氣化渣在土壤改良中的應用研究進展

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

由于我國石油和天然氣含量較低，因此煤炭在我國能源結構中占主導地位[]。煤氣化是將原煤轉化為合成氣產品的有效方法，主要用于燃料和化工產業。然而，煤氣化過程中會產生大量的爐渣，被稱為“氣化渣”。氣化渣是煤氣化的主要副產品，根據排放方式和粒度的差異，氣化渣可分為粗渣和細渣。據統計，我國每年產生3500萬 氣化渣，這將對周邊生態環境產生重大影響[2]。氣化渣主要由 、 和殘炭組成，且細渣含碳量高于粗渣。氣化渣主要礦相為非晶態鋁硅酸鹽，夾雜著石英、方解石等晶相，富含硅、鋁、碳資源的化學組成特點和特殊的礦相構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、規模化效應差的不足。因此，目前堆存和填埋仍是氣化渣的主要處置方式。

利用氣化渣進行土壤改良是近年來研究者比較關注的氣化渣資源化利用的重要途徑之一[5]。利用氣化渣的化學元素組成、表面化學性質和孔隙結構特征對氣化渣進行改性，可實現將氣化渣用作土壤改良的自的，如可用于土壤有機肥、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，發現土壤中部分重金屬元素含量略微超過背景值，但總體符合國家農用地土壤質量標準。研究表明，氣化渣應用于土地復墾項目時，不存在環境風險[7]。將氣化渣應用于土壤改良既可實現氣化渣的資源化利用的目的，又可實現對貧瘠土壤進行改良的目的。然而，氣化渣對土壤性質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用潛力，指出氣化渣在土壤改良中的研究方向和存在的問題，為促進氣化渣的資源化利用提供理論基礎。

1氣化渣可作為硅肥應用于土壤

硅是一種對植物生長有益的營養元素，高濃度硅可以增強植物光合作用、促進根系的生長和增強抗倒伏性[8]。另外，硅對于土壤有機碳的穩定性具有一定調控作用[9，可間接促進土壤有機碳的循環過程。雖然土壤中可溶性硅濃度與土壤中的總硅含量沒有顯著正相關關系，但當前在土壤中施用硅肥是補充其可溶性硅含量的有效方法[10]。煤氣化細渣中的無機組分具有非晶態的微珠結構，微珠中無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[3.8]。Zhu等[10]利用化學試驗和植物吸收證明了煤氣化細渣作為硅肥的可行性和穩定性，發現相比于粉煤灰、硅藻土、水淬鋼渣、鋼渣和金尾礦等其他硅源材料，煤氣化細渣的可萃取硅含量高于其他硅源樣品。蘇以榮等[1]研究發現，在水稻土中施用4種爐渣硅肥均對水稻有明顯的增產效果，且土壤有效硅和稻草中硅的含量明顯提高，說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用于土壤

堆肥是自前將糞便或農業廢棄物在微生物的作用下轉變為穩定腐殖質并消除有害蟲卵和病毒的有效方法。研究者為促進堆肥進程和有機質的降解，為細菌提供有利條件，在堆肥時會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、比表面積大等特點也被認為是一種有效的堆肥添加劑[4]。但因氣化渣是一種副產品且價格低廉，受到廣泛關注[15]

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

3氣化渣可作為腐殖酸緩釋劑應用于土壤

腐殖酸是土壤有機質的主要成分，是具有許多弱酸性官能團（例如羧基、酚基和醌基）的復雜混合物，對于王壤微生物和作物生長具有重要作用[8]。但沙質土、陽離子交換能力低、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氣化渣對腐殖酸的吸附-緩釋及再吸附能力進行了探討，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[，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]發明了氣化爐渣腐殖酸改性生產土壤調理劑，并將其應用于土壤改良領域，可以大幅度提高腐殖酸的有效利用率，改善土壤環境。將氣化渣作為腐殖酸緩釋劑應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用于土壤

