（环境工程专业论文）基于粉煤灰充填复垦土地的复垦效应研究.pdf

摘要 摘要 随着我国煤电工业的快速发展，粉煤灰的产量不断增加，年增储灰场用地达 5 0 万亩。当前，我国正处于环境资源恶化、耕地资源紧张的形势下，灰场复垦是 解决粉煤灰带来的扬尘污染、占据大量土地等问题的一条有效途径。同时，经过 精心治理后的灰场复垦地还能通过种植庄稼获得一定的经济效益，因此加强对储 灰场复垦工程的建设对于建设资源节约型、环境友好型社会有着十分重要的意义。 本文以安徽省淮南市上窑灰场中的洛河老灰场复垦地为研究对象，分析不同 覆土厚度下粉煤灰充填复垦土地的复垦效应。测定覆土厚度分别为3 0 c m 、5 0 c m 和6 0 c m 的粉煤灰复垦地土壤不同层面上的含水率、电导率、有机质、氮磷钾以及 重金属元素的含量，通过对表层土壤营养元素保持能力分析，建立覆土厚度与种 植之间的效应关系；通过对土壤重金属综合污染状况及粮食安全性分析，建立覆 土厚度与环境之间的效应关系；将经济、环境和社会效益等反映复垦治理效果的 多因素指标综合起来，用覆土厚度直观表示出复垦效果的优劣，为储灰场的复垦 工程提供理论参考。 分析结果表明：覆土厚度为5 0 c m 的土壤对营养元素有最佳的保持能力；覆土 厚度为3 0 c m 的土壤重金属污染较严重且长期食用其农作物具有较大的安全隐患； 复垦效果的优劣依次为3 0 c m 5 0 c m 6 0 e m ，即3 0 c m 为较适宜的覆土厚度。 复垦效果的优劣分析结果表明三种覆土厚度下复垦工程的经济差异要大过其 环境质量差异，但是经济效益的最大化是必须以良好的环境为基础的，因此在选 择实际的复垦工程中选择3 0 c m 为覆土厚度时，必须在复垦工程的后期管理中采取 措施防治土壤污染。 图2 0 表2 8 参8 5 关键词：粉煤灰场；复垦；覆土厚度；营养元素保持能力；综合污染指标； 分类号：x 5 3 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ey i e l do ff l ya s hi si n c r e a s i n gd r a m a t i c a l l yw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o a l e l e c t r i c i t yi n d u s t r y , a n dt h ea n n u a la s hr e s e r v o i ra r e ai su pt o8 2 3 7t h o u s a n da c r e s f a c e dt ot h ed e t e r i o r a t i o no fe n v i r o n m e n t a lr e s o u r c ea n dt h et e n s i o n a ls i t u a t i o no f f a r m l a n dr e s o u r c e ，t h ea s hf i e l du s e di nr e c l a m a t i o ni sa ne f f e c t i v ew a yt os o l v et h e p r o b l e m so fr a s i e dd u s tp o l l u t i o na n dt a k i n gu pm u c hl a n dw h i c hc a u s e db yf l ya s h a t t h es a m et i m e ，t h er e c l a i m e da s hf i e l dc a ng a i ns o m ee c o n o m i cb e n e f i t sa f t e rm e t i c u l o u s m a n a g e m e n t t h e r e f o r e ，t h ep r o j e c to fa s hf i e l dr e c l a m a t i o nh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o r b u i l d i