粉煤灰在土壤中作用的研究進(jìn)展

關(guān)紅飛，張 雷

（陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)，西安710075）

粉煤灰在土壤中作用的研究進(jìn)展

關(guān)紅飛，張 雷

（陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)，西安710075）

在我國(guó)貯存閑置著大量粉煤灰，是一種可利用的資源。文章介紹了粉煤灰的理化性質(zhì)，綜述了粉煤灰在土壤改良中的作用，如改善土壤物理性質(zhì)，增加土壤營(yíng)養(yǎng)成分，影響土壤生物活性，治理鹽堿地以及修復(fù)治理重金屬污染。粉煤灰也可用于土地整治工程，改變土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤的生產(chǎn)力，是高質(zhì)量完成土地工程的有力保障。但是，粉煤灰的大量使用，仍要重視其性質(zhì)的檢測(cè)及預(yù)處理。

粉煤灰 土壤改良 土地整治

我國(guó)熱電廠每年發(fā)電產(chǎn)生的粉煤灰達(dá)上億噸，多數(shù)堆積貯存，破壞著整個(gè)生態(tài)圈的大氣、水體、土壤等，嚴(yán)重威脅著區(qū)域環(huán)境，對(duì)人類(lèi)和環(huán)境造成危害[1]。因此粉煤灰的處理和利用問(wèn)題已引起人們的關(guān)注。目前，粉煤灰大多用于工業(yè)中如建筑工程，生產(chǎn)磚、水泥等，或者用于土壤改良[2]。隨著對(duì)粉煤灰土壤理化性質(zhì)的研究，其在土壤改良和環(huán)境污染治理方面開(kāi)始應(yīng)用[3]，例如廢水處理、廢氣凈化和重金屬治理等污染治理方面都可以利用粉煤灰有效的進(jìn)行處理[4]。粉煤灰在綠色經(jīng)濟(jì)的發(fā)展理念下得到有效地利用。

1 粉煤灰的基本性質(zhì)

粉煤灰是一種灰白色粉狀物料，由不同粒徑和形狀的顆?；旌隙傻?，其不同比例的顆粒組成理化性質(zhì)決定著其理化性質(zhì)。粉煤灰顆粒形狀規(guī)則不一，容重較低，密度為2.1～2.4 g/cm3，粒級(jí)在10～1 000 um區(qū)間約占85%以上，滲透速度比土壤快。粉煤灰呈多孔性表面粗糙的蜂窩狀組織，孔隙度較大，大比表面積，一般在2 500～5 000 cm2/g，使其比土壤具有更好的透水、透氣性，因此粉煤灰吸附活性很強(qiáng)。粉煤灰的主要化學(xué)成分是常見(jiàn)的金屬氧化物如Si、Al、Fe、Ca、C等，此外還有少量的Mg、 Na、K、S等以及砷、銅、鋅等微量元素。粉煤灰中硅、鋁、鐵、鈣含量最多[5]；Na，P，K和S占0. 5%～3. 5 %，此外也有部分微量元素如B、Cu、Mn等[6-7]。粉煤灰中存在著植物生長(zhǎng)所需的多數(shù)營(yíng)養(yǎng)元素。

2 粉煤灰在土壤修復(fù)改良中的應(yīng)用

2.1 粉煤灰改變土壤理化性質(zhì)

在土壤改良中粉煤灰可以改善土壤結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)不同土壤類(lèi)型的質(zhì)地，改變土壤容重和孔隙度[8]。粉煤灰粒徑都在微米級(jí)別，與砂壤土相似，施加適量的粉煤灰可以改變黏土、砂土的質(zhì)地，達(dá)到適合作物生長(zhǎng)的質(zhì)地條件[9]。趙亮等在沙土中添加不同比例的粉煤灰，檢測(cè)出砂粒含量降低11%～18%，而且土體中粉粒所占比例也顯著提高，有效的降低了沙土的砂粒含量，沙土的物理組成可以改變?yōu)樯橙劳羀10]。同時(shí)，粉煤灰的添加改變了土壤結(jié)構(gòu)，研究中隨著施用粉煤灰比例增加，土壤的容重逐漸增大，孔隙度逐步減小，較小粒徑的灰粒滲入到孔隙大的顆粒中，從而使形成單位體積內(nèi)容重增加，土粒增多。粉煤灰改良的方法明顯改善了沙質(zhì)土的質(zhì)地特性，土壤中有效含水量增加，土壤中水分利用效率得到提高。目前多數(shù)研究表明，土壤中施入粉煤灰后土壤物理結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，例如容量降低、地溫升高、孔隙度增加、膨脹率縮小等，土壤中微生物活性增強(qiáng)，有利于土壤中養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，保墑保濕，協(xié)調(diào)水、肥、氣、熱等循環(huán)趨向，為作物生長(zhǎng)創(chuàng)造良好的土壤生態(tài)環(huán)境[11-12]?；哪貐^(qū)土壤以沙粒為主，滲透性強(qiáng)，漏水漏肥，非常不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，利用粉煤灰對(duì)沙化地改良可以克服這些弊端，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力[13]。

