粉煤灰在土壤改良和污染治理中的研究進展

王祎瑋 侯迎迎 王祖?zhèn)?/p>

（天津師范大學城市與環(huán)境科學學院 天津 300387）

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，國民用電量不斷上升，目前，我國電力工業(yè)70%的發(fā)電量仍然由燃煤產(chǎn)生，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，平均每發(fā)電1×104kW，排放的廢渣就將近1×104t。電力工業(yè)排放的固體廢棄物主要是灰渣和粉煤灰，截止到現(xiàn)在，其貯量已經(jīng)超過10×108t，我國也獲得了世界上最大粉煤灰生產(chǎn)和貯存國的尷尬頭銜，而最具諷刺的是，我國對粉煤灰的利用率還不到30%，大量粉煤灰的不合理堆棄，嚴重污染了土壤、水體、大氣等，如何提高粉煤灰利用率，已經(jīng)成為一項重要的研究課題，其在土壤改良和污染治理中的應用，就是該項課題的兩個重要研究方向。

1 粉煤灰的理化性質(zhì)

1.1 粉煤灰的外觀特性

粉煤灰是煤粉燃燒生成的產(chǎn)物，由多種顆粒機械混合而成，這些顆粒大體上可以分為5種類型：珠狀、渣狀、鈍角、碎眉以及粘聚顆粒，其主要來源于以煤粉為燃料的火電廠以及城市集中供熱鍋爐，火電廠以及城市供熱對粉煤灰的處理基本上采取的是濕排灰，這種方式不僅耗費水電，污染環(huán)境，也不利于對排出的粉煤灰進行綜合利用。就粉煤灰的外觀來看，與水泥比較相似，呈現(xiàn)出來的顏色為白色或灰黑色，其顏色是衡量粉煤灰質(zhì)量的一項重要指標，除了能夠反映含碳量外，還能夠在一定程度上反映粉煤灰的細度，通常情況下，顏色越深，粉煤灰顆粒就越細，含碳量也就越高；顏色越淺，粉煤灰顆粒則越粗，含碳量也就越低。就其鈣質(zhì)來看，顏色偏黃的屬于高鈣粉煤灰，顏色偏灰的屬于低鈣粉煤灰。

1.2 粉煤灰的組織結(jié)構(gòu)

粉煤灰之所以會呈現(xiàn)出多孔型，是因為粉煤在燃燒過程中，其揮發(fā)要先從礦物質(zhì)和固體碳之間的縫隙逸出，生成煤灰的顆粒狀態(tài)雖然還保持原煤粉的不規(guī)則碎屑狀，但因多孔特點，反而增加了其表面積。袋粉煤的有機質(zhì)完全燃燒后，其中的礦物質(zhì)也將隨之發(fā)生變化，被氧化成無機物，這時的粉煤灰會表現(xiàn)為多孔玻璃體，比表面積又開始降低。因燃燒還在進行，多孔玻璃體受熱會逐漸收縮，最后形成顆粒，在其孔隙率降低的同時，粒徑也會隨之變小，而圓度則會不斷提高，最終由多孔玻璃轉(zhuǎn)變?yōu)橐幻芏容^高、粒徑較小的密實球體，顆粒比表面積下降為最小。在顯微鏡下，粉煤灰顆粒呈多孔型蜂窩狀組織，并且珠壁呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，其粒徑在0.5~300μm之間，孔隙率在50%~80%之間，有很強的吸附活性和吸水性。粉煤灰是由結(jié)晶體、玻璃體以及少量未燃炭組成的一個復合結(jié)構(gòu)的混合體，其中，結(jié)晶體主要由石英、磁鐵礦等組成，玻璃體主要由小顆粒、玻璃體粒子、玻璃體球等組成，未燃炭多呈現(xiàn)為疏松多孔形式[1]。

1.3 粉煤灰的化學成分

粉煤灰的化學成分及其含量會因煤的產(chǎn)地、燃燒方式以及燃燒程度的不同而有所不同，我國電廠工業(yè)排放的粉煤灰，其化學成 分 主 要 為：SiO2、Al2O3、CaO、MgO、FeO、Fe2O3、TiO2、Na2O、K2O、MnO2、SO3等，此外還有P2O5等，主要氧化物后成比例為：SiO2（1.30%～65.76%），Al2O3（1.59%～40.12%），F(xiàn)e2O3（1.50%～6.22%），CaO（1.44%～16.80%），MgO、（1.20%～3.72%），燒失量（1.63%～29.97%）；其元素質(zhì)量分數(shù)為：O（47.83%），Si（11.48%～31.14%），Al（6.40%～22.91%），F(xiàn)e（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%）。粉煤灰的活性來自于活性SiO2和Al2O3(玻璃體SiO2和Al2O3)在一定堿性條件下的水化作用，有一部分Si是以CaSO4的形式存在，這對粉煤灰前期強度的發(fā)揮起到了一定作用，Ca含量在粉煤灰中占3%左右，這對膠凝體的形成起到了一定的幫助[2]。

