方超，張治國(guó)，鄭永紅,2,3，陳永春，馬程楠，陳芳玲，蔡維卿，張致林*

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽 淮南 232001； 2.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001； 3.煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 安徽 淮南 232001)

我國(guó)是以煤為主要能源的國(guó)家之一，煤炭也是電力生產(chǎn)的基本燃料，全國(guó)將近76 %的電力是由燃煤電廠產(chǎn)生的。每年通過(guò)燃煤電廠發(fā)電所消耗的煤炭大約有18億t，粉煤灰是燃煤電廠煤粉燃燒后形成的灰渣，是我國(guó)工業(yè)固體廢物的主要來(lái)源之一。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)電力的需求增大，粉煤灰的產(chǎn)量也會(huì)逐年增加。2020年底我國(guó)粉煤灰年產(chǎn)量達(dá)到9×108 t，2021年中國(guó)粉煤灰總堆積量預(yù)計(jì)達(dá)到30億 t[1]。大量粉煤灰的堆存不僅占用土地，同時(shí)也對(duì)土壤、大氣造成嚴(yán)重污染。粉煤灰中含有大量的常量元素如 Al、Fe、S等，還有Cr、Hg、Mn、Pb、Zn等環(huán)境敏感性微量元素，在自然風(fēng)化和降水淋濾的作用下，這些微量元素會(huì)隨雨水排出，對(duì)周圍土壤、地下水以及地表水等產(chǎn)生影響，且微量元素的含量越大，粉煤灰對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境安全的危害就越大[2]。可見(jiàn)，對(duì)粉煤灰的合理處置和資源化利用已引起國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

一、粉煤灰的來(lái)源和分類

粉煤灰是煤粉在鍋爐內(nèi)燃燒后產(chǎn)生的一種粉狀顆粒。以電廠燃燒煤粉的鍋爐作為反應(yīng)爐，經(jīng)過(guò)煤粉燃燒、灰渣燒結(jié)、碎裂、顆粒熔融、驟冷成珠等一系列復(fù)雜的物質(zhì)轉(zhuǎn)變和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程形成的。由于各電廠燃燒的煤種、煤質(zhì)，鍋爐類型以及燃燒和除塵方式的不同，不同粉煤灰的性質(zhì)差異很大。根據(jù)粉煤灰的細(xì)度和燒失量可以將粉煤灰分為：細(xì)灰、中灰和粗灰；根據(jù)粉煤灰中含水率的變化分為干灰、陳灰和濕灰；根據(jù)粉煤灰的酸堿度分為堿性粉煤灰、中性粉煤灰和酸性粉煤灰[3]。在粉煤灰的形成過(guò)程中，在其表面張力作用下，產(chǎn)生大量表面凹凸不平的空心微珠，這些微珠是粉煤灰中的主要顆粒。微珠上分布著細(xì)小且不均勻的微孔；還有一部分因在熔融狀態(tài)下互相碰撞而連接，形成粗糙表面，棱角較多的蜂窩狀粒子。這種高溫狀態(tài)下熔融體與氣體共同作用形成蜂窩狀微觀形態(tài)，是粉煤灰容重低、孔隙度大及比表面積大的原因。并且粉煤灰自身存在離子交換作用和硬凝反應(yīng)，施入土壤后，還能降低土壤的脹縮效應(yīng)、提高土壤的強(qiáng)度，從而減小土壤的膨脹率，有利于防止土壤流失。另外，粉煤灰自身含有多種可被植物利用的營(yíng)養(yǎng)成分，可以改良土壤養(yǎng)分特性，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。

二、粉煤灰對(duì)土壤的改良效應(yīng)

(一) 對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

粉煤灰對(duì)土壤物理性質(zhì)的改良主要體現(xiàn)在增加孔隙率、降低容重、改善土壤結(jié)構(gòu)等方面。粉煤灰的施入能使黏土的物理性質(zhì)得到改善，使土壤變得疏松多孔，提高土壤的透氣性，從而促進(jìn)作物生長(zhǎng)、提高產(chǎn)量[4]。

1.土壤水分。粉煤灰施加進(jìn)土壤以后，土壤中的水分變化顯著。有利于土壤保濕保墑，使水、肥、氣、熱趨向協(xié)調(diào)，為作物生長(zhǎng)創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境。趙亮等通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)沙質(zhì)土壤中施加粉煤灰，可以減小濕潤(rùn)鋒的下移速率，增強(qiáng)土壤的持水性能[5]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰表面富含大量結(jié)晶型二氧化硅，相互間鍵合能力較弱，可有效抑制土壤黏粒間的復(fù)合，提高黏土毛管孔隙的百分含量，提升土壤水分的有效庫(kù)容[6]。