氣化渣，尤其是細渣具有許多對土壤改良有益的物理和化學性質，例如比表面積大、多孔結構、顆粒粒徑大、持水性能好、碳硅等營養元素含量高。Liu等[1，3]研究發現，氣化渣具有有機和無機成分的性質，這些性質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氣化渣不僅能增加土壤中的養分，而且具有較強的吸附能力，并可增強植物對重金屬耐性[22]。因此，將氣化渣改性或直接加入重金屬污染土壤可對其進行修復，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質溶液中，結果表明改性氣化渣可以降低Pb，Ni和Co的生物有效性，并促進黑沙蒿生長。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合材料，改性過程成功負載了氧化鐵并活化了羧基。這種改性氣化渣對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性質。例如，付咪等[25研究了氣化渣與沙土復配土壤中重金屬的淋溶特征，結果發現氣化渣復配沙土可以減緩重金屬遷移，有利于重金屬的固化穩定。霍文博22發現，煤氣化渣：土質量比為1：4時，氣化渣可以顯著增加土壤對重金屬的吸附，并提高了黑麥草對重金屬的吸收與轉運效率，降低了污染土壤重金屬水平。雖然氣化渣在土壤改良展現出巨大潛力，但其作為工業副產品仍存在重金屬風險。相微微等[26]評價了榆林煤氣化渣重金屬生物有效性，結果發現在土壤中大量添加煤氣化渣會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時要慎重或進行預處理。

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

4.3改善土壤質量氣化渣在其他場地土壤修復方面也有一定潛力，如礦區土壤和酸土修復方面。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質、磷、氮含量，有效提高土壤的保肥能力。據此，國內學者申請了多種利用氣化渣制備土壤改良劑的發明專利。魏召召[31]發明一種摻有煤氣化渣的有機肥，以煤氣化渣為主，摻以秸稈、發酵劑、氮磷鉀混合物等制備而成，試驗結果顯示其可增加土壤透氣性和熱量，提高有機質和氮磷鉀等元素含量，提高作物的產量和品質。郭志國等[32]發明了一種利用氣化爐渣生產的鹽堿土壤種植改良基質，利用其作為微生物的良好載體和土壤疏松改良劑，來改善鹽堿土壤理化性質、降低pH及鹽含量。畢建杰等[33]發明了一種以煤氣化渣為原料的酸土改良劑，并通過試驗發現該改良劑可以將酸土的pH提高1.7個單位，將酸土改良到中性或弱堿性的狀態。這些專利的申請表明，利用氣化渣制備土壤改良劑具有很好的改良效果和經濟價值。

此外，也有大量研究將氣化渣應用于實際污染場地中，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量。結果發現，改性氣化渣可以減少重金屬侵蝕、改善土壤團聚體結構和植物生長以及增強微生物酶活性。Zhang等[35通過向露天礦土壤添加氣化渣進行改良發現，土壤保水性能隨添加比例的增加而提高，且碳氮磷等養分含量有所增加。涂冬冬等[3利用灰渣對紅壤樣品進行改良試驗發現，灰渣對土壤酸度的改良效果較好，原因是其使用的生物質灰渣呈堿性，且提高了土壤的保水性。這種方法簡便易行、成本較低、實用性強，值得推廣。

綜上所述，通過將氣化渣應用于土壤改良領域（表2），來改善土壤質量并實現氣化渣的資源化利用是一種實際可行的研究路徑。

5結論

隨著中國“雙碳”戰略的深入推進，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大都處于起步或實驗室研究階段，存在綜合利用率低、規模化應用不足、成本高等問題。遠不能滿足企業對于氣化渣的規模化利用需求，不能消納我國每年產生的大量氣化渣。而在土壤改良中的應用為其打開了新思路，由于具有多孔、表面積大、吸附性強等特點，氣化渣在土壤中的應用具有巨大潛力，但應注重由此帶來的環境風險。基于現有研究，未來可以從以下方面推進： ① 源頭控制，加快氣化渣中有害物質去除或降解技術研發，源頭消除其在土壤中應用的環境風險； ② 標準制定，完善氣化渣用于土壤改良的相關標準，并持續監測土壤質量及其生物毒性； ③ 技術升級，研發氣化渣改性技術實現其在沙漠的規模化防治和復綠領域的應用； ④ 模式創新，形成規模化處理氣化渣為主、土壤改良為輔的商業模式，減少企業處理成本。

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