粉煤灰在土壤改良和污染治理中的研究进展

王祎玮 侯迎迎 王祖伟

（天津师范大学城市与环境科学学院 天津 300387）

随着我国社会经济的快速发展，国民用电量不断上升，目前，我国电力工业70%的发电量仍然由燃煤产生，据相关数据显示，平均每发电1×104kW，排放的废渣就将近1×104t。电力工业排放的固体废弃物主要是灰渣和粉煤灰，截止到现在，其贮量已经超过10×108t，我国也获得了世界上最大粉煤灰生产和贮存国的尴尬头衔，而最具讽刺的是，我国对粉煤灰的利用率还不到30%，大量粉煤灰的不合理堆弃，严重污染了土壤、水体、大气等，如何提高粉煤灰利用率，已经成为一项重要的研究课题，其在土壤改良和污染治理中的应用，就是该项课题的两个重要研究方向。

1 粉煤灰的理化性质

1.1 粉煤灰的外观特性

粉煤灰是煤粉燃烧生成的产物，由多种颗粒机械混合而成，这些颗粒大体上可以分为5种类型：珠状、渣状、钝角、碎眉以及粘聚颗粒，其主要来源于以煤粉为燃料的火电厂以及城市集中供热锅炉，火电厂以及城市供热对粉煤灰的处理基本上采取的是湿排灰，这种方式不仅耗费水电，污染环境，也不利于对排出的粉煤灰进行综合利用。就粉煤灰的外观来看，与水泥比较相似，呈现出来的颜色为白色或灰黑色，其颜色是衡量粉煤灰质量的一项重要指标，除了能够反映含碳量外，还能够在一定程度上反映粉煤灰的细度，通常情况下，颜色越深，粉煤灰颗粒就越细，含碳量也就越高；颜色越浅，粉煤灰颗粒则越粗，含碳量也就越低。就其钙质来看，颜色偏黄的属于高钙粉煤灰，颜色偏灰的属于低钙粉煤灰。

1.2 粉煤灰的组织结构

粉煤灰之所以会呈现出多孔型，是因为粉煤在燃烧过程中，其挥发要先从矿物质和固体碳之间的缝隙逸出，生成煤灰的颗粒状态虽然还保持原煤粉的不规则碎屑状，但因多孔特点，反而增加了其表面积。袋粉煤的有机质完全燃烧后，其中的矿物质也将随之发生变化，被氧化成无机物，这时的粉煤灰会表现为多孔玻璃体，比表面积又开始降低。因燃烧还在进行，多孔玻璃体受热会逐渐收缩，最后形成颗粒，在其孔隙率降低的同时，粒径也会随之变小，而圆度则会不断提高，最终由多孔玻璃转变为一密度较高、粒径较小的密实球体，颗粒比表面积下降为最小。在显微镜下，粉煤灰颗粒呈多孔型蜂窝状组织，并且珠壁呈现多孔结构，其粒径在0.5~300μm之间，孔隙率在50%~80%之间，有很强的吸附活性和吸水性。粉煤灰是由结晶体、玻璃体以及少量未燃炭组成的一个复合结构的混合体，其中，结晶体主要由石英、磁铁矿等组成，玻璃体主要由小颗粒、玻璃体粒子、玻璃体球等组成，未燃炭多呈现为疏松多孔形式[1]。

1.3 粉煤灰的化学成分

粉煤灰的化学成分及其含量会因煤的产地、燃烧方式以及燃烧程度的不同而有所不同，我国电厂工业排放的粉煤灰，其化学成 分 主 要 为：SiO2、Al2O3、CaO、MgO、FeO、Fe2O3、TiO2、Na2O、K2O、MnO2、SO3等，此外还有P2O5等，主要氧化物后成比例为：SiO2（1.30%～65.76%），Al2O3（1.59%～40.12%），Fe2O3（1.50%～6.22%），CaO（1.44%～16.80%），MgO、（1.20%～3.72%），烧失量（1.63%～29.97%）；其元素质量分数为：O（47.83%），Si（11.48%～31.14%），Al（6.40%～22.91%），Fe（1.90%～18.51%），Ca（0.30%～25.10%），K（0.22%～3.10%），Mg（0.05%～1.92%），Ti（0.40%～1.80%），S（0.03%～4.75%），Na（0.05%～1.40%），P（0.00%～0.90%），Cl（0.00%～0.12%），其他（0.50%～29.12%）。粉煤灰的活性来自于活性SiO2和Al2O3(玻璃体SiO2和Al2O3)在一定碱性条件下的水化作用，有一部分Si是以CaSO4的形式存在，这对粉煤灰前期强度的发挥起到了一定作用，Ca含量在粉煤灰中占3%左右，这对胶凝体的形成起到了一定的帮助[2]。