2.2 粉煤灰提供營(yíng)養(yǎng)成分

粉煤灰是復(fù)雜的富含多種礦物的混合物料，其中含有植物所需的大量營(yíng)養(yǎng)元素及有機(jī)物和粘土礦物[14]，具有較高活性，其微觀形態(tài)常見(jiàn)有為蛋殼狀球形、橢球形，內(nèi)部存在大量的孔隙，有利于保持土壤濕度和改善土壤結(jié)構(gòu)。粉煤灰是一種高活性，由多種顆粒機(jī)械混合而成。通常情況下，顏色越深，粉煤灰顆粒就越細(xì)，含碳量也就越高。從鈣質(zhì)角度判斷，高鈣粉煤灰顏色偏黃，低鈣粉煤灰顏色偏灰[15]。粉煤灰成分中中含有較多的有機(jī)質(zhì)，從而在量上增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，使得土壤結(jié)構(gòu)得到改善，增加了土壤中N，P，K的含量，增強(qiáng)土壤的綜合肥力。牟俊山等利用粉煤灰進(jìn)行改良土壤，通過(guò)大田種植玉米的試驗(yàn)研究得出，灰分低含有有害元素少量的粉煤灰，可以補(bǔ)充土壤微量元素，增加土壤營(yíng)養(yǎng)成分，并且達(dá)到農(nóng)作物增產(chǎn)的效果[16]。粉煤灰同時(shí)影響農(nóng)作物的氮化作用和硝化作用，粉煤灰摻入耕作層植物中氮含量增加[17]。

2.3 粉煤灰影響土壤生物活性

利用粉煤灰吸附改良土壤過(guò)程中，土壤的理化性質(zhì)在一定程度上發(fā)生改變，可以促進(jìn)土壤中微生物的繁殖生長(zhǎng)。粉煤灰的成分比較復(fù)雜，微量的毒性物質(zhì)會(huì)對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的改變，可能會(huì)影響土壤中菌落的生長(zhǎng)和酶的活性[18～19]。在粉煤灰對(duì)白漿土微生物影響的研究試驗(yàn)中表明，土壤中微生物的活性可以顯著提高，粉煤灰利于促進(jìn)白漿土中有機(jī)成分的腐殖化過(guò)程，青霉菌含量提高，并且土壤中生物抗性有效增強(qiáng)，使有益微生物發(fā)揮更多的優(yōu)勢(shì)，土壤肥力增加。Goural等[20]研究成果表明，土壤中粉煤灰在一定的用量范圍時(shí)，土壤腐殖質(zhì)中的磷酸酶、芳基硫酸酶活性增強(qiáng)，暫時(shí)性地抑制土壤中細(xì)菌、真菌和放線(xiàn)菌活性，而脫氫酶活性則不受影響。生物肥料與粉煤灰混合使用可以有效的改善土壤環(huán)境，此過(guò)程中是添加一定比例的堿性粉煤灰后對(duì)土壤中的微生物活性和呼吸作用沒(méi)有出現(xiàn)明顯的抑制[21]，此外隨著使用量的增加會(huì)逐漸影響微生物的活性。土壤中微生物是其重要的生命體，是保持土壤有機(jī)活性的重要物體，粉煤灰可以有效地調(diào)節(jié)微生物的活性。

2.4 粉煤灰對(duì)鹽堿地的改良

在粉煤灰可以調(diào)節(jié)鹽堿土的pH值降低，改變土壤孔隙。隨著土壤培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤pH值有變小的趨勢(shì)[22-23]。黃河等[24]通過(guò)盆栽試驗(yàn)得出粉煤灰可有效地促進(jìn)土壤中Na+的淋洗，降低HCO3-含量，同時(shí)增加Ca2+，Mg2+，SO42-，K+含量。石膏、粉煤灰和油脂素三者混合施用時(shí)效果最好，粉煤灰呈堿性，和酸性磷石膏改良劑配合，可調(diào)整酸堿性，因而選擇粉煤灰作為改良礦物。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤中Na+，HCO3-有越來(lái)越少的趨勢(shì)，而其他幾種鹽離子趨勢(shì)不明顯。粉煤灰對(duì)土壤中Cl-的改良效果不顯著。

2.5 重金屬吸附

物質(zhì)的性質(zhì)與其存在的化學(xué)狀態(tài)有著必要的聯(lián)系，重金屬的化學(xué)存在狀態(tài)也同樣決定著其性質(zhì)。在空氣、水、土壤中的重金屬對(duì)人類(lèi)的身體健康影響明顯。在水、氣、土三大環(huán)保領(lǐng)域中，采用化學(xué)修復(fù)手段，利用特定的化學(xué)試劑改變重金屬的存在狀態(tài)，改變其活性從而抑制重金屬的遷移[25]。在土壤污染治理方面過(guò)程中，粉煤灰用作改變重金屬狀態(tài)的化學(xué)試劑，在以土壤膠體和腐殖質(zhì)載體下粉煤灰有效發(fā)揮其對(duì)重金屬的吸附和沉淀作用，降低重金屬的活性，整體形成玻璃態(tài)進(jìn)行固化重金屬、防止重金屬遷移至生命圈。過(guò)程中也會(huì)發(fā)生重金屬電位的變化以改變重金屬的狀態(tài)[26-27]。

