粉煤灰资源化过程中的缺陷

2017-04-21黄一鸣

杭州化工 2017年1期

关键词：粉煤灰资源化废水

黄一鸣

（五邑大学化学与环境工程学院,广东江门529020）

粉煤灰资源化过程中的缺陷

黄一鸣

（五邑大学化学与环境工程学院,广东江门529020）

随着粉煤灰资源化利用的快速发展，利用过程中对环境和人类健康造成威胁的一些隐患往往被人们所忽视。该文首先综述了粉煤灰资源化利用的方向，并对其中隐含的问题做出剖析。最后，为将来这些难题的攻关做出了展望。

粉煤灰；资源化；思考

前言

自人们发现粉煤灰具有火山灰的活性性质后，将其用于废水处理方面，以及作为水泥代用品生产混凝土，迄今已有60多年的历程。目前，粉煤灰已被广泛应用于筑路、建工、建材、回填、农业、环保、化工和高性能陶瓷材料等众多领域[1]。对粉煤灰进行废物利用可以获得较好的环境效益、经济效益和社会效益，但是在利用过程中往往会忽略一些问题，而这些问题往往会导致环境污染以及人体伤害。

表1 粉煤灰各成分含量百分比

1 粉煤灰的组成

粉煤灰属海绵状玻璃体，其中大部分是未燃尽的碳和无定形的玻璃体，而结晶相以石英和莫来石为主。此外，还有少量磁铁矿、赤铁矿、长石、金红石和方解石等[2]。粉煤灰中氧化钙含量较高，游离氧化钙表面具有丰富的活性位点，在污水处理方面性能较好。其中也含有微量有害物质，如放射性核素和重金属等等。

表1为台山发电站粉煤灰成分分析的结果[3]。

2 粉煤灰资源化利用方向

2.1 废水处理

粉煤灰可有效地净化电镀、造纸、中草药和印染等行业产生的工业废水（含铬、油、氟、铁、铜、酚等），对调节废水的酸碱度也有很大的作用，在净化含铬和含油废水时效果尤为显著。

利用粉煤灰对浓度较高的含铬废水进行初步处理，成本低，效果优异。当废水中铬含量与粉煤灰用量的比值为4.0mg/2.5g，pH≤2.8，吸附时间为90min时，除铬率可达98%,甚至可达更高，一般工业上能达到95%[4]。

在含油废水的处理上，粉煤灰也突显出它的优良性能。在温度为室温、灰水质量比为1∶10、pH= 10、搅拌时间为30min等工艺条件下，含油废水经粉煤灰处理后，废水含油量由256mg/L降低至9.3 mg/L，除油率高达96.36%，达到国家含油废水排放标准[5]。

2.2 生态水泥

现在我国的建材工业尤其是传统建材工业是天然矿物资源和能源高消耗的行业，给环境和资源带来了巨大的压力，寻找一种适合的水泥原材料替代品已成为现今的一个重大课题。而现在工业界和社会正积极推行生态水泥代替纯天然材料水泥的发展理念，可以利用粉煤灰污泥制造生态水泥以缓解环境和资源紧张的问题，同时还能达到节约资源、节约能源、变废为宝的效果。

普通生态水泥的坍落度损失与普通硅酸盐水泥、高炉水泥相差不多，尤其是在低坍落度情况下几乎相同。生态水泥的早期抗压强度比高炉水泥高，但与普通硅酸盐水泥相比，在低水灰比情况下的整个龄期中，普通生态水泥的抗压强度都稍微低些。不过，若提高水灰比，完全有可能达到相同的抗压强度。另外，实验证明在干燥收缩、抗冻性及耐久性方面，普通生态水泥与普通硅酸盐水泥、高炉水泥几乎相同[6]。

2.3 粉煤灰砖

粉煤灰砖有蒸养粉煤灰砖和蒸压粉煤灰砖2种。蒸养粉煤灰砖是指在常压条件下蒸汽养护制成的粉煤灰砖，蒸压粉煤灰砖是指经高压蒸汽养护制成的粉煤灰砖。这2种砖的原材料和制作过程基本一样，只是二者的养护工艺不一样，同时又有不同的性能。实际应用过程中一般用抗压强度性能较好的蒸压粉煤灰砖，蒸养粉煤灰砖易开裂。

