强化管理操作, 开展清洁生产, 努 力降低原、 燃料消耗, 提高资源利用率, 在生产、 流通、 消费等各个环节采取综合措施, 从源头减少固体废物 的产生量。 4. 2实施资源化原则, 提高固体废物综合利用率 废物是放错了地方的资源, 应对固体废物进行资 源化利用。在资源日益匮乏的今天, 钢铁企业产生的 固体废物处理应立足于本厂内综合利用, 一方面可以 缩短固体废物处理流程, 避免产生二次污染; 另一方 面可以部分替代铁矿石作为冶炼原料, 缓解铁矿石的 高价对生产的影响, 有效降低生产成本。生产经验表 明, 只要固体废物中总铁和碳的成分达到 50 以上, 含铁固体废物即可用于烧结配矿。其他固体废物可 以根据成分不同而进行合理利用, 尽可能提高资源内 部循环利用。 4. 3开展深加工处理, 提高综合利用的附加值 钢铁企业固体废物除了立足于钢铁企业自身循 环利用外, 更重要的是向深加工方向发展, 比如将高 炉水渣和钢渣制成矿渣微粉和钢渣粉。高炉水渣是 属于硅酸盐质材料, 具有潜在的水硬胶凝性能; 钢渣 的主要矿物成分为硅酸三钙和硅酸二钙, 其水化硬化 过程和水化产物与硅酸盐水泥熟料相似。根据水渣、 钢渣具有的水硬胶凝特性, 将水渣和钢渣加工磨细制 成矿渣微粉和钢渣粉, 可等量取代 10 ~ 30 的水 泥配制混凝土, 这不仅提高水渣和钢渣的综合利用的 附加值, 而且是实现水渣、 钢渣零排放的有效途径。 有关水渣和钢渣制粉的技术和要求, 国家已制定 GB / T 180462008用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿 渣粉 、 GB /T 204912006用于水泥和混凝土中的 钢渣粉 二项国家标准, 柳钢200 万 t/a矿渣微粉项目 已投入正式生产。 除此之外, 高炉煤气除尘重力灰可以通过浮选和 螺旋分离的技术进行深加工处理, 分选出的铁粉和炭 粉可以优化烧结厂配矿操作, 提高中和矿的含铁品 位; 尾泥由于含有一定的热值, 可作制砖原料, 从而实 现重力灰高附加值利用。在这方面, 柳钢的炉灰分选 加工线处于国内领先水平, 该分选线铁粉、 炭粉分离 充分, 并可实现尾泥含炭量的相对定量控制。 4. 4改进利用方式, 避免利用过程产生二次污染 钢铁企业固体废物种类繁多, 应按成分的不同, 合理规范固体废物的利用途径, 同时对利用工艺和利 用方式加以改进, 尽量避免利用过程产生二次污染。 比如将转炉除尘污泥制成污泥球的传统利用方式改 进为以水力输送的形式将含水污泥直接泵送至烧结 一次混合加湿机以喷浆形式加湿配料, 改造后的工艺 只需排泥、 泵送、 接收三个工序即可完成污泥的输送 和处理, 不仅省去了污泥脱水的过程, 而且减少了泥 饼造球的后序加工处理及由此产生的二次污染问题, 大大减少了污泥再利用的成本。另一需要改进的是 将烧结机头电除尘灰直接返回烧结厂配矿的利用方 式, 由于烧结机头电除尘灰含铅较高, 特别是三、 四电 场灰更是高达 10 以上, 直接返回烧结厂配矿导致 铅在高炉里富集, 造成高炉出铁时铅蒸汽浓度偏高, 危害炉前工人健康, 可将这部分除尘灰作为铅冶炼厂 的原料, 既可以拓宽铅冶炼原料来源, 又可以避免含 铅物料进入高炉冶炼系统。目前, 柳钢已完成转炉除 尘污泥利用方式的改造, 所产生的转炉除尘污泥均直 接泵送至烧结一次混合加湿机配料, 取得了很好的经 济效益和环保效益。 5结语 钢铁联合企业生产工艺复杂、 物流流程长, 产生 的固体废物种类繁多、 数量大, 为了促进钢铁行业的 可持续发展, 钢铁企业应大力改进工艺技术、 强化管 理操作、 努力降低原燃料消耗, 从源头减少固体废物产 生量; 针对不同种类的固体废物, 制定合理有效的利用 途径, 积极开展固体废物深加工处理, 努力提高固体废 物综合利用率和利用附加值, 避免利用过程产生二次 污染, 实现固体废综合利用和环境保护的双赢。 参考文献 [1]韩剑宏. 钢铁工业环保技术手册[M]. 北京 化工工业出版 社, 2006 309- 327. 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[3]陈有军. 单位环境污染综合治理技术实用全书 第三卷 [M]. 北京 华龄出版社, 20001190- 1206 . 下转第 83 页 211 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 互不干涉。 3 球 团 和 烧 结 主 抽 风 机 出 口 烟 气 压 力 基 本 相同。 球团烟气和烧结烟气主要的区别如下 1 链箅机 - 回转窑的烟气量稳定、 波动小, 易于 捕集; 烧结机的烟气量波动大, 不易于捕集。 2 一般球团矿烟气含硫很低; 烧结机的烟气含 硫量比较大。 3 链箅机 - 回转窑烟气温度比较稳定, 一般在 120 ℃ 左右; 烧结机烟气温度波动较大, 一般在 100 ~ 180 ℃ 之间。 综上所述, 球团排放的烟气与烧结烟气化学成 分、 物理性质类似, 并且由于其烟气量稳定、 波动小, 易于捕集; 温度波动小等特点, 更适于采用脱硫工艺。 随着国家对环境保护的重视, SO2总量控制日益 严格, 近年来新建的一些链箅机 - 回转窑球团项目首 先从源头削减 SO2, 采用含硫率较低的铁精粉, 并配 套建设了脱硫系统, 进一步降低 SO2排放量, 脱硫工 艺均采用现有烧结脱硫常用工艺。有些专家担心由 于其进口浓度普遍低于烧结烟气进口浓度, 无法确保 其脱硫效率, SO2排放量无法达到预期值, 本文收集 到现有一些钢铁企业烧结烟气脱硫实例, 见表 3。 从烧结烟气脱硫实际应用案例可见, SO2净化效 率达到 90 以上, 并且出口浓度均低于50 mg/m3 , 说 明烧结脱硫常见工艺到达一定浓度时 如250 mg/m3 以下 可以继续脱除, 并可达到50 mg/m3以下, 因此 烧结常用脱硫工艺可以对低浓度 SO2进行脱硫, 并能 表 3现有一些钢铁企业烧结烟气脱硫实例 企业名称脱硫工艺 SO2入口浓度 / mg m - 3 SO2出口浓度 / mg m3 脱硫效 率 / 福建某钢 厂烧结 上海某钢 厂烧结 循环流化 床干法 9487. 7899. 2 1 964. 615. 099. 23 上海某钢 厂烧结 江西某钢 厂烧结 石灰石 - 石膏湿法 ~ 70020 ~ 50≥ 90 ~ 60025 ~ 34≥ 90 达到设计脱硫效率。 今后, 随着球团生产的逐步扩大, 钢铁企业也应 重视球团烟气脱硫, 进一步降低钢铁行业的 SO2排放 总量。建议在两控区和环境敏感、 地处大中城市的钢 铁企业开展球团脱硫。 参考文献 [1]阎为群. 国 内 球 团 生 产 技 术 的 发 展[J]. 江 苏 冶 金, 2007, 35 3 21- 24. 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