污染土壤的修復(fù)治理過(guò)程中，粉煤灰如石灰、沸石、碳酸鈣等作為改良劑將重金屬吸附。在粉煤灰合成鋁硅酸鹽后，可以大幅度的提升離子交換容量和比表面積兩種特性，從而增強(qiáng)對(duì)重金屬的離子交換和吸附能力，有效減少?gòu)耐寥乐械倪w移到植被里的重金屬[28]。金漫彤等[29]在土壤聚合物中添加一定比例的粉煤灰，考慮綜合浸出毒性和抗壓強(qiáng)度等因素，固化Zn2+、Cu2+和Pb2+的理想固化量在2%～0.8%內(nèi)，對(duì)Pb2+固化效果較好[30-31]。但是也有部分學(xué)者認(rèn)為粉煤灰自身當(dāng)中含有重金屬，而且有一部分重金屬含量完全高于土壤本底值，因此在利用中要非常謹(jǐn)慎，注意其安全使用量。粉煤灰可以與其他聚合物共同改良土壤。趙智等[32]選擇聚丙烯酰胺（PAM）與粉煤灰共同吸附土壤中的重金屬離子，試驗(yàn)出兩者可以有效地固定重金屬離子，減少重金屬離子從土壤向植物中的遷移量，植物體內(nèi)富集量減少。

3 粉煤灰在土地整治中的應(yīng)用

隨著城市化的快速推進(jìn)，浪費(fèi)土地資源和破壞生態(tài)環(huán)境的問(wèn)題更加嚴(yán)重。在耕地面積銳減，人地矛盾日益突出的形勢(shì)下，進(jìn)行土地整治，解決糧食安全，將未利用地進(jìn)行改良變?yōu)檗r(nóng)用地已是必然趨勢(shì)。在全國(guó)相繼有許多土地整治項(xiàng)目正在開(kāi)展，在土地整治過(guò)程中是一個(gè)土體有機(jī)重構(gòu)的過(guò)程[33]，是進(jìn)行土壤的重構(gòu)和改良，也是土壤中有機(jī)生命體的生長(zhǎng)。粉煤灰在土壤中是一種良好的改良劑，可以改變土壤質(zhì)地，也可以進(jìn)行鹽堿地和污染土地的治理[34-36]。因此粉煤灰在土地整治過(guò)程中可以有效地利用。例如進(jìn)行礦山復(fù)墾的過(guò)程中，充分利用當(dāng)?shù)卮罅康姆勖夯屹Y源進(jìn)行礦區(qū)廢棄地的整治或者荒地的開(kāi)墾[37-38]，調(diào)節(jié)土壤質(zhì)地，增加土壤保水性能，增加土壤的有機(jī)質(zhì)、N、P、K等元素含量，提高土壤營(yíng)養(yǎng)成分，從而進(jìn)行農(nóng)作物的種植，提高產(chǎn)量[39-40]。我國(guó)大片的鹽堿地、沙化地區(qū)、礦區(qū)正是充分利用粉煤灰進(jìn)行土地整治的改良劑[41]。

4 問(wèn)題與展望

在我國(guó)綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念下，粉煤灰是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一種可利用資源。經(jīng)過(guò)對(duì)粉煤灰理化性質(zhì)及應(yīng)用的研究，其在土壤改良和土地整治工程中的價(jià)值是重要。施用粉煤灰對(duì)土壤進(jìn)行改良和修復(fù)，既能改善土壤結(jié)構(gòu)，增加微量元素和營(yíng)養(yǎng)成分，又能提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。粉煤灰是鹽堿地治理和重金屬修復(fù)的改良劑，是進(jìn)行土地整治工程的重要資源。但是由于煤質(zhì)的不同，各地粉煤灰在微量元素含量上各有不同，自身含有重金屬、放射性物質(zhì)，粉煤灰在利用前必須進(jìn)行檢測(cè)。在土壤改良中需要優(yōu)化粉煤灰的施用量和添加比例，從而有效地提高土壤質(zhì)量，避免土壤二次污染和環(huán)境的破壞。因此，繼續(xù)加強(qiáng)粉煤灰特性及應(yīng)用的研究和試驗(yàn)，提高粉煤灰的預(yù)處理和改性的手段，增加在中試階段粉煤灰和其他土壤改良劑共同作用的研究，是將粉煤灰廣泛利用的必要措施。隨著粉煤灰的研究，其在土壤改良和土地整治工程中會(huì)有更大的價(jià)值。

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