n gu pa r e s o u r c ec o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n t a lf r i e n d l ys o c i e t y i n t h i sd i s s e r t a t i o n , t h eo l dl u o h ea s hf i e l d ，o n ep a r to fs h a n g y a oa s hf i e l di n h u a i n a n , a n h u ip r o v i n c e ，i st h es t u d ya r e a a n a l y s i st h er e c l a m a t i o ne f f e c to fr e c l a i m e d l a n df i l l i n gw i t hf l ya s hb a s e do nd i f f e r e n tc o v e r i n gt h i c k n e s s s e l e c ti n d i c t o r so fs o i l m o i s t u r ec o n t e n t ，e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y , p h ，o r g a n i cm a t t e r , h y d r o l y s a b l en i t r o g e n ， a v a i l a b l ep h o s p h o r u s ，a v a i l a b l ep o t a s s i u m ，h e a v ym e t a l sa n ds oo n ，t o t e s tt h e c o n c e n t r a t i o ni nd i f f e r e n tl a y e ro ft h es o i ls a m p l e sw i t hc o v e t i n gt h i c k n e s so f 3 0c m ，5 0 c m ，a n d6 0c m b u i l dt h ee f f e c tr e l a t i o n s h i po fc o v e r i n gt h i c k n e s sa n dp l a n t i n gb y a n a l y z i n gt h ep r e s e r v i n ga b i l i t yo fn u t r i e n te l e m e n t s ；b u i l dt h ee f f e c tr e l a t i o n s h i po f c o v e r i n gt h i c k n e s sa n de n v i r o n m e n tb ya n a l y z i n gt h ec o m p r e h e n s i v ep o l l u t i o no fh e a v y m e t a l sa n df o o ds e c u r i t y ；c o m b i n i n ge c o n o m i c ，e n v i r o n m e n t a la n ds o c i a lb e n e f i t i n d i c a t o r s ，u s ec o v e r i n gt h i c k n e s st or e f l e c tt h eg o o do rb a do fr e c l a m a t i o ne f f e c t t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：l a n d 、析t l lt h ec o v e t i n gt h i c k n e s so f5 0c mh a st h eb e s t a b i l i t yt op r e s e r v et h en u t r i e n te l e m e n t s ；l a n dw i t ht