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 王祖偉

（天津師范大學城市與環境科學學院 天津 300387）

隨著我國社會經濟的快速發展，國民用電量不斷上升，目前，我國電力工業70%的發電量仍然由燃煤產生，據相關數據顯示，平均每發電1×104kW，排放的廢渣就將近1×104t。電力工業排放的固體廢棄物主要是灰渣和粉煤灰，截止到現在，其貯量已經超過10×108t，我國也獲得了世界上最大粉煤灰生產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

1.1 粉煤灰的外觀特性

粉煤灰是煤粉燃燒生成的產物，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，呈現出來的顏色為白色或灰黑色，其顏色是衡量粉煤灰質量的一項重要指標，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 粉煤灰的組織結構

粉煤灰之所以會呈現出多孔型，是因為粉煤在燃燒過程中，其揮發要先從礦物質和固體碳之間的縫隙逸出，生成煤灰的顆粒狀態雖然還保持原煤粉的不規則碎屑狀，但因多孔特點，反而增加了其表面積。袋粉煤的有機質完全燃燒后，其中的礦物質也將隨之發生變化，被氧化成無機物，這時的粉煤灰會表現為多孔玻璃體，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，最終由多孔玻璃轉變為一密度較高、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，并且珠壁呈現多孔結構，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。粉煤灰是由結晶體、玻璃體以及少量未燃炭組成的一個復合結構的混合體，其中，結晶體主要由石英、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%），Fe2O3（1.50%～6.22%），CaO（1.44%～16.80%），MgO、（1.20%～3.72%），燒失量（1.63%～29.97%）；其元素質量分數為：O（47.83%），Si（11.48%～31.14%），Al（6.40%～22.91%），Fe（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

根據粉煤灰的組織結構，分析粉煤灰的物理性質主要考慮到細度、密度、堆積密度、比表面積等，這些物理性質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成的波動范圍較大，其物理性質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以及早期的水化反應[3]。

2 我國當前粉煤灰的利用現狀

我國的能源構成以煤炭為主，煤炭也是我國電力生產的基本燃料。隨著我國電力工業的快速發展，全國范圍內每年所排放的粉煤灰排放量也在急劇增加，這給我國的經濟建設以及生態環境帶來了巨大的挑戰。“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，這正是我國經濟建設中一項重要的技術經濟政策，也是解決我國當前電力生產過程中資源缺乏與環境污染之間矛盾的重要手段，更是堅持可持續發展，建立資源節約型和環境友好型社會的必然要求。

近年來，經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境污染問題的嚴峻激發了國際社會對粉煤灰綜合利用的開發和研究，相關工作在日趨深入，并且在應用方面也取得了一定的成效。在國際市場上，粉煤灰已經由過去的廢棄物變為現在引人注目的一種價格低廉且極為豐富的資源。在國內，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，主要表現為：對粉煤灰的處理與利用已經從過去的環境保護角度轉變為資源化開發和綜合利用，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

粉煤灰在土壤改良方面的應用，首先體現在能夠改善土壤的理化性質，粉煤灰對土壤物理性質的影響主要是降低容重，增加孔隙率，提高地溫，降低膨脹率，改善土體結構，實踐證明，粉煤灰對改善黏質土壤起到了良好的效果，這對改善我國南方一些黏質土壤的物理性質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，從而實現對土壤的三相比以及酸堿性的調解。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土都能起到良好的效果[5]。

3.2 提高土壤養分狀況

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分的吸收，從而提高水稻產量，改善稻米品質。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

粉煤灰的分子結構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，其在廢水處理領域被應用得比較廣泛，相關實驗證明，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、印染等工業廢水過程中，通常還會加入一定量的助凝劑，經過改性以增強粉煤灰的吸附性能。

4.2 廢氣濾除

粉煤灰的組織結構中含有大量的堿性物質，如MgO、CaO、K2O、Na2O等，這些堿性物質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與其生物有效性存在著一定的內在聯系，粉煤灰在污染治理方面的應用，常常借助于化學修復技術，即向被污染的土壤中投入某種改良劑，充分發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 結論

我國每年會從發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的研究，以實現對其更好地利用。

[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].安徽農業科學，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].環境與可持續發展，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].安徽農業科學，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研究[J].環境科學，2008，29（7）：2068-2072.

[5]楊劍虹，車福才.粉煤灰的理化性質與農業化學行為的研究[J].植物營養與肥料學報，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.