1.4 粉煤灰的物理性质

根据粉煤灰的组织结构，分析粉煤灰的物理性质主要考虑到细度、密度、堆积密度、比表面积等，这些物理性质是对粉煤灰化学成分以及矿物组成的宏观反映，鉴于粉煤灰主要氧化物构成的波动范围较大，其物理性质也存在着比较大的差异也很大。粉煤灰的密度为1.90～2.90（g/cm3），堆积密度为0.53～1.26（g/cm3），比表面积为（cm2/g），原灰标准稠度为27.31～66.72（%），吸水量为89.00～130.00（%），28d抗压强度比为37.00～85.00（%）。在这些物理性质中，粒度和细度是非常重要的两个项目，二者直接影响着粉煤灰的其他物理性质以及早期的水化反应[3]。

2 我国当前粉煤灰的利用现状

我国的能源构成以煤炭为主，煤炭也是我国电力生产的基本燃料。随着我国电力工业的快速发展，全国范围内每年所排放的粉煤灰排放量也在急剧增加，这给我国的经济建设以及生态环境带来了巨大的挑战。“只有放错地方的资源，没有真正的废弃物”，用这句话来描述粉煤灰最恰当不过，对粉煤灰进行综合利用，变废为宝、变害为利，这正是我国经济建设中一项重要的技术经济政策，也是解决我国当前电力生产过程中资源缺乏与环境污染之间矛盾的重要手段，更是坚持可持续发展，建立资源节约型和环境友好型社会的必然要求。

近年来，经过不断的探索和研究，粉煤灰在建工、建材、水利等部门都得到了一定的应用。在全球性能源危机的大背景下，矿物资源匮乏以及环境污染问题的严峻激发了国际社会对粉煤灰综合利用的开发和研究，相关工作在日趋深入，并且在应用方面也取得了一定的成效。在国际市场上，粉煤灰已经由过去的废弃物变为现在引人注目的一种价格低廉且极为丰富的资源。在国内，对粉煤灰的综合利用也开始由理论研究过渡到应用研究，尤其注重对其进行资源化的开发利用，打破了过去对粉煤灰单一的利用方式，提高了对其利用率，主要表现为：对粉煤灰的处理与利用已经从过去的环境保护角度转变为资源化开发和综合利用，利用途径也开始从过去的填方、路基、土壤改造、混凝土掺和料、等简单应用，发展为高级填料、水泥混合材、大体积混凝土制品、泵送混凝土、大型水利枢纽工程等高级化应用。在这里，我们介绍一下粉煤灰在土壤改良和污染治理方面的应用[4]。

3 粉煤灰在土壤改良方面的应用

3.1 改善土壤理化性质

粉煤灰在土壤改良方面的应用，首先体现在能够改善土壤的理化性质，粉煤灰对土壤物理性质的影响主要是降低容重，增加孔隙率，提高地温，降低膨胀率，改善土体结构，实践证明，粉煤灰对改善黏质土壤起到了良好的效果，这对改善我国南方一些黏质土壤的物理性质提供了一条新的途径。由于粉煤灰的酸碱成分决定其pH值，对于酸性土壤而言，施入碱性粉煤灰就会提高土壤的pH值，从而起到改善酸性土壤的目的；对于碱性土壤而言，施入酸性粉煤灰就会降低土壤的pH值，从而起到改善碱性土壤的目的，这对我国华北地区盐碱地的治理提供了一条新的途径。由此可见，将粉煤灰施入黏质土壤后，土壤的黏粒含量和容重就会降低，孔隙度则会增加，从而实现对土壤的三相比以及酸碱性的调解。此外，粉煤灰具有良好的吸热性能，在土壤中施入粉煤灰可以提高地温以及土壤含水量，这对改善栗钙土和沙质土都能起到良好的效果[5]。