1.4 粉煤灰的物理性質(zhì)

根據(jù)粉煤灰的組織結(jié)構(gòu)，分析粉煤灰的物理性質(zhì)主要考慮到細度、密度、堆積密度、比表面積等，這些物理性質(zhì)是對粉煤灰化學成分以及礦物組成的宏觀反映，鑒于粉煤灰主要氧化物構(gòu)成的波動范圍較大，其物理性質(zhì)也存在著比較大的差異也很大。粉煤灰的密度為1.90～2.90（g/cm3），堆積密度為0.53～1.26（g/cm3），比表面積為（cm2/g），原灰標準稠度為27.31～66.72（%），吸水量為89.00～130.00（%），28d抗壓強度比為37.00～85.00（%）。在這些物理性質(zhì)中，粒度和細度是非常重要的兩個項目，二者直接影響著粉煤灰的其他物理性質(zhì)以及早期的水化反應[3]。

2 我國當前粉煤灰的利用現(xiàn)狀

我國的能源構(gòu)成以煤炭為主，煤炭也是我國電力生產(chǎn)的基本燃料。隨著我國電力工業(yè)的快速發(fā)展，全國范圍內(nèi)每年所排放的粉煤灰排放量也在急劇增加，這給我國的經(jīng)濟建設以及生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的挑戰(zhàn)。“只有放錯地方的資源，沒有真正的廢棄物”，用這句話來描述粉煤灰最恰當不過，對粉煤灰進行綜合利用，變廢為寶、變害為利，這正是我國經(jīng)濟建設中一項重要的技術(shù)經(jīng)濟政策，也是解決我國當前電力生產(chǎn)過程中資源缺乏與環(huán)境污染之間矛盾的重要手段，更是堅持可持續(xù)發(fā)展，建立資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的必然要求。

近年來，經(jīng)過不斷的探索和研究，粉煤灰在建工、建材、水利等部門都得到了一定的應用。在全球性能源危機的大背景下，礦物資源匱乏以及環(huán)境污染問題的嚴峻激發(fā)了國際社會對粉煤灰綜合利用的開發(fā)和研究，相關(guān)工作在日趨深入，并且在應用方面也取得了一定的成效。在國際市場上，粉煤灰已經(jīng)由過去的廢棄物變?yōu)楝F(xiàn)在引人注目的一種價格低廉且極為豐富的資源。在國內(nèi)，對粉煤灰的綜合利用也開始由理論研究過渡到應用研究，尤其注重對其進行資源化的開發(fā)利用，打破了過去對粉煤灰單一的利用方式，提高了對其利用率，主要表現(xiàn)為：對粉煤灰的處理與利用已經(jīng)從過去的環(huán)境保護角度轉(zhuǎn)變?yōu)橘Y源化開發(fā)和綜合利用，利用途徑也開始從過去的填方、路基、土壤改造、混凝土摻和料、等簡單應用，發(fā)展為高級填料、水泥混合材、大體積混凝土制品、泵送混凝土、大型水利樞紐工程等高級化應用。在這里，我們介紹一下粉煤灰在土壤改良和污染治理方面的應用[4]。

3 粉煤灰在土壤改良方面的應用

3.1 改善土壤理化性質(zhì)

粉煤灰在土壤改良方面的應用，首先體現(xiàn)在能夠改善土壤的理化性質(zhì)，粉煤灰對土壤物理性質(zhì)的影響主要是降低容重，增加孔隙率，提高地溫，降低膨脹率，改善土體結(jié)構(gòu)，實踐證明，粉煤灰對改善黏質(zhì)土壤起到了良好的效果，這對改善我國南方一些黏質(zhì)土壤的物理性質(zhì)提供了一條新的途徑。由于粉煤灰的酸堿成分決定其pH值，對于酸性土壤而言，施入堿性粉煤灰就會提高土壤的pH值，從而起到改善酸性土壤的目的；對于堿性土壤而言，施入酸性粉煤灰就會降低土壤的pH值，從而起到改善堿性土壤的目的，這對我國華北地區(qū)鹽堿地的治理提供了一條新的途徑。由此可見，將粉煤灰施入黏質(zhì)土壤后，土壤的黏粒含量和容重就會降低，孔隙度則會增加，從而實現(xiàn)對土壤的三相比以及酸堿性的調(diào)解。此外，粉煤灰具有良好的吸熱性能，在土壤中施入粉煤灰可以提高地溫以及土壤含水量，這對改善栗鈣土和沙質(zhì)土都能起到良好的效果[5]。