h ec o v e r i n gt h i c k n e s so f3 0c mi s m o r es e r i o u si nh e a v ym e t a lp o l l u t i o na n dh a sg r e a t e rs e c u r i t yr i s ki fc o n s u m ei t sc r o p s i nl o n gt e r m ；t h er e c l a m a t i o ne f f e c t , f r o mp r o sa n dc o n si s3 0e m 5 0c m 6 0c m ，t h u s ， 3 0c mi st h em o r es u i t a b l ec o v e r i n gt h i c k n e s s 1 1 1 ea s s e s s m e n tr e s u l t so fr e c l a m a t i o ne f f e c ts h o w e dt h a tt h ed i f f e r e n c e so f e c o n o m ya r el a r g e rt h a ne n v i r o n m e n t a sw ek n o w n ，t om a x i m i z et h ee c o n o m i cb e n e f i t s h o u l db eb a s e do nf a v o r a b l ee n v i r o n m e n t ，s oi nc h o o s i n g3 0c ma st h em o s ts u i t a b l e c o v e r i n gt h i c k n e s ss h o u l d t a k em e a s u r e st o p r e v e n t s o i l p o l l u t i o n i nt h el a t e r m a n a g e m e n t f i g u r e2 0 t a b l e2 8r e f e r e n c e8 5 i i i 安徽理工大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：a s hf i e l d ；r e c l a m a t i o n ；c o v e t i n gt h i c k n e s s ；p r e s e r v i n ga b i l i t yo f n u t r i e n t e l e m e n t s ；c o m p r e h e n s i v ep o l l u t i o ni n d e x ； c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：x 5 3 插图清单 插图清单 图1 技术路线图17 图2 研究区域地理位置图1 9 图3 预采样点分布图2 1 图4 不同覆土厚度的土壤含水率的空间分布2 3 图5 不同覆土厚度的土壤电导率的空间分布2 3 图6 不同覆土厚度的土壤p h 的空间分布。2 4 图7 不同覆土厚度的有机质的空间分布2 5 图8 不同覆土厚度的土壤水解氮的空间分布2 6 图9 不同覆土厚度的土壤速效磷的空间分布2 7 图l o 不同覆土厚度的土壤速效钾的空间分布。2 8 图1 1 不同覆土厚度的土壤肥力综合指标值3 l 图1 2 不同覆土厚度的土壤中c d 的空间分布3 5 图1 3 不同覆土厚度的土壤中c r 的空间分布3 6 图1 4 不同覆土厚度的土壤中c u 的空间分布3 7 图1 5 不同覆土厚度的土壤中n i 的空间分布3 8 图1 6 不同覆土厚度的土壤中p b 的空间分布3 9 图1 7 不同覆土厚度的土壤中z n 的空间分布4 0 图18 复垦地表土土壤重金属分布4 0 图1 9 复垦地中间层土壤重金属分布4 1 图2 0 复垦地粉煤灰层土壤重金属分布4 1 x i i i 表格清单 表格清单 表1 我国1 9 9 9 2 0 0 8 人口数量与耕地面积情况3 表2 电厂粉煤灰化学成分( ) 7 表3 农用粉煤灰中污染物控制标准值m g , i k g 8 表41 9 4 9 2 0 0 2 年淮南市耕地面积变化情况1 4 表52 0 0 3 2 0 0 7 年淮南市耕地面积变化情况1 5 表6 监测项目及分析方法2 2 表7 不同覆土厚度土壤养分平均含量2 9 表8 土壤肥力因子主成分的贡献率与各主成分因子的负荷量和权重2 9 表9 隶属度曲折线转折点取值3 0 表1 0 各指标隶属度值3 0 表1 1 不同覆土厚度下复垦地各层重金属平均含量m g l ( g 。