蒸压粉煤灰砖的抗压强度与抗冻性能优异。试验研究发现，粉煤灰15%等量代替水泥时，砂浆的各项性能可达到：抗折强度2.63MPa，抗压强度11.19 MPa，保水率94%，抗冻性满足50次冻融循环要求。混合砂浆及专用砂浆砌体的抗压强度试验值均比规范规定值提高60%，开裂荷载在0.6Pu左右[7]。

2.4 改良土壤

粉煤灰作为土壤改良剂，能够提高土壤保温能力和持水性能，增加土壤容重，调节pH，改善土壤营养状况[8]。有相关数据表明，把粉煤灰加入到栗钙土中可起到减少地表径流和提高土壤含水量的作用，可用于开荒绿化工程[9]。Khan等研究表明，添加粉煤灰后土壤的pH升高，HCO3-、CO32-、SO42-、Cl-、PO43-、K+、Mg2+、Ca2+、Zn2+、Cu2+和Mn2+等多种离子数量增多，使土壤的种植价值有较大幅度的提高[10]。

但粉煤灰的添加量并不是越多越好，随着加入量的不断增加，微生物氧化作用将大大降低，土壤中细菌、真菌和放线菌含量分别减少57%、86%和80%，还会明显地抑制脱氢酶、磷酸酯酶、转化酵素和硫酸酯酶的活性[11]。

3 粉煤灰资源化利用的一些问题

3.1 粉煤灰扬尘

3.1.1 扬尘的原因

粉煤灰是直径非常小的固体颗状物，易随风飘散到各处。当灰场缺乏完善的管理制度和污染防范措施时，住在附近的居民没有办法避免和粉煤灰接触。粉煤灰落在地表水、农田和家中的院子里，厚厚的粉煤灰将成为不得不面对的日常生活的一部分。

运输过程中的扬尘情况也不可小视，主要表现在装卸粉煤灰过程及运输途中所造成的扬尘。在装卸过程中由于存在设备差等问题，粉煤灰必然会造成损失。损失的那一小部分会散落在地上或随风飘扬，对大气造成污染，对生物造成伤害。运输途中汽车上风速可达1～3级，造成的扬尘更为严重。运输造成的扬尘更具有广泛性，污染范围更大，尤其是路途较远时。

3.1.2 扬尘的危害

（1）大气污染：在大多数城市，粉煤灰是悬浮颗粒物的主要来源，特别是冬季，因为用煤量明显增加，导致空气中粉煤灰含量增加。当粒径大于21μm的颗粒沉积在鼻咽内时，可引起肥大性鼻炎，粒径小于21μm的颗粒沉积在支气管与肺内，被血液吸收运送到各器官对人体健康的危害更大[12]。由于粉煤灰中某些颗粒的半径比较小，质量轻，易随风进入大气平流层中，漂浮到世界各地，造成无国界污染。

（2）形成尘肺病：粉尘的颗粒半径越小，在空气中的稳定性越高，悬浮时间越长。吸入粉煤灰尘的机会越多，对人体的危害越大，尤其是从事粉煤灰工作的职工。呼吸性粉尘可以累积在肺泡壁及支气管壁上，长期吸入粉尘易引起以肺组织纤维化为主的疾病，即尘肺病。

（3）对农业及畜牧业的影响：在一些粉煤灰场附近，牛羊食用被粉煤灰尘污染的草叶后会出现掉奶、腹泻、掉仔、甚至死亡的现象。大量扬尘飘落到附近农田中，造成土地盐碱化，庄稼根本没法生长。

3.1.3 扬尘的解决办法

火力发电厂应该适当投资建造封闭式的粉煤灰圆筒储存库和相应的发放设备，提高装卸效率，避免由于装卸次数而产生的污染。同时也可以通过湿排减少装卸和运输过程中的扬尘，但水分要求需要一个合理的范围，一般在12%～23%最佳[13]。水分过大会造成灰体发黏，对装卸和运输造成困难；水分过少，则易造成扬尘。

