氣化渣在土壤改良中的應(yīng)用研究進(jìn)展

Research Progressonthe ApplicationofCoal Gasification Slagin Soil Improvement

DUXue-jun，YANYu-long，LIUZhao-cheng（CECEPEngineringandTechnologyResearch InstituteCo.，Ltd.，Beijing00082） AbstractCoalgasifatinisoneofthefetiewatoovertcoalintosthtics，utthaalproductionofgasifcationsaginChnaishugeandasnotbneectivelydisposdandilizedWiththeicreasinglysrousprobsofresoucewastendnvirotalpol lutioncausedbygsiftosgheisugtdtofndcentdeasoableatoilgasifsgesoustprt， thecomprehsiveutilizoofgsificationslagrsouceshasproblessuchaslowilzationate，ighost，andoorscaleicead a matureresouceutiliationsystemhasnotyetbeenfored.Therefore，inrecentyars，scholarshaveproposednewdeasforusinggasificationslag，speallislg，fooilimprtuetisesctuedpopetsifatiolgstractesife surfaceareaporossructure，argeparticlesi，oodwateroldingperfoanendighCndScotentItcaneusedaslcofer tilizermpostigditiveuiccidsloeaseentlmedet，tdags，isaantagsndctsofai slag application in soil improvement were analyzed，and future research directions and problems were pointed out.

KeyWordsCoalgasificationslag；Resourceutilization；Siliconfertlier；Composting；Humicacidslow-releaser；Soilimproement

由于我國(guó)石油和天然氣含量較低，因此煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位[]。煤氣化是將原煤轉(zhuǎn)化為合成氣產(chǎn)品的有效方法，主要用于燃料和化工產(chǎn)業(yè)。然而，煤氣化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的爐渣，被稱(chēng)為“氣化渣”。氣化渣是煤氣化的主要副產(chǎn)品，根據(jù)排放方式和粒度的差異，氣化渣可分為粗渣和細(xì)渣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年產(chǎn)生3500萬(wàn) 氣化渣，這將對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重大影響[2]。氣化渣主要由 、 和殘?zhí)拷M成，且細(xì)渣含碳量高于粗渣。氣化渣主要礦相為非晶態(tài)鋁硅酸鹽，夾雜著石英、方解石等晶相，富含硅、鋁、碳資源的化學(xué)組成特點(diǎn)和特殊的礦相構(gòu)成是氣化渣資源化利用的前提[3]。目前氣化渣資源化利用途徑分為直接利用（用于摻燒和建筑材料）和高值利用（制作硅基材料、碳基材料、沸石等材料）[4]。然而，氣化渣的資源化綜合利用率僅 31.6% ，且存在利用率低、成本高、規(guī)?；?yīng)差的不足。因此，目前堆存和填埋仍是氣化渣的主要處置方式。

利用氣化渣進(jìn)行土壤改良是近年來(lái)研究者比較關(guān)注的氣化渣資源化利用的重要途徑之一[5]。利用氣化渣的化學(xué)元素組成、表面化學(xué)性質(zhì)和孔隙結(jié)構(gòu)特征對(duì)氣化渣進(jìn)行改性，可實(shí)現(xiàn)將氣化渣用作土壤改良的自的，如可用于土壤有機(jī)肥、硅肥、腐殖酸緩釋劑、堆肥添加劑和改良劑等[4]王儒洋等[將氣化渣加入擢荒的貧瘠土壤中，發(fā)現(xiàn)土壤中部分重金屬元素含量略微超過(guò)背景值，但總體符合國(guó)家農(nóng)用地土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。研究表明，氣化渣應(yīng)用于土地復(fù)墾項(xiàng)目時(shí)，不存在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[7]。將氣化渣應(yīng)用于土壤改良既可實(shí)現(xiàn)氣化渣的資源化利用的目的，又可實(shí)現(xiàn)對(duì)貧瘠土壤進(jìn)行改良的目的。然而，氣化渣對(duì)土壤性質(zhì)的影響尚未得到廣泛研究。因此，筆者綜述前人研究，分析探討氣化渣在土壤改良方面的應(yīng)用潛力，指出氣化渣在土壤改良中的研究方向和存在的問(wèn)題，為促進(jìn)氣化渣的資源化利用提供理論基礎(chǔ)。