3 4 表1 2 潜在生态危害毒性系数4 3 表1 3 潜在生态风险评价指标与分级关系4 3 表1 4 各土层潜在生态风险评价结果4 3 表1 5 不同覆土厚重金属综合污染指数4 5 表1 6 小麦籽土壤中重金属平均含量m g k g 4 6 表1 7 小麦籽中重金属富集系数4 6 表1 8 富集系数与土壤重金属含量相关系数4 7 表1 9 各种重金属经食入途径的参考剂量4 8 表2 0 不同覆土厚度下作物经食物摄入的化学物质非致癌风险指数4 8 表2 1 土地复垦效益评价指标体系和复垦农田质量评价指标体系5 2 表2 2 灰场复垦地总产值与投入资金估算值5 3 表2 3 农田设施水平评价指标5 4 表2 4 农田生物多样性的评价指标5 4 表2 5 土壤环境质量的评价指标5 5 表2 6 农田景观舒适度评价指标5 5 表2 7 农田景观文化价值评价指标5 6 表2 8 灰场复垦地景观质量评价5 7 绪论 1 1土地复垦概述 1 1 1 土地复垦的定义 第一章绪论弟一早珀v 匕 “复垦一词来源于国外，欧美通常用r e s t o r a t i o n ，r e c l a m a t i o n 和 r e h a b i l i t a t i o n 三个词进行表述。虽然通过字典的翻译，三者在意义上有所差别，例 如r e s t o r a t i o n 强调的是“复原”，即复原到破坏前所存在的状态；r e c l a m a t i o n 强调 的是m 阪复”，即恢复到近似破坏前的状态；而r e h a b i l i t a t i o n 强调的是“重建”，即 将破坏的地区重建到具有稳定的和永久的用途，如果改变用途，新的用途必须对 社会更有利而且与周围环境的美学价值一致。但是，目前越来越多的专家认为这 三个次具有相同的含义并在理解上达成共识，三者都是对扰动( 破坏) 场地的状 态的恢复，都要求与周围环境相适应。同时，随着技术的发展，三者中的任何一 个可以用以表示所有的“复垦”工作，而不再加以过细的区分。 美国联邦法典第3 0 卷第7 篇、美国内政部露天开采与复垦执法办公室第7 0 1 5 款将土地复垦定义为：“将已采完矿的土地恢复成管理当局批准使用的采后土地的 各种活动。”美国矿井复垦书对其的解释为：“将因采矿而荒芜的、不用了的 地区恢复到所期望状态的行动。 英国采石场恢复指南一书中指出：“采石场 和露天采场可恢复成为用于某种生产性目的的土地。”前苏联露天矿土地恢复 中指出：“土地复垦是指以恢复破坏土地的生产效能和国民经济及改善环境条件为 目标的各项工作之总和”。德国景观与露天采矿：恢复的生态指南中解释为： “恢复( r e c l a m a t i o n ) 是使破坏的景观恢复生产力和视觉吸引力的各种措施。” 我国国务院于1 9 8 8 年1 1 月颁布的土地复垦规定第二条明确提出：“本规 定所称土地复垦，是指对生产建设过程中，因挖损、塌陷、压占等造成破坏的土 地，采取整治措施，使其恢复到可供利用的状态 。随着土地复垦的理论和实践的 发展，其内涵也在不断延伸。 胡振琪教授通过分析这一名词的产生，并结合国内外的相关描述得出如下定 义【l 】：土地复垦就是指对采矿等各种人为活动破坏的土地和各种人为及天然原因造 成退化的土地，采取各种整治及弥补措施，使其因地制宜的恢复到可供利用的期 望状态的活动或过程。该定义突出强调了采矿业对土地破坏的严重性，并提出了 因地制宜的复垦思路。 张绍刘2 】则是从复垦对象、目的、方法三个方面对土地复垦做出了如下定义： 安徽理工大学硕士学位论文 对地球表层的陆地部分( 包括海洋滩涂和内陆水域) 中，由于人为或自然营力原 因遭到直接或间接破坏而丧失了原有的利用价值的部分，采取各种技术和相关措 施，使之恢复到可供人类持续有效利用状态的行为。 