3.2 提高土壤養(yǎng)分狀況

在土壤中施入粉煤灰，可以增加土壤中碳酸鹽、碳酸氫鹽、硫酸鹽、Ca、P、K、B、Mg、Cu等養(yǎng)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，粉煤灰對土壤中的磷肥起到了一定的緩效作用，大大提高了磷肥的可利用性；將粉煤灰作為硅肥施入土壤，可以有效地提高土壤的供硅能力，尤其是在稻田地，不僅能夠改善稻田地硅素肥力狀況，還可以促進水稻對硅素養(yǎng)分的吸收，從而提高水稻產(chǎn)量，改善稻米品質(zhì)。此外，施加粉煤灰后，還能夠影響到土壤中微生物的活性，研究表明，土壤施入粉煤灰后，能夠加快有機成分在土壤中的腐殖化過程，提高青霉菌含量，增強土壤中生物抗性，也可以增強土壤中的磷酸酶、芳基硫酸酯酶的活性，尤其是對白漿土微生物活性的提高，效果非常明顯。值得注意的是，粉煤灰本身的毒性也會抑制酶活性以及轉(zhuǎn)化酵素活性，因此，利用粉煤灰改良土壤時，一定要注意到粉煤灰的額施入量[6]。

4 粉煤灰在污染治理方面的應用

4.1 廢水處理

粉煤灰的分子結(jié)構(gòu)中存在著大量的活性點，如Si、Al等，具有良好的物理吸附性能，其在廢水處理領(lǐng)域被應用得比較廣泛，相關(guān)實驗證明，將18g粉煤灰投入到100ml濃度為100mg/L的活性艷紅廢水中，去污率可達到97%以上。在具體實踐中，直接利用粉煤灰對廢水進行處理，其效率并不高且會浪費對粉煤灰的使用量，如在上述實驗中，如果加入NaOH，不僅會使去污率提高，還會減少粉煤灰的用量，因此，在處理造紙、制藥、印染等工業(yè)廢水過程中，通常還會加入一定量的助凝劑，經(jīng)過改性以增強粉煤灰的吸附性能。

4.2 廢氣濾除

粉煤灰的組織結(jié)構(gòu)中含有大量的堿性物質(zhì)，如MgO、CaO、K2O、Na2O等，這些堿性物質(zhì)可以用來中和酸性污染氣體，粉煤灰中含有的未燃盡碳，又可以用來吸附煙氣中的硫和氮，起到脫硫、脫氮的效果。實驗證明，在水合作用下，氫氧化鈣與粉煤灰的比為1：10，消化溫度為90℃，反應12h，脫硫活性能夠提高5倍。粉煤灰在廢氣濾除的應用中，往往會先對其進行改性，以提高其比表面積和孔隙率，從而增加其吸附容量，提高其吸附效率和吸附速度。

4.3 重金屬鈍化

重金屬的生物有效性與重金屬的形態(tài)與其生物有效性存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系，粉煤灰在污染治理方面的應用，常常借助于化學修復技術(shù)，即向被污染的土壤中投入某種改良劑，充分發(fā)揮粉煤灰對對重金屬的吸附、氧化還原以及沉淀的作用，從而降低重金屬的生物有效性。作為一種改良劑，將粉煤灰施入被污染的土壤中或者是污泥中，能夠起到鈍化重金屬的作用，尤其是在粉煤灰合成沸石后，其陽離子交換容量以及比表面積都會得到較大幅度的提升，這會使離子交換和吸附能力得以增強，從而抑制重金屬在土壤中的遷移[7]。

5 結(jié)論

我國每年會從發(fā)電廠排出大量的粉煤灰，這些粉煤灰也是一種資源，但是能夠被利用的卻僅僅是一小部分，其余則被堆存或直接傾入河水中排放掉，這不僅是對資源的一種浪費，也嚴重影響了環(huán)境，粉煤灰的綜合利用與資源化越來越受到社會的重視。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，但也存在著一定的問題，在對其應用過程中，應注意對其理化性質(zhì)的研究，以實現(xiàn)對其更好地利用。

[1]王娟，熊又升，張志毅，等.粉煤灰在土壤改良和污染治理中研究進展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2012，30（8）:14811-14813.

[2]呂志敏，李仙粉，任福民，等.綜合利用電廠粉煤灰的重金屬問題[B].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2006，12（4）：58-59.

[3]劉莉，楊盡，蘇曉麗.粉煤灰在土壤改良中的機理研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2010，38（31）：166-167.

[4]張鴻齡，孫麗娜，孫鐵珩等.粉煤灰鈍化污泥人工土壤理化性質(zhì)研究[J].環(huán)境科學，2008，29（7）：2068-2072.

[5]楊劍虹，車福才.粉煤灰的理化性質(zhì)與農(nóng)業(yè)化學行為的研究[J].植物營養(yǎng)與肥料學報，2007，3（4）：341-348.

[6]馮躍華，胡瑞芝，張楊珠，等.幾種粉煤灰對磷素吸附與解吸特性的研究[J].應用生態(tài)學報，2005，16（9）：1756-1758.

[7]趙艷鋒，林罡明，王亞凡.粉煤灰處理活性染料廢水的研究[J].粉煤灰綜合利用，2011，6（1）：31-32.