1氣化渣可作為硅肥應(yīng)用于土壤

硅是一種對(duì)植物生長(zhǎng)有益的營(yíng)養(yǎng)元素，高濃度硅可以增強(qiáng)植物光合作用、促進(jìn)根系的生長(zhǎng)和增強(qiáng)抗倒伏性[8]。另外，硅對(duì)于土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性具有一定調(diào)控作用[9，可間接促進(jìn)土壤有機(jī)碳的循環(huán)過(guò)程。雖然土壤中可溶性硅濃度與土壤中的總硅含量沒(méi)有顯著正相關(guān)關(guān)系，但當(dāng)前在土壤中施用硅肥是補(bǔ)充其可溶性硅含量的有效方法[10]。煤氣化細(xì)渣中的無(wú)機(jī)組分具有非晶態(tài)的微珠結(jié)構(gòu)，微珠中無(wú)定形硅的可溶活性較高，可被溶解形成能被植物吸收利用的可溶性硅酸，這些特性是氣化渣可作為硅肥的基礎(chǔ)[3.8]。Zhu等[10]利用化學(xué)試驗(yàn)和植物吸收證明了煤氣化細(xì)渣作為硅肥的可行性和穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)相比于粉煤灰、硅藻土、水淬鋼渣、鋼渣和金尾礦等其他硅源材料，煤氣化細(xì)渣的可萃取硅含量高于其他硅源樣品。蘇以榮等[1]研究發(fā)現(xiàn)，在水稻土中施用4種爐渣硅肥均對(duì)水稻有明顯的增產(chǎn)效果，且土壤有效硅和稻草中硅的含量明顯提高，說(shuō)明氣化渣在制作硅肥方面的潛力巨大。

2氣化渣可作為堆肥添加劑應(yīng)用于土壤

堆肥是自前將糞便或農(nóng)業(yè)廢棄物在微生物的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定腐殖質(zhì)并消除有害蟲(chóng)卵和病毒的有效方法。研究者為促進(jìn)堆肥進(jìn)程和有機(jī)質(zhì)的降解，為細(xì)菌提供有利條件，在堆肥時(shí)會(huì)加人各種堆肥添加劑[12-13]。而氣化渣因具有與生物炭相似的孔隙率高、比表面積大等特點(diǎn)也被認(rèn)為是一種有效的堆肥添加劑[4]。但因氣化渣是一種副產(chǎn)品且價(jià)格低廉，受到廣泛關(guān)注[15]

氣化渣在豬糞堆肥過(guò)程中應(yīng)用比較普遍且具有很好的效果，Lu等[通過(guò)向豬糞堆肥過(guò)程中添加氣化渣降低了抗生素抗性基因豐度并促進(jìn)了細(xì)菌群落的演替，且 10% 的氣化渣添加具有很高的成本效益；Liu等[14]研究了豬糞堆肥過(guò)程中氣化細(xì)渣對(duì)細(xì)菌群落的影響，發(fā)現(xiàn) 6% 的氣化細(xì)渣添加比例可以更好地促進(jìn)細(xì)菌生長(zhǎng)，尤其是厚壁菌門(mén)（Firmicutes）具有最高豐度的細(xì)菌；Liu等[15]還研究了豬糞堆肥過(guò)程中氣化細(xì)渣對(duì)真菌群落的影響，發(fā)現(xiàn) 10% 的氣化渣添加比例增強(qiáng)了真菌多樣性，子囊菌門(mén)（Ascomycota）是主要的真菌門(mén)。而Wang等[17]在雞糞和小葉苣苔稈混合堆肥過(guò)程中添加氣化細(xì)渣，加速了堆肥進(jìn)程，并降低了氨排放和碳氮磷損失。郭志國(guó)等[18]發(fā)明了一種含有氣化渣和污泥的復(fù)合微生物肥，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)污泥和氣化渣資源化利用。氣化細(xì)渣在堆肥中的應(yīng)用是由于其大孔隙率和表面積，能夠與堆肥原料中的養(yǎng)分相互作用，為微生物提供良好的生長(zhǎng)條件。以上研究表明，使用氣化渣作為堆肥添加劑可以產(chǎn)生很好的效果和一定經(jīng)濟(jì)效益。