总的来说，土地复垦是对人为和自然损毁的土地，因地制宜地采取整治措施， 使其恢复到可供利用的期望状态的行动和过程。 1 1 2 土地复垦的意义 ( 1 ) 恢复土地资源、解决人地矛盾 在当今人类面临的人口( p o p u l a t i o n ) 、资源( r e s o u r c e ) 、环境( e n v i r o n m e n t ) 和发展( d e v e l o p m e n t ) 这4 大主题中，土地作为资源和环境的重要组成部分，面 临着严峻的形势。 虽然我国土地辽阔，总面积相当于世界陆地的1 1 5 ，约占亚洲总面积的1 4 ， 与整个欧洲面积差不多，但我国人口众多，人均占有面积少，人均约占0 1 0 6h m 2 ， 不足世界平均水平的1 3 ；人均林地仅为世界平均数的1 4 3 ，人均草地是世界平 均数的3 2 5 ，人均耕地仅0 0 8 5h r n 2 ，为世界平均数的3 2 3 。因此，从平均数 量上来讲，我国是一个人均资源匮乏的国家。同时，人口增长的包袱越来越重。 虽然我国目前人口自然增长率已经降至1 1 5 ，但是每年仍要净增1 3 0 0 多万人。 据估计，到2 0 4 0 年左右，我国将出现1 6 亿左右的人口峰值，因此我国在今后的 几十年里，将面临着土地资源越来越紧张的局面。另一方面，由于工业的发展， 各行业对土地需求不断增加。这种增加在压占大量的土地同时也造成了巨大的土 地破坏并引起严重的环境问题。采矿业是造成土地破坏最严重的行业之一。据统 计，我国仅煤炭资源与耕地资源分布的复合区域面积就占我国耕地面积的4 2 7 ， 据测算，煤炭开采的万吨煤炭塌陷率少的有0 0 3 3 h m 2 ，多的达0 5 3 3h m 2 ，平均为 0 2h m 2 。根据1 9 4 9 - 2 0 0 6 煤炭产量约3 7 6 亿吨计算，目前我国因采煤塌陷破坏土 地7 5 2 万h m 2 ，而且每年还以4 6 万h m 2 的速度增加。此外，全国现有煤矸石总 量3 0 亿吨，压占土地1 0 0 0 0h m 2 ，而且以每年3 3 3h m 2 的速度递增【3 1 。快速发展的 工业对生存空间的日益需求，将会使得本来就土地资源不足的窘境愈发严重。下 表为我国近年来人口数量与耕地面积情况。 2 绪论 表1 我国1 9 9 9 - 2 0 0 8 人口数量与耕地面积情况 年份( 年末) 总人口数万总耕地面积门0 3h m 2 人均耕地面积h m 2 人 注：人口数据来源于1 9 9 8 2 0 0 9 中国人口年鉴；耕地面积数据由国土资源部各年国土资源公报整理。 综上所述，目前乃至今后的几十年里，我国的土地资源紧张的问题将会一直 存在，而快速发展的工业以及不可阻挡的城镇化进程将会使得可供利用的土地资 源越来越少。据资料统计，我国耕地面积正在以每年平均30 x 1 0 5h m 2 的速度递减。 这一结果必然直接影响到农业耕种面积的总量，在粮食产量增加有限度的情况下， 会使得粮食供应减少，粮食价格攀升。它不仅影响我国居民的生活水平和生活质 量，而且生产资料的短缺将严重制约着我国工业的快速发展，因此土地复垦势在 必行，而且已有不少实践证明利用相关的科学技术进行土地复垦是恢复土地可利 用性的一项有效措施。 ( 2 ) 保护生态环境、提高人民生活质量 土地破坏所带来的景观效应以及一系列的环境问题，严重影响着人们的生活 质量。例如高低不平的塌陷地，堆成山的煤矸石，成片的灰池等，造成景观上的 不宜；耕地的减少，土壤污染，粉尘飞扬等，使人们的生活存在健康隐患。而土 地复垦的目的不仅仅是恢复土地生产力，而且恢复土地生态系统，实现经济、社 会和环境的统一，从而改善人们的生存环境质量。 ( 3 ) 缓解工农矛盾、解决就业和维护社会安定团结 我国是一个农业大国，七亿以上农民仍以土地为生，而土地的破坏、耕地的 减少直接影响农业生产，同时也限制了区域的经济发展，从而更加剧了工农用地 3 安徽理工大学硕士学位论文 矛盾，因此随时都有可能引发工农矛盾的恶性事件和产生一些经济、危机社会稳 定的各种问题，并直接影响区域的经济发展。因此，只有通过土地复垦，还田于 民，才能缓解工农矛盾，保障社会安定，使农民安居乐业。 