粉煤灰作土壤改良剂的研究进展

方超，张治国，郑永红,2,3，陈永春，马程楠，陈芳玲，蔡维卿，张致林*

(1.安徽理工大学地球与环境学院， 安徽 淮南 232001； 2.淮南矿业(集团)有限责任公司，安徽 淮南 232001； 3.煤矿生态环境保护国家工程实验室， 安徽 淮南 232001)

我国是以煤为主要能源的国家之一，煤炭也是电力生产的基本燃料，全国将近76 %的电力是由燃煤电厂产生的。每年通过燃煤电厂发电所消耗的煤炭大约有18亿t，粉煤灰是燃煤电厂煤粉燃烧后形成的灰渣，是我国工业固体废物的主要来源之一。随着我国经济发展对电力的需求增大，粉煤灰的产量也会逐年增加。2020年底我国粉煤灰年产量达到9×108 t，2021年中国粉煤灰总堆积量预计达到30亿 t[1]。大量粉煤灰的堆存不仅占用土地，同时也对土壤、大气造成严重污染。粉煤灰中含有大量的常量元素如 Al、Fe、S等，还有Cr、Hg、Mn、Pb、Zn等环境敏感性微量元素，在自然风化和降水淋滤的作用下，这些微量元素会随雨水排出，对周围土壤、地下水以及地表水等产生影响，且微量元素的含量越大，粉煤灰对人体健康和生态环境安全的危害就越大[2]。可见，对粉煤灰的合理处置和资源化利用已引起国内外的广泛关注。

一、粉煤灰的来源和分类

粉煤灰是煤粉在锅炉内燃烧后产生的一种粉状颗粒。以电厂燃烧煤粉的锅炉作为反应炉，经过煤粉燃烧、灰渣烧结、碎裂、颗粒熔融、骤冷成珠等一系列复杂的物质转变和化学反应过程形成的。由于各电厂燃烧的煤种、煤质，锅炉类型以及燃烧和除尘方式的不同，不同粉煤灰的性质差异很大。根据粉煤灰的细度和烧失量可以将粉煤灰分为：细灰、中灰和粗灰；根据粉煤灰中含水率的变化分为干灰、陈灰和湿灰；根据粉煤灰的酸碱度分为碱性粉煤灰、中性粉煤灰和酸性粉煤灰[3]。在粉煤灰的形成过程中，在其表面张力作用下，产生大量表面凹凸不平的空心微珠，这些微珠是粉煤灰中的主要颗粒。微珠上分布着细小且不均匀的微孔；还有一部分因在熔融状态下互相碰撞而连接，形成粗糙表面，棱角较多的蜂窝状粒子。这种高温状态下熔融体与气体共同作用形成蜂窝状微观形态，是粉煤灰容重低、孔隙度大及比表面积大的原因。并且粉煤灰自身存在离子交换作用和硬凝反应，施入土壤后，还能降低土壤的胀缩效应、提高土壤的强度，从而减小土壤的膨胀率，有利于防止土壤流失。另外，粉煤灰自身含有多种可被植物利用的营养成分，可以改良土壤养分特性，促进植物生长。

二、粉煤灰对土壤的改良效应

(一) 对土壤物理性质的影响

粉煤灰对土壤物理性质的改良主要体现在增加孔隙率、降低容重、改善土壤结构等方面。粉煤灰的施入能使黏土的物理性质得到改善，使土壤变得疏松多孔，提高土壤的透气性，从而促进作物生长、提高产量[4]。

1.土壤水分。粉煤灰施加进土壤以后，土壤中的水分变化显著。有利于土壤保湿保墒，使水、肥、气、热趋向协调，为作物生长创造良好的土壤环境。赵亮等通过实验发现沙质土壤中施加粉煤灰，可以减小湿润锋的下移速率，增强土壤的持水性能[5]。相关研究发现粉煤灰表面富含大量结晶型二氧化硅，相互间键合能力较弱，可有效抑制土壤黏粒间的复合，提高黏土毛管孔隙的百分含量，提升土壤水分的有效库容[6]。

2.土壤容重与团聚体

粉煤灰施加进黏质土壤，使其变得疏松，降低土壤容重。王娟等研究发现施入粉煤灰可以有效地降低土壤容重;马新明等进行的田间试验表明，施用粉煤灰后土壤容重降低，孔隙度增大，且土壤容重随着粉煤灰施用量的增加呈现逐步递减的趋势。南昌火力发电厂粉煤灰改土试验表明：以重量比为6.5 %的灰土比可使土壤容重由1.36 g/cm3降至1.26 g/cm3。另外粉煤灰的施入可以增加土壤中大于1 mm水稳性团聚体的数量，改善土壤结构。

(二) 对土壤化学性质的影响

1.对土壤pH的影响。依据pH值可以将粉煤灰分为酸性粉煤灰和碱性粉煤灰，利用化学中的酸碱中和原理，碱性粉煤灰用于改良酸性土壤，酸性粉煤灰改善碱性土壤，保证土壤的酸碱度在合理的范围之内。粉煤灰中含有钾、钠、钙、镁等碱性金属, 施加入土壤后呈碱性反应。土壤中施加粉煤灰后 2～10年测定混合物和地下水，发现其 pH值均与本底接近, 均在作物正常生长的范围之内。李久玉等研究表明，粉煤灰能增加酸性土壤pH，起到改良酸性土壤的效果。