2.土壤容重與團(tuán)聚體

粉煤灰施加進(jìn)黏質(zhì)土壤，使其變得疏松，降低土壤容重。王娟等研究發(fā)現(xiàn)施入粉煤灰可以有效地降低土壤容重;馬新明等進(jìn)行的田間試驗(yàn)表明，施用粉煤灰后土壤容重降低，孔隙度增大，且土壤容重隨著粉煤灰施用量的增加呈現(xiàn)逐步遞減的趨勢(shì)。南昌火力發(fā)電廠粉煤灰改土試驗(yàn)表明：以重量比為6.5 %的灰土比可使土壤容重由1.36 g/cm3降至1.26 g/cm3。另外粉煤灰的施入可以增加土壤中大于1 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量，改善土壤結(jié)構(gòu)。

(二) 對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

1.對(duì)土壤pH的影響。依據(jù)pH值可以將粉煤灰分為酸性粉煤灰和堿性粉煤灰，利用化學(xué)中的酸堿中和原理，堿性粉煤灰用于改良酸性土壤，酸性粉煤灰改善堿性土壤，保證土壤的酸堿度在合理的范圍之內(nèi)。粉煤灰中含有鉀、鈉、鈣、鎂等堿性金屬, 施加入土壤后呈堿性反應(yīng)。土壤中施加粉煤灰后 2～10年測(cè)定混合物和地下水，發(fā)現(xiàn)其 pH值均與本底接近, 均在作物正常生長(zhǎng)的范圍之內(nèi)。李久玉等研究表明，粉煤灰能增加酸性土壤pH，起到改良酸性土壤的效果。

2.對(duì)土壤養(yǎng)分的影響。粉煤灰中含有多種植物可利用的營(yíng)養(yǎng)成分，例如有效磷和速效鉀。馮躍華等研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰中的有效磷和全磷含量顯著高于土壤，適當(dāng)?shù)氖┤敕勖夯铱梢杂行岣咄寥乐械牧缀縖7]。司元通過(guò)利用粉煤灰改良退化土壤試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過(guò)粉煤灰與其他固體廢物混合施用改良后的土壤養(yǎng)分特性好，生長(zhǎng)力高。宋爽試驗(yàn)得出粉煤灰與土壤混合后短期內(nèi)土壤內(nèi)的養(yǎng)分有所下降，后期土壤內(nèi)的全氮和有機(jī)質(zhì)含量增加，這是由于粉煤灰的施入使土壤的孔隙度增加，透水透氣性變好，從而氮的固定效果增強(qiáng)。

3.對(duì)土壤重金屬的影響。施加粉煤灰對(duì)土壤中的重金屬的具有固化作用并且可以促進(jìn)植物對(duì)土壤中重金屬的吸收。粉煤灰較大的比表面積和堿性有助于重金屬的沉淀。李國(guó)學(xué)等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粉煤灰的加入可以明顯降低Zn、Mn元素的有效性。DongXu等利用改性后的粉煤灰探討對(duì)土壤中的Cd、Mn行為的影響，實(shí)驗(yàn)表明改性后的粉煤灰對(duì)土壤中的Cd有顯著的穩(wěn)定作用，另外土壤中的有效Pb含量也大大降低[8]。學(xué)者M(jìn)ahar Amanullah對(duì)粉煤灰固化Cd、Cu和Pb等重金屬進(jìn)行了研究，表明粉煤灰在土壤改良過(guò)程中對(duì)于土壤重金屬固化的有益效果[9]。武琳等通過(guò)對(duì)粉煤灰中重金屬形態(tài)進(jìn)行測(cè)定，對(duì)其污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明粉煤灰的重金屬內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為1.39，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為三級(jí)，潛在生態(tài)危害指數(shù)RI值為85.45，為輕微危害水平[10]。