1 1 3 国内外土地复垦研究现状 ( 1 ) 国内外土地复垦发展状况 工业的不断发展，土地资源的不断破坏，人类生活环境的日益恶化，土地复 垦应运而生。土地复垦最早开始于工业发达的国家。2 0 世纪初，美国和德国己开 始了土地复垦，是世界上最早开始土地复垦的国家。到2 0 世纪5 0 年代和6 0 年代， 工业发达国家随着复垦法规的不断完善和复垦工程实践的实施，土地复垦进入了 科学复垦时代。在2 0 世纪8 0 年代以后，许多工业发达国家的矿区生态环境修复 已进入蓬勃、正常的发展轨道。目前大多数发达国家的复垦率已达到6 5 以上【4 】。 美国现已成立“国家矿山土地复垦研究中心”( v i l r c ) ，并由国会每年拨1 4 0 万美元作为土地复垦的专项经费，组织多学科专家攻关，另外，美国露天采矿与 土地复垦学会还每季度出版一期会讯，每年组织一次全国学术会议。美国的土地 复垦研究是世界上最活跃的，且技术水平较高。德国的土地复垦从单一的植树造 林到林业复垦、农业复垦等多种用途，进而从土地的生产力和林木的经济价值出 发强调土地复垦的经济价值，随后才上升到生态环境的重建，复垦目标从以林业、 农业而复垦为主转向建立休闲用地、重构生物循环体和保护物种。加拿大土地复 垦协会每年召开一次学术年会并负责编辑出版国际土地复垦家联合会会讯和国 际露天采矿、复垦与环境杂志。最近，加拿大对油页岩复垦以及由于石油和各 种有害物质造成污染的土地问题给予高度重视。此外，英国、澳大利亚、波兰等 国也对土地复垦有较深入的研究，并有较高的技术水平。 我国的土地复垦起步较晚，近代的的土地复垦始于2 0 世纪5 0 年代末或6 0 年 代初，但直到2 0 世纪8 0 年代，土地复垦工作才得到真正的重视。从淮北的“六 五”科技攻关项目塌陷区造地复田综合治理的研究、长沙黑色冶金设计研究 院复垦研究设计室的成立、1 9 8 5 年第一次全国土地复垦学术研讨会在淮北的举行 以及1 9 8 7 年第二次全国土地复垦学术交流会上中国土地学会土地复垦研究会上的 成立，我国的土地复垦工程如雨后春笋。而后的1 9 8 8 年1 1 月国务院颁布了土 地复垦规定，于1 9 8 9 年1 月1 日正式施行，标志着我国的土地复垦从此走上了 法制轨道。1 9 9 5 国家环保局组织“矿区生态环境破坏与恢复重建调查研究 ，使土 地复垦成为热点。2 0 0 1 年开始实施“国家投资开发整理项目”，标志着国家开始投 4 绪论 资土地复垦。2 0 0 6 年国土资源部等7 部委颁发关于加强生产建设项目土地复垦 管理工作的通知( 国土资发1 2 0 0 6 1 2 2 5 号) 标志着复垦进入开采许可、用地审批程 序中，即开采和建设用地的许可审批都要编制土地复垦方案。2 0 0 7 年出台关于 组织土地复垦方案编报和审查有关问题的通知( 国土资发 2 0 0 7 1 8 1 号) ，进一步明 确土地复垦方案的编制内容和审批要求等。迄今为止，我国复垦率己达到1 2 ， 取得了明显的经济、社会和环境效应。尽管与国外的复垦技术水平还有很大差距， 但我国的土地复垦事业正在良性发展着。2 0 0 9 年全球土地复垦领域最具权威和影 响力的学会美国采矿与复垦学会( a s m ) 将2 0 0 9 年度“土地复垦科技贡献 奖 颁发给了中国矿业大学的胡振琪教授，这是a s m r 首次把奖项颁给北美洲以 外的科学家，也是我国土地复垦学者在国际上获得的第一个大奖。 ( 2 ) 土地复垦技术及研究新领域 复垦技术的研究与应用是复垦成功与否的关键。目前，欧美发达国家的主要 研究领域有【3 】：( 1 ) 干旱、半干旱地区土地复垦的方法与技术；( 2 ) 矿山固体废弃 物的处理和复垦；( 3 ) 提高复垦土壤生产力的土壤培肥措施：( 4 ) 矿山复垦土地 的再造植被与牧草和农作物生产技术；( 5 ) 矿山废弃地的复垦；( 6 ) 矿山酸性水 的排放；( 7 ) 复垦规划与复垦效果评价及相关的法规研究；( 8 ) 污染土地的复垦； ( 9 ) 生态复垦与生物复垦；( 1 0 ) 开采沉陷及其复垦；( 1 1 ) 计算机在土地复垦中 的应用及软件开发；( 1 2 ) 矿山复垦土地的景观再造和侵蚀控制；( 1 3 ) 土地复垦 设备及产品的研制。