3氣化渣可作為腐殖酸緩釋劑應(yīng)用于土壤

腐殖酸是土壤有機(jī)質(zhì)的主要成分，是具有許多弱酸性官能團(tuán)（例如羧基、酚基和醌基）的復(fù)雜混合物，對(duì)于王壤微生物和作物生長(zhǎng)具有重要作用[8]。但沙質(zhì)土、陽(yáng)離子交換能力低、碳含量低等貧瘠土壤腐殖酸含量較低，且很難儲(chǔ)存和利用。因此，向這些土壤中添加一些腐殖酸緩釋劑可以增加腐殖酸含量和被利用率。朱丹丹8在不同吸附條件下對(duì)氣化渣對(duì)腐殖酸的吸附-緩釋及再吸附能力進(jìn)行了探討，氣化渣與腐殖酸之間的靜電吸附和分子間氫鍵、高比表面積都為腐殖酸的吸附提供了大量的位點(diǎn)[，證明了氣化渣用作土壤腐殖酸緩釋劑的可行性。田原宇等[20]發(fā)明了氣化爐渣腐殖酸改性生產(chǎn)土壤調(diào)理劑，并將其應(yīng)用于土壤改良領(lǐng)域，可以大幅度提高腐殖酸的有效利用率，改善土壤環(huán)境。將氣化渣作為腐殖酸緩釋劑應(yīng)用于土壤的研究為氣化渣的資源化利用提出了新思路。

4氣化渣可作為改良劑應(yīng)用于土壤

氣化渣，尤其是細(xì)渣具有許多對(duì)土壤改良有益的物理和化學(xué)性質(zhì)，例如比表面積大、多孔結(jié)構(gòu)、顆粒粒徑大、持水性能好、碳硅等營(yíng)養(yǎng)元素含量高。Liu等[1，3]研究發(fā)現(xiàn)，氣化渣具有有機(jī)和無(wú)機(jī)成分的性質(zhì)，這些性質(zhì)使得氣化渣成為研究者眼中的一種很好的土壤改良劑[21]

4.1重金屬污染土壤改良?xì)饣粌H能增加土壤中的養(yǎng)分，而且具有較強(qiáng)的吸附能力，并可增強(qiáng)植物對(duì)重金屬耐性[22]。因此，將氣化渣改性或直接加入重金屬污染土壤可對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，降低重金屬含量和生物有效性。相玉琳等[23]將氣化渣浸入提取于黑沙蒿根系的可溶性有機(jī)質(zhì)溶液中，結(jié)果表明改性氣化渣可以降低Pb，Ni和Co的生物有效性，并促進(jìn)黑沙蒿生長(zhǎng)。Zhou等[24]采用堿熔和鐵浸漬法合成了一系列不同pH的鐵改性煤氣化渣復(fù)合材料，改性過(guò)程成功負(fù)載了氧化鐵并活化了羧基。這種改性氣化渣對(duì)Cd和As具有很好的吸附能力，并降低了重金屬在土壤中的生物有效性。

而直接將氣化渣加入污染土壤，則是利用了其自身的物理化學(xué)性質(zhì)。例如，付咪等[25研究了氣化渣與沙土復(fù)配土壤中重金屬的淋溶特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氣化渣復(fù)配沙土可以減緩重金屬遷移，有利于重金屬的固化穩(wěn)定?；粑牟?2發(fā)現(xiàn)，煤氣化渣：土質(zhì)量比為1：4時(shí)，氣化渣可以顯著增加土壤對(duì)重金屬的吸附，并提高了黑麥草對(duì)重金屬的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)效率，降低了污染土壤重金屬水平。雖然氣化渣在土壤改良展現(xiàn)出巨大潛力，但其作為工業(yè)副產(chǎn)品仍存在重金屬風(fēng)險(xiǎn)。相微微等[26]評(píng)價(jià)了榆林煤氣化渣重金屬生物有效性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在土壤中大量添加煤氣化渣會(huì)造成多種重金屬在植物地上部分積累，因此建議煤氣化渣直接用于土壤修復(fù)時(shí)要慎重或進(jìn)行預(yù)處理。