3.2 提高土壤养分状况

在土壤中施入粉煤灰，可以增加土壤中碳酸盐、碳酸氢盐、硫酸盐、Ca、P、K、B、Mg、Cu等养分的可利用性。研究表明，土壤施入粉煤灰后，其有效磷含量要比施入前高，粉煤灰对土壤中的磷肥起到了一定的缓效作用，大大提高了磷肥的可利用性；将粉煤灰作为硅肥施入土壤，可以有效地提高土壤的供硅能力，尤其是在稻田地，不仅能够改善稻田地硅素肥力状况，还可以促进水稻对硅素养分的吸收，从而提高水稻产量，改善稻米品质。此外，施加粉煤灰后，还能够影响到土壤中微生物的活性，研究表明，土壤施入粉煤灰后，能够加快有机成分在土壤中的腐殖化过程，提高青霉菌含量，增强土壤中生物抗性，也可以增强土壤中的磷酸酶、芳基硫酸酯酶的活性，尤其是对白浆土微生物活性的提高，效果非常明显。值得注意的是，粉煤灰本身的毒性也会抑制酶活性以及转化酵素活性，因此，利用粉煤灰改良土壤时，一定要注意到粉煤灰的额施入量[6]。

4 粉煤灰在污染治理方面的应用

4.1 废水处理

粉煤灰的分子结构中存在着大量的活性点，如Si、Al等，具有良好的物理吸附性能，其在废水处理领域被应用得比较广泛，相关实验证明，将18g粉煤灰投入到100ml浓度为100mg/L的活性艳红废水中，去污率可达到97%以上。在具体实践中，直接利用粉煤灰对废水进行处理，其效率并不高且会浪费对粉煤灰的使用量，如在上述实验中，如果加入NaOH，不仅会使去污率提高，还会减少粉煤灰的用量，因此，在处理造纸、制药、印染等工业废水过程中，通常还会加入一定量的助凝剂，经过改性以增强粉煤灰的吸附性能。

4.2 废气滤除

粉煤灰的组织结构中含有大量的碱性物质，如MgO、CaO、K2O、Na2O等，这些碱性物质可以用来中和酸性污染气体，粉煤灰中含有的未燃尽碳，又可以用来吸附烟气中的硫和氮，起到脱硫、脱氮的效果。实验证明，在水合作用下，氢氧化钙与粉煤灰的比为1：10，消化温度为90℃，反应12h，脱硫活性能够提高5倍。粉煤灰在废气滤除的应用中，往往会先对其进行改性，以提高其比表面积和孔隙率，从而增加其吸附容量，提高其吸附效率和吸附速度。

4.3 重金属钝化

重金属的生物有效性与重金属的形态与其生物有效性存在着一定的内在联系，粉煤灰在污染治理方面的应用，常常借助于化学修复技术，即向被污染的土壤中投入某种改良剂，充分发挥粉煤灰对对重金属的吸附、氧化还原以及沉淀的作用，从而降低重金属的生物有效性。作为一种改良剂，将粉煤灰施入被污染的土壤中或者是污泥中，能够起到钝化重金属的作用，尤其是在粉煤灰合成沸石后，其阳离子交换容量以及比表面积都会得到较大幅度的提升，这会使离子交换和吸附能力得以增强，从而抑制重金属在土壤中的迁移[7]。

5 结论

我国每年会从发电厂排出大量的粉煤灰，这些粉煤灰也是一种资源，但是能够被利用的却仅仅是一小部分，其余则被堆存或直接倾入河水中排放掉，这不仅是对资源的一种浪费，也严重影响了环境，粉煤灰的综合利用与资源化越来越受到社会的重视。目前，粉煤灰在土壤改良以及污染治理方面取得了一些效果，但也存在着一定的问题，在对其应用过程中，应注意对其理化性质的研究，以实现对其更好地利用。

[1]王娟，熊又升，张志毅，等.粉煤灰在土壤改良和污染治理中研究进展[J].安徽农业科学，2012，30（8）:14811-14813.

[2]吕志敏，李仙粉，任福民，等.综合利用电厂粉煤灰的重金属问题[B].环境与可持续发展，2006，12（4）：58-59.

[3]刘莉，杨尽，苏晓丽.粉煤灰在土壤改良中的机理研究[J].安徽农业科学，2010，38（31）：166-167.

[4]张鸿龄，孙丽娜，孙铁珩等.粉煤灰钝化污泥人工土壤理化性质研究[J].环境科学，2008，29（7）：2068-2072.

[5]杨剑虹，车福才.粉煤灰的理化性质与农业化学行为的研究[J].植物营养与肥料学报，2007，3（4）：341-348.

[6]冯跃华，胡瑞芝，张杨珠，等.几种粉煤灰对磷素吸附与解吸特性的研究[J].应用生态学报，2005，16（9）：1756-1758.

[7]赵艳锋，林罡明，王亚凡.粉煤灰处理活性染料废水的研究[J].粉煤灰综合利用，2011，6（1）：31-32.