在这些领域中，生物复垦技术的应用相当广泛并且已达到一 定的水平，尤其是应用微生物技术加速土壤熟化方面成绩显著，同时也加强适生 优良先锋植物种类的筛选、改良、培育、种植技术及植被结构和功能设计、食物 链设计等研究【5 1 。此外，矿山尾矿的多层覆盖技术，复垦地上作物获得高产的各种 生产技术，矿山酸性废水及有毒元素的治理技术、侵蚀控制技术，计算机技术的 应用以及一些评价方法和法规研究均为目前国内外的研究热点。 1 2 粉煤灰概述 1 2 1 粉煤灰的产生 在热能发电厂的电力生产中沥青，类沥青物质，无烟煤以及褐煤的燃烧产生 了一系列的燃烧残渣( c o a lc o m b u s t i o nr e s i d u e s ，c c 风) 。这些固体废物包括粉煤 灰，底灰，炉渣以及烟气脱硫物质。其中7 0 7 5 为粉煤灰，这些由细小颗粒组成 的矿渣在废气的流动过程中被带起而后带出锅炉，在烟道气中将这些微粒收集然 5 安徽理工大学硕士学位论文 后处置。 自从2 0 世纪2 0 年代燃煤电厂大规模的兴起，世界范围内产生了数百万吨的 粉煤灰和相关物质。目前，预计在2 0 0 0 2 0 2 0 年，仅从煤和煤的消耗来讲，美国 电力生产的5 2 就能使粉煤灰总量在全球范围内增加3 6 1 6 1 。大量产生c c r s 的国 家主要有美国、中国和印度，在2 0 0 2 年末这三个国家的年产量分别为1 2 9 、1 2 5 和1 0 5 百万吨【7 1 。另外，前苏联国家也至少产生了1 2 5 百万吨c c r s t 7 1 。目前，我 国发电机装机容量达1 1 亿千瓦以上，其中燃煤发电站装机容量占8 0 。据统计， 每燃烧1 吨煤就能产生2 5 0 3 0 0 k g 的粉煤灰和2 0 3 0 k g 的炉渣。2 0 0 5 年我国燃煤 电厂和低热值电厂排放的粉煤灰高达3 3 亿吨，居世界第一位，占全国固体废弃物 的4 0 ，冲灰用水量和贮灰场占地分别达到2 0 多亿吨和8 0 多万亩；煤炭、电力 行业供应及部分利用2 1 亿吨左右，利用率达6 6 ，创造了可观的综合效益。根据 煤炭、电力行业长远发展规划，预计到2 0 2 0 年，在提高煤炭质量前提下，粉煤灰 产排量将达5 0 亿吨左右，且大部分在远离大中城市的矿斟引。 1 2 2 粉煤灰的理化性质及其利用优势 ( 1 ) 粉煤灰的物理性质及其利用优势 粉煤灰是固体物质的细分散相，颜色灰白色至黑色，颗粒粒径集中在1 0 0 0 1 0 微米之间，约占8 5 以上；比重为2 1 2 4g c m 3 ，低于土壤颗粒的密度；容重为 0 5 - 1 0 c m 3 ；比表面积为2 0 0 0 4 0 0 0 c m 2 g 。粉煤灰吸附气态水的能力和吸水的能 力与土壤大致相同。最大吸湿水在8 2 4 5 9 & g f s q ，最大吸水量在4 1 7 - 1 0 3 8 9 k g f 司， 不同粉煤灰之间的差异较大。 由于粉煤灰质轻、容重小、易被粘结，所以常被用作建筑建材、市政建设原 料以及其他的工业和建材原料，而近几年来也用作粘质土壤的物理性改良剂。 ( 2 ) 粉煤灰的化学组成及其利用优势 粉煤灰是煤中无机矿物质灼烧后的氧化物和硅酸盐矿物组成的混合物，物相 主要是玻璃体，占5 0 8 0 。主要矿物有莫来石( 3 a 1 2 0 3 ，2 s i 0 2 ) 、旷石英、卜 硅酸二钙、方解石、钙长石、磁铁矿、赤铁矿、铝硅酸盐钙或硅酸钙。因为煤的 产地分布不同，煤的化学元素组成或含量有所差异，另外所用煤的品级高低不同， 都可使得所产生粉煤灰的化学组成或含量不同。表2 为我国部分地区燃煤电厂粉煤 灰的化学成分。 6 绪论 粉煤灰所含的主要化学元素有硅、铝、铁、钙，以及含有多种重金属元素及 稀有元素如锡、硒、砷。其中所含的铁、锌、铜、铝、硼是植物生长发育所必需 的，这些微量元素的含量差异很大，但均比土壤的含量高，因此粉煤灰施入土壤 能为作物提供一定数量的微量元素。粉煤灰除几乎不含n 外，钾、磷含量及其有效 性大致同土壤相似。粉煤灰因为富集了碱金属、碱土金属元素，而使其p h 值较高， 通常达1 l 1 2 以上，但干灰经放置半月至一个月后，或者是与水接触后，其p h 可降 至9 0 以下，这样施人土壤不会对土壤酸碱反应造成太大影响。