4.2沙土改良沙土地因保肥保水性較差，土壤貧瘠，作物無(wú)法正常生長(zhǎng)。而氣化渣因其粒徑較大和多孔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可有效改善土壤物理結(jié)構(gòu)，提高土壤保水保肥性[5]，因此有大量學(xué)者利用氣化渣進(jìn)行了沙土改良。氣化渣用于沙土改良的研究案例見(jiàn)表1，大量研究表明氣化渣對(duì)沙土的改良效果源于其特殊物理和化學(xué)性質(zhì)，如表面積大、多孔結(jié)構(gòu)、碳含量高和強(qiáng)保水能力。綜上所述，氣化渣對(duì)沙地王壤具有明顯的改良作用，并且能促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。

4.3改善土壤質(zhì)量氣化渣在其他場(chǎng)地土壤修復(fù)方面也有一定潛力，如礦區(qū)土壤和酸土修復(fù)方面。氣化渣因其含有較為豐富的鈣鎂等元素，可明顯增加土壤有機(jī)質(zhì)、磷、氮含量，有效提高土壤的保肥能力。據(jù)此，國(guó)內(nèi)學(xué)者申請(qǐng)了多種利用氣化渣制備土壤改良劑的發(fā)明專(zhuān)利。魏召召[31]發(fā)明一種摻有煤氣化渣的有機(jī)肥，以煤氣化渣為主，摻以秸稈、發(fā)酵劑、氮磷鉀混合物等制備而成，試驗(yàn)結(jié)果顯示其可增加土壤透氣性和熱量，提高有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀等元素含量，提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。郭志國(guó)等[32]發(fā)明了一種利用氣化爐渣生產(chǎn)的鹽堿土壤種植改良基質(zhì)，利用其作為微生物的良好載體和土壤疏松改良劑，來(lái)改善鹽堿土壤理化性質(zhì)、降低pH及鹽含量。畢建杰等[33]發(fā)明了一種以煤氣化渣為原料的酸土改良劑，并通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該改良劑可以將酸土的pH提高1.7個(gè)單位，將酸土改良到中性或弱堿性的狀態(tài)。這些專(zhuān)利的申請(qǐng)表明，利用氣化渣制備土壤改良劑具有很好的改良效果和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

此外，也有大量研究將氣化渣應(yīng)用于實(shí)際污染場(chǎng)地中，Xiang等[34]制備了氨基酸改性磁性煤氣化渣，并將其加入被侵蝕的礦井土壤以改善土壤質(zhì)量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改性氣化渣可以減少重金屬侵蝕、改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和植物生長(zhǎng)以及增強(qiáng)微生物酶活性。Zhang等[35通過(guò)向露天礦土壤添加氣化渣進(jìn)行改良發(fā)現(xiàn)，土壤保水性能隨添加比例的增加而提高，且碳氮磷等養(yǎng)分含量有所增加。涂冬冬等[3利用灰渣對(duì)紅壤樣品進(jìn)行改良試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，灰渣對(duì)土壤酸度的改良效果較好，原因是其使用的生物質(zhì)灰渣呈堿性，且提高了土壤的保水性。這種方法簡(jiǎn)便易行、成本較低、實(shí)用性強(qiáng)，值得推廣。

綜上所述，通過(guò)將氣化渣應(yīng)用于土壤改良領(lǐng)域（表2），來(lái)改善土壤質(zhì)量并實(shí)現(xiàn)氣化渣的資源化利用是一種實(shí)際可行的研究路徑。