(三) 對(duì)土壤微生物和酶活性的影響

土壤中微生物和酶的活性主要依賴于土壤的理化性質(zhì)，粉煤灰對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響間接的對(duì)其產(chǎn)生影響，同時(shí)其自身的理化性質(zhì)可能也會(huì)影響土壤中微生物活性。如粉煤灰作為改良劑添加到砂姜黑土后，土壤孔隙度和土壤通透性增加、地溫提升，從而促進(jìn)了好氣性微生物的大量繁殖，使微生物數(shù)量隨粉煤灰施入量的增加而增加。粉煤灰的施入可以改善土壤微生物活性，白漿土試驗(yàn)表明：粉煤灰施入土壤以后，大豆自開(kāi)花期土壤根系層的微生物活性明顯增強(qiáng)，一直到籽實(shí)成熟期，細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量都表現(xiàn)有一致的增長(zhǎng)趨勢(shì)。杜慧玲等的研究表明，每公頃施用粉煤灰150 t以上時(shí)，土壤中各種微生物的種類和數(shù)量明顯增加，土壤酶活性也有顯著的提高。但過(guò)量的使用粉煤灰，由于其理化特性如pH值、鹽度、和部分微量元素的毒性，也會(huì)限制微生物的生長(zhǎng)繁殖。

三、討論

粉煤灰作為土壤改良劑的修復(fù)研究目前仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，盡管眾多研究者的試驗(yàn)研究結(jié)果證明粉煤灰改良及修復(fù)土壤是有效可行的，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍存在一些問(wèn)題，還需要研究者去進(jìn)一步的探索研究。目前，粉煤灰作為土壤改良劑在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中主要存在以下問(wèn)題：一是，粉煤灰施用量以及種類問(wèn)題。粉煤灰在施加進(jìn)土壤之前應(yīng)對(duì)粉煤灰自身的理化性質(zhì)、土壤類型及土壤的理化性質(zhì)進(jìn)行定性定量分析，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果以確定粉煤灰的施用量和種類，合理科學(xué)地應(yīng)用粉煤灰改良修復(fù)土壤，避免對(duì)土壤產(chǎn)生負(fù)面影響。二是，粉煤灰中含有重金屬以及有毒有害物質(zhì)對(duì)土壤的潛在污染問(wèn)題。粉煤灰中含有的重金屬和有毒有害物質(zhì)進(jìn)入待修復(fù)土壤以后會(huì)加劇土壤的惡化，甚至?xí)斐纱迯?fù)土壤周邊地下水的重金屬污染。據(jù)研究表明一次適當(dāng)?shù)氖┘踊蛏倭慷啻蔚氖┘臃勖夯液蠖唐趦?nèi)不會(huì)造成重金屬污染。但是長(zhǎng)期時(shí)間內(nèi)是否會(huì)對(duì)土壤及地下水造成重金屬污染，目前還有待研究。因此，發(fā)粉煤灰的無(wú)害化應(yīng)用，如對(duì)粉煤灰進(jìn)行淋洗降低重金屬和鹽分的溶出也是資源化利用的研究重點(diǎn)。三是，粉煤灰與其他固體廢棄物聯(lián)合施用的配比問(wèn)題。由于粉煤灰中有機(jī)質(zhì)和氮元素含量較低，單一施用粉煤灰改良土壤無(wú)法均衡供應(yīng)土壤營(yíng)養(yǎng)。粉煤灰與其他固體廢棄物聯(lián)合使用可彌補(bǔ)其單一施用的不足，但固體廢棄物的種類、配比比例及聯(lián)合使用方式均會(huì)影響改良效果。因此，通過(guò)試驗(yàn)研究篩選出與粉煤灰相匹配且適宜的固體廢棄物以合適的配比和合理的聯(lián)合使用方式，尋求對(duì)土壤改良達(dá)到最佳效果；同時(shí)應(yīng)注意這些固體廢棄物對(duì)環(huán)境的影響，積極對(duì)改良后的土壤進(jìn)行污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

四、結(jié)論與展望

由于粉煤灰自身的物理、化學(xué)特性，其對(duì)土壤的改良效果顯著。第一，粉煤灰堆積密度小、比表面積和孔隙率大的特點(diǎn)，能夠起到降低土壤容重，施加粉煤灰可以增大土壤孔隙率，改善了土壤的物理特性，有效改善土壤結(jié)構(gòu)的作用。第二，粉煤灰中含有多種植物可利用的微量元素，配比使用可以有效增加土壤的養(yǎng)分，改善土壤微生物活性，加速土壤中的養(yǎng)分被植物吸收利用。也可以利用粉煤灰的酸堿性可以分別改良鹽堿土壤和酸性土壤，改善土壤pH值，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。第三，目前粉煤灰對(duì)各類型土壤的改良及修復(fù)大多集中在實(shí)驗(yàn)室研究階段，今后應(yīng)當(dāng)逐步推廣到實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，理論研究和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合才能更好的證明粉煤灰作為土壤改良劑的可行性，推動(dòng)粉煤灰資源化利用的發(fā)展。