粉煤灰性質(zhì)及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究進(jìn)展評(píng)述

張立存，昝玉亭，張華明，張曉亮，李 英

(1.江西省水土保持科學(xué)研究院，江西 南昌 330029；2.江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330029；3.江西省水利廳，江西 南昌 330009)

0 引 言

2013年，我國(guó)產(chǎn)生約5.8億t的粉煤灰，直接或間接利用僅為4.0億t，其余均廢棄，廢棄率超過30%[1]，廢棄粉煤灰累計(jì)總量已超過25億t[2]，而粉煤灰每年的治理費(fèi)超過1.5億元，累計(jì)繳納的粉煤灰排污費(fèi)超過1 000多萬元[3]，每年增加3.0×103hm2的占地用于堆存新增的粉煤灰[4]。我國(guó)是儲(chǔ)煤大國(guó)，長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的能源結(jié)構(gòu)還會(huì)以煤為主[5]，如此一來，粉煤灰生產(chǎn)、排放也必然隨之增加。而粉煤灰透水性強(qiáng)，保水持水能力低，養(yǎng)分貧瘠，重金屬污染物嚴(yán)重超標(biāo)，植物在其自然狀態(tài)下極難生存，極易發(fā)生水土流失[6]，這對(duì)灰渣場(chǎng)周邊環(huán)境造成巨大的不良影響[7]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)灰渣及灰渣場(chǎng)進(jìn)行了大量研究，本文總結(jié)相關(guān)研究，分析粉煤灰的性質(zhì)差異，探討粉煤灰對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境的影響，以期為灰渣場(chǎng)治理提供參考。

1 灰渣的性質(zhì)

1.1 物理性質(zhì)

粉煤灰是由很小的顆粒組成，且大多是玻璃體，其余都是結(jié)晶體物質(zhì)和炭。粉煤灰組織疏松，50%～70%為空心的玻璃質(zhì)球體[8]。由于煤的來源、電廠的燃燒情況和收集方法的不同，都會(huì)導(dǎo)致粉煤灰微觀結(jié)構(gòu)的差異。粉煤灰的粒徑一般介于1～400 μm[9]，顆粒組成介于粉砂與砂質(zhì)粉土間，最大干密度介于1.14～1.45 g/cm3之間，密度在 2.0 g/cm3～2.2 g/cm3之間，低于一般細(xì)粒土 20%以上[10]，最大吸濕水在4.5～8.2 g/kg之間，最大吸水量在417～1 038 g/kg之間，需水量比為106%。粉煤灰顆粒細(xì)度與磨制的煤粉細(xì)度有關(guān)，粉煤灰的細(xì)度通常是88 μm篩孔余量10%～30%，其中2～5 mm顆粒占65%～70%，0.05～0.005 mm顆粒占30%～35%，小于0.005 mm的微小顆粒僅占2%～3%[11]。我國(guó)68個(gè)燃煤電廠粉煤灰的基本物理性質(zhì)見表1。

1.2 化學(xué)性質(zhì)

灰渣的化學(xué)性質(zhì)是研究灰渣肥力的重要方面，因?yàn)橹参锖臀⑸锷顒?dòng)所需大多礦質(zhì)元素都來自礦物?；以且恍┑V物組成不同、粒徑粗細(xì)不同、顆粒形態(tài)不同、各種顆粒組合比例不同的機(jī)械混合物[12]，粉煤灰中的氧化物組成與火山灰相似，其礦物組成主要有：鈣長(zhǎng)石、石英、莫來石、磁鐵礦和黃鐵礦、大量含硅玻璃體(Al2O3·2Si02)和活性SiO2、活性Al2O3以及少量的未燃煤等[13]，這些堿性物質(zhì)的存在使得灰渣具有較高的pH值[14]。灰渣的理化性質(zhì)受粉煤燃燒的影響，由于燃燒條件的不相同，導(dǎo)致粉煤灰存在著很大的不均勻性、差異性和多變性[15]。

1.3 灰渣的養(yǎng)分

灰渣養(yǎng)分是灰渣場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵因素之一，灰渣中含有較豐富的鉀、氮、磷、鈣、硼及鈹?shù)葼I(yíng)養(yǎng)元素，灰渣的鉀、磷含量及其有效性也大致同土壤相似，證明灰渣中鉀磷元素有效性不低于土壤，由于煤炭再燃燒過程已完全燃燒，有機(jī)質(zhì)多以二氧化碳的形式釋放，導(dǎo)致灰渣中有機(jī)質(zhì)、氮素含量特別少[16]。在土壤中加入1%～2%的粉煤灰可以改善土壤中硫的不足，表明灰渣中也具有豐富的硫元素。

表1 粉煤灰的物理性質(zhì)

表2 我國(guó)火電廠粉煤灰化學(xué)成分波動(dòng)范圍

表3 灰渣與土壤養(yǎng)分情況對(duì)比 %

2 灰渣對(duì)其周邊生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究

2.1 灰場(chǎng)對(duì)水體的影響

灰場(chǎng)對(duì)水體的污染主要是指粉煤灰中重金屬、有毒元素和灰水中pH超標(biāo)值對(duì)灰場(chǎng)及其附近的地表水和地下水造成的污染。煤中含有諸如As、Hg、Cd、Cr、Pb、Ba、F、Mn、Se等微量重金屬、非金屬元素，這些重金屬、非金屬元素在煤的燃燒過程中部分揮發(fā)進(jìn)入大氣，但大部分富集到灰渣中，這些有害成分會(huì)在雨水沖刷、淋溶作用下下滲，污染儲(chǔ)灰場(chǎng)及其周圍地區(qū)的地下水。粉煤灰對(duì)排灰場(chǎng)周圍土壤和淺層地下水的影響取決于當(dāng)?shù)赝寥赖念愋图拔廴疚锏姆N類和性質(zhì)。長(zhǎng)期對(duì)置灰場(chǎng)周圍區(qū)域的地下水中含有大量硫酸根、Mn和B、Zn等元素，其含量大都超過當(dāng)?shù)氐叵滤刂茦O限值。[17-19]