5結(jié)論

隨著中國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，氣化渣資源化利用面臨更高要求。目前氣化渣的資源化利用技術(shù)大都處于起步或?qū)嶒?yàn)室研究階段，存在綜合利用率低、規(guī)?；瘧?yīng)用不足、成本高等問(wèn)題。遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足企業(yè)對(duì)于氣化渣的規(guī)?；眯枨?，不能消納我國(guó)每年產(chǎn)生的大量氣化渣。而在土壤改良中的應(yīng)用為其打開(kāi)了新思路，由于具有多孔、表面積大、吸附性強(qiáng)等特點(diǎn)，氣化渣在土壤中的應(yīng)用具有巨大潛力，但應(yīng)注重由此帶來(lái)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)?；诂F(xiàn)有研究，未來(lái)可以從以下方面推進(jìn)： ① 源頭控制，加快氣化渣中有害物質(zhì)去除或降解技術(shù)研發(fā)，源頭消除其在土壤中應(yīng)用的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)； ② 標(biāo)準(zhǔn)制定，完善氣化渣用于土壤改良的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并持續(xù)監(jiān)測(cè)土壤質(zhì)量及其生物毒性； ③ 技術(shù)升級(jí)，研發(fā)氣化渣改性技術(shù)實(shí)現(xiàn)其在沙漠的規(guī)模化防治和復(fù)綠領(lǐng)域的應(yīng)用； ④ 模式創(chuàng)新，形成規(guī)?；幚須饣鼮橹?、土壤改良為輔的商業(yè)模式，減少企業(yè)處理成本。

參考文獻(xiàn)

[1]LIUXD，JINZW，JINGYH，etal.Reviewof the characteristics and graded utilisation of coal gasification slag[J]. Chinese journal of chemical engineering，2021，35（7） ：92-106.

[2]LVB，DENGXW，JIAOFS，etal.Enrichmentandutilizationofresidual carbon from coal gasification slag：A review[J].Process safety and environmental protection，2023，171：859-873.

[3]曲江山，張建波，孫志剛，等.煤氣化渣綜合利用研究進(jìn)展[J].潔凈煤 技術(shù)，2020，26（1）：184-193.

[4]RENL，DINGL，GUOQH，etal.Characterization，carbon-ash separation and resource utilization of coal gasification fine slag：A comprehensive review[J].Journalofcleanerproduction，2O23，398：136554.

[5]趙煒，趙舉，魏占民，等.氣化渣改良風(fēng)沙土對(duì)土壤水分物理性質(zhì)的影 響[J].水土保持研究，2022，29（2）：64-69.

[6]王儒洋，范佳明，江堯，等.煤氣化渣-土壤復(fù)配下的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及重 金屬在紫花苜蓿中的富集與遷移[J].煤化工，2021，49（6）：13-18，33.

[7] ZHANG K，SONG S，ZHAO JG，et al.Land reclamation using typical coal gasification slag in Xinjiang：A full-cycle environmental risk study[J]. Minerals，2023，13（10）：1-15.

[8]朱丹丹.煤氣化細(xì)渣在土壤改良及水污染治理中的資源化利用研究 [D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2021.

[9]SONG ZL，LIU CQ，MULLERK，etal.Siliconregulation of soil organic carbonstabilizationanditspotentialtomitigateclimatechange[J].Earthsciencereviews，2018，185：463-475.

[10]ZHU D D，XUE B，JIANG Y S，et al. Using chemical experiments and plantuptake toprove the feasibilityand stability of coal gasification fine slagas silicon fertilizer[J].Environmental science and pollution research，2019，26（6） ：5925-5933.

[11]蘇以榮，向萬(wàn)勝，何電源.爐渣硅肥的肥效及重金屬對(duì)土壤和水稻的 影響[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，1995，16（5）：321-324.

[12]ZHANGDF，LUOWH，YUANJ，etal.Effects of woodypeat and superphosphate on compost maturity and gaseous emissions during pig manure composting[J].Wastemanagement，2017，68：56-63.