3.2 污染水资源——以广东省为例

广东省地处低纬，面向海洋，水汽充足，属热带亚热带季风气候，湿热多雨，降水丰沛。大多数的粉煤灰场没有做防渗措施，也没有筑坝进行围栏。堆放在贮灰池中的粉煤灰，因雨水淋滤，会污染地表水及地下水[14]。粉煤灰中的某些有害元素会溶于水中，对水资源造成污染，其中比较明显的是使水体的酸碱度升高，有毒的砷、铬等元素的含量增加，而铬（Ⅲ）在水中还会进一步转化成毒性为自身100倍的铬（Ⅵ）。若地下水被污染，将造成难以估量的损失，并直接威胁到人类的身体健康。

广东省面临南海，直接承受来自印度洋孟加拉湾及太平洋水汽的输入，气候温暖湿润，降水丰沛，河川径流量完全由降水补给，水资源较丰富。但广东省人口众多，人均占有水资源量只达到全国平均水平。同时，广东省的人口和经济集中于珠三角和江河下游地区，经济、人口、资源和环境具有不均性，导致一些地区水资源的供需矛盾突出，存在着不同程度的缺水。因此，我们需要保护水

资源，避免我们赖以生存的生命线被污染，利用粉煤灰的同时保护水资源的难题亟待人们攻克。

3.3 放射性污染

煤炭资源在上千万年的漫长形成过程中和一些放射性物质共生，因此原煤中含有多种天然放射性核素。根据原子物理学的知识可知，原子结构不会随空间的改变、电子得失、化学键的断裂与生成以及温度的改变（除特高温度外，如核爆时中心的温度、太阳核聚变温度）而改变。由此可得，放射性物质会残留在粉煤灰中，在粉煤灰产品中产生相对富集作用。

在粉煤灰的利用过程中，可能会对人体造成一些不利影响。以粉煤灰砖为例，如果粉煤灰砖中的放射性元素含量超标，会对人体造成严重危害，会出现目眩、胸闷、头昏和脱发等症状。由于放射性物质的半衰期都比较长，辐射可影响数代人，甚至是十几代。氡是镭的衰变产物，镭是铀的衰变产物，氡的危害实质上是氡及其子体在衰变过程中释放出来的α射线对人体的内照射，除了损伤肺部和上呼吸道以外，还会加速某些慢性疾病的发展，严重时还会引起基因变异或致残[15]。

3.4 粉煤灰利用过程中有害物质的二次释放

我国粉煤灰的主要利用方式包括建材生产、建筑工程、道路施工和农业利用。建材生产中的高温工序以及日常雨水的淋滤作用，可能会导致粉煤灰中有害物质的二次释放。孟阳等对汞在粉煤灰综合利用过程中的二次释放量进行了评估[16]。试验数据显示，蒸养砖的生产过程中，汞的释放率主要受到粉煤灰中氯化亚汞和氯化汞比例的影响，平均释放率为28%；而在水泥生产过程中，98%以上的汞会因高温而被释放。魏芳等研究了水泥中不同重金属（Cr、Pb、Cu、Ni、Cd、Zn、Sb、Mn、As、Co、V）在不同浸出条件下的释放特性[17]。结果表明，在地下水与酸雨模拟条件下，细粒径水泥中Cr元素的浸出量最多，分别达到了6.128 mg/kg和2.812mg/kg，而在海水模拟条件下，浸出量最多的是粗粒径水泥中的V元素，达到5.630mg/kg。

粉煤灰在建材行业中进行利用，无论是在产品制作过程中还是在日后的使用中均有污染物释放。如何改变生产工艺或添加某种物质使其污染物在产品内部进行“区室化”或进行鳌合反应，以减少生产过程中以及产品日后使用中有害物的二次排放，是粉煤灰综合利用过程中一个亟需解决的难题。