2.2 灰場(chǎng)對(duì)大氣的影響

灰渣場(chǎng)中灰渣粒徑一般在0.04 μm，經(jīng)風(fēng)吹易形成揚(yáng)塵。莫華[20]等對(duì)火電場(chǎng)貯灰場(chǎng)大氣環(huán)境防護(hù)距離進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)采取分塊堆灰的方式(灰塊大于100 m×100 m)并保持一定的含水率(10%以上)的情況下，灰場(chǎng)的防護(hù)距離不會(huì)大于500 m，并指出風(fēng)速的大小直接影響灰場(chǎng)的大氣環(huán)境，且灰場(chǎng)起塵量與灰場(chǎng)為碾壓面積或破壞的灰面面積成正相關(guān)的關(guān)系，此外灰場(chǎng)灰渣的含水率也是影響灰場(chǎng)的起塵一個(gè)重要的因素。韓力峰[21]對(duì)火力發(fā)電廠儲(chǔ)灰場(chǎng)環(huán)境綜合治理及生態(tài)恢復(fù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)我國(guó)東北地區(qū)元寶山火電廠灰場(chǎng)周圍出現(xiàn)嚴(yán)重的揚(yáng)塵污染，在春秋多風(fēng)季節(jié)，灰場(chǎng)周圍TSP日均濃度最高值6.24 mg/m3，超標(biāo)19.8倍。降塵為26.63～789.59 t/km2·月，平均為260.78 t/km2·月，超標(biāo)31.59倍，最大超標(biāo)97.74倍。

2.3 灰渣場(chǎng)對(duì)植被的影響

灰渣場(chǎng)揚(yáng)塵隨風(fēng)飄逸、擴(kuò)散，大量細(xì)小的灰粒將植物葉片的葉孔堵住，影響植物的光合作用、呼吸作用和蒸騰作用，從而影響植物的正常生長(zhǎng)，造成灰場(chǎng)周圍農(nóng)作物產(chǎn)品品質(zhì)下降，產(chǎn)量降低?；宜畃H值通常在8以上，顯堿性，因此灰場(chǎng)內(nèi)只適合堿性植物生長(zhǎng)?；宜型ǔ：}量較高，一般植被難以生存。由于粉煤灰中含有過高的重金屬，而其重金屬通過滲漏和沖刷對(duì)其周邊用水及土壤造成一定程度的干擾，都會(huì)影響植被的生長(zhǎng)。程勝高[22]對(duì)黃石火力發(fā)電廠灰渣場(chǎng)周圍土壤與蔬菜中重金屬污染規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，鉛、鎘對(duì)于其周圍土壤和蔬菜造成污染，其含量較對(duì)照區(qū)高出2.9倍及8.9倍，重金屬在植物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生富集現(xiàn)象，并得出灰渣場(chǎng)周圍不宜種植蔬菜等食用類作物。

3 主要問題與展望

灰渣場(chǎng)對(duì)環(huán)境的破壞有很長(zhǎng)的持續(xù)性，且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)這種環(huán)境效應(yīng)將越為明顯，灰渣的大量化學(xué)組成與土壤或巖石母質(zhì)有很多相似的之處，雖然粉煤灰中缺乏種子庫(kù)、有機(jī)質(zhì)和氮素，且其灰渣的重金屬含量過高，由于灰渣的浸出特性，使得灰渣中的重金屬容易遷移，對(duì)灰渣場(chǎng)周圍生態(tài)環(huán)境會(huì)造成干擾。但是，粉煤灰吸附氣態(tài)水的能力和吸水的能力與土壤大致相同，尤其鉀鈣鎂鐵硅等微量營(yíng)養(yǎng)元素較土壤含量高，可增加農(nóng)作物營(yíng)養(yǎng)成分和抗病能力，這為粉煤灰利用提供基礎(chǔ)。

植被重建能否成功是灰渣場(chǎng)成功的關(guān)鍵指標(biāo)，而種子庫(kù)對(duì)于已退化的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)起著至關(guān)重要作用，它為退化生態(tài)系統(tǒng)植被重建和生態(tài)恢復(fù)提供種源，如果種子庫(kù)遭到破壞，退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)困難將會(huì)大為增加。由于灰渣場(chǎng)即粉煤灰場(chǎng)缺乏種子庫(kù)，灰渣場(chǎng)植被的恢復(fù)主要依靠風(fēng)力傳播的植物種類，且其適應(yīng)性強(qiáng)，耐受范圍廣?；以隙ň拥闹饕参锇ň湛?、禾本科和豆科，灰渣場(chǎng)地物理性質(zhì)不良、養(yǎng)分不平衡而貧瘠和重金屬濃度過高是限制植物定居的主要因素。因此在灰渣場(chǎng)重建過程中應(yīng)主動(dòng)引入菊科、豆科、禾本科植物，改善灰渣理化性質(zhì)，加速灰渣場(chǎng)植被重構(gòu)速度。同時(shí)，如何選擇適合的治理方法對(duì)灰渣進(jìn)行治理使其產(chǎn)生的生態(tài)效益，經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益最大化還缺乏相關(guān)的理論，選擇何種植物，采取何種生態(tài)恢復(fù)模式治理、各種治理模式效益有待進(jìn)一步明確。