2.对土壤养分的影响。粉煤灰中含有多种植物可利用的营养成分，例如有效磷和速效钾。冯跃华等研究发现，粉煤灰中的有效磷和全磷含量显著高于土壤，适当的施入粉煤灰可以有效提高土壤中的磷含量[7]。司元通过利用粉煤灰改良退化土壤试验发现：经过粉煤灰与其他固体废物混合施用改良后的土壤养分特性好，生长力高。宋爽试验得出粉煤灰与土壤混合后短期内土壤内的养分有所下降，后期土壤内的全氮和有机质含量增加，这是由于粉煤灰的施入使土壤的孔隙度增加，透水透气性变好，从而氮的固定效果增强。

3.对土壤重金属的影响。施加粉煤灰对土壤中的重金属的具有固化作用并且可以促进植物对土壤中重金属的吸收。粉煤灰较大的比表面积和碱性有助于重金属的沉淀。李国学等试验发现粉煤灰的加入可以明显降低Zn、Mn元素的有效性。DongXu等利用改性后的粉煤灰探讨对土壤中的Cd、Mn行为的影响，实验表明改性后的粉煤灰对土壤中的Cd有显著的稳定作用，另外土壤中的有效Pb含量也大大降低[8]。学者Mahar Amanullah对粉煤灰固化Cd、Cu和Pb等重金属进行了研究，表明粉煤灰在土壤改良过程中对于土壤重金属固化的有益效果[9]。武琳等通过对粉煤灰中重金属形态进行测定，对其污染风险进行了综合评价，结果表明粉煤灰的重金属内梅罗综合污染指数为1.39，评价标准为三级，潜在生态危害指数RI值为85.45，为轻微危害水平[10]。

(三) 对土壤微生物和酶活性的影响

土壤中微生物和酶的活性主要依赖于土壤的理化性质，粉煤灰对土壤理化性质的影响间接的对其产生影响，同时其自身的理化性质可能也会影响土壤中微生物活性。如粉煤灰作为改良剂添加到砂姜黑土后，土壤孔隙度和土壤通透性增加、地温提升，从而促进了好气性微生物的大量繁殖，使微生物数量随粉煤灰施入量的增加而增加。粉煤灰的施入可以改善土壤微生物活性，白浆土试验表明：粉煤灰施入土壤以后，大豆自开花期土壤根系层的微生物活性明显增强，一直到籽实成熟期，细菌、真菌和放线菌的数量都表现有一致的增长趋势。杜慧玲等的研究表明，每公顷施用粉煤灰150 t以上时，土壤中各种微生物的种类和数量明显增加，土壤酶活性也有显著的提高。但过量的使用粉煤灰，由于其理化特性如pH值、盐度、和部分微量元素的毒性，也会限制微生物的生长繁殖。

三、讨论

粉煤灰作为土壤改良剂的修复研究目前仍处于实验室阶段，尽管众多研究者的试验研究结果证明粉煤灰改良及修复土壤是有效可行的，但在实际应用过程中仍存在一些问题，还需要研究者去进一步的探索研究。目前，粉煤灰作为土壤改良剂在实际应用过程中主要存在以下问题：一是，粉煤灰施用量以及种类问题。粉煤灰在施加进土壤之前应对粉煤灰自身的理化性质、土壤类型及土壤的理化性质进行定性定量分析，根据试验结果以确定粉煤灰的施用量和种类，合理科学地应用粉煤灰改良修复土壤，避免对土壤产生负面影响。二是，粉煤灰中含有重金属以及有毒有害物质对土壤的潜在污染问题。粉煤灰中含有的重金属和有毒有害物质进入待修复土壤以后会加剧土壤的恶化，甚至会造成待修复土壤周边地下水的重金属污染。据研究表明一次适当的施加或少量多次的施加粉煤灰后短期内不会造成重金属污染。但是长期时间内是否会对土壤及地下水造成重金属污染，目前还有待研究。因此，发粉煤灰的无害化应用，如对粉煤灰进行淋洗降低重金属和盐分的溶出也是资源化利用的研究重点。三是，粉煤灰与其他固体废弃物联合施用的配比问题。由于粉煤灰中有机质和氮元素含量较低，单一施用粉煤灰改良土壤无法均衡供应土壤营养。粉煤灰与其他固体废弃物联合使用可弥补其单一施用的不足，但固体废弃物的种类、配比比例及联合使用方式均会影响改良效果。因此，通过试验研究筛选出与粉煤灰相匹配且适宜的固体废弃物以合适的配比和合理的联合使用方式，寻求对土壤改良达到最佳效果；同时应注意这些固体废弃物对环境的影响，积极对改良后的土壤进行污染风险评估。

四、结论与展望

由于粉煤灰自身的物理、化学特性，其对土壤的改良效果显著。第一，粉煤灰堆积密度小、比表面积和孔隙率大的特点，能够起到降低土壤容重，施加粉煤灰可以增大土壤孔隙率，改善了土壤的物理特性，有效改善土壤结构的作用。第二，粉煤灰中含有多种植物可利用的微量元素，配比使用可以有效增加土壤的养分，改善土壤微生物活性，加速土壤中的养分被植物吸收利用。也可以利用粉煤灰的酸碱性可以分别改良盐碱土壤和酸性土壤，改善土壤pH值，提高农作物产量。第三，目前粉煤灰对各类型土壤的改良及修复大多集中在实验室研究阶段，今后应当逐步推广到实际应用过程中，理论研究和实际应用相结合才能更好的证明粉煤灰作为土壤改良剂的可行性，推动粉煤灰资源化利用的发展。