粉煤灰含有较高的 可溶性盐，一般在0 16 - - - 3 3 之间。 从粉煤灰的化学性质出发，可以把它用作土壤的化学改良剂、农业化肥原料、 园艺的人造土。 1 2 3 粉煤灰的环境效应 ( 1 ) 粉煤灰对大气环境的影响 由于粉煤灰的粉尘特点，灰场堆放的粉煤灰，在四级以上风力的气候条件下， 就会随风扬起，严重影响周围的空气质量。在煤烟型污染城市，大气溶胶是主要 污染物，而其中燃煤飞灰是这些悬浮颗粒的主要来源。由于粉煤灰颗粒细，能长 时间漂浮在大气中，并会随气流进行远距离的移动，造成区域性环境污染。近地 面的粉尘颗粒，可直接危害人类健康：粉煤灰中大于2 u m 的粉尘颗粒可沉积在人 体的鼻咽区，小于2 u m 的颗粒会沉积在支气管、肺泡区，这些粉尘被血液吸收后， 再随血液循环到达各器官，危害人体健康。大气中的悬浮粉煤灰颗粒降落在地面 后，不仅会影响市容市貌，还会对建筑物、露天雕塑品的表面造成严重侵蚀。 7 安徽理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 粉煤灰对水环境的影响 目前很多国家已经禁止将粉煤灰直接排放至江河湖海，粉煤灰直接污染水体 的可能性已经比较小。但堆放在储灰场的粉煤灰，在日晒、风吹雨淋、冻溶等作 用下，一方面，粉煤灰颗粒会随风飘落至这些水体中，另一方面粉煤灰中一些可 渗虑的有害物质很容易随天然降水进入地表水循环或者渗入地下水，使水质恶 化。 ( 3 ) 粉煤灰对土壤的影响 粉煤灰在其进行改土等农用方面的应用的同时，其有害物质也会对土壤产生 影响。表3 为我国农用粉煤灰中污染物控制标准值9 1 。粉煤灰中的重金属及一些微 量元素s e 、m o 和a s 等通过土壤在植物体中的富集是一个值得关注的问题，虽然 基本上没有达到毒性水平但还是可能对牲畜和以野草为食的野生动物存在潜在的 风险【l o 】。 表3 农用粉煤灰中污染物控制标准值m g k g t a b l e 3c o n t r o ls t a n d a r dv a l u e sf o rf l ya s hu s e di na g r i c u l t u r a l m g k g 最高允许含量最高允许含量 项目 在酸性在中性和碱性土 项目 在酸性土在中性和碱性 土壤上壤上 壤上土壤上 p h 6 5p h 6 5 总镉( 以c d 计) 51 0总铬( 以c 耐)2 5 05 0 0 总砷( 以a s 计) 7 57 5 总铜( 以c u 计) 2 5 05 0 0 总钼( 以m o 计) 1 01 0 总铅( 以p b 计) 2 5 05 0 0 总镍( 以n i 计) 2 0 03 0 0 总硒( 以s e 计) 1 51 5 1 3 湿排和风化对粉煤灰理化性质的影响 1 3 1 湿排对粉煤灰性质的影响 从粉煤灰的产生，到其排放、堆积和利用的过程中，人为干扰因素以及自然 条件下的水热状态等都会改变粉煤灰的理化性质，而粉煤灰自身的理化性质直接 决定着其利用途径。尽管相对于建筑填料等方面的利用，农业利用对粉煤灰的理 化性质的要求要低的多，但是在投入农业利用前对其理化性质的掌握能更有效的 达到其利用价值。据徐塘电厂测定，干灰p h 值为1 0 1 2 ，湿灰p h 值为8 5 - 1 0 5 ， 已经储满的老灰场的p h 值一般在8 5 左右，同时粉煤灰中的微量元素的含量也会 随着淋溶迁移等过程发生变化。 尽管粉煤灰的性质主要是由原煤的品质及燃烧条件有关，但排放方式也在很 8 绪论 大程度上影响着粉煤灰的性质【l l 】。粉煤灰的排放有干排和湿排两种。可供农业利 用的粉煤灰是灰水比为l ：1 0 l ：2 0 的湿排法排除的粉煤灰【1 2 】。汪克进i l 副用p h 为7 5 的自来水模拟粉煤灰湿排进行实验研究，结果表明：湿排可能造成储灰池中 粉煤灰的密度、细度、烧失量分布不均，一般距排灰口较近点的粉煤灰密度大、 而细度、烧失量较小，反之，距排灰口较远点的粉煤灰一般密度小、而细度和烧 失量较大；湿排灰的堆积密度与含水状态有很大关系；湿排对粉煤灰的体积安定 性有一定改善作用，并且通过测试粉煤灰溶液的p h 值，表明湿排灰的水化反应具 有开始阶段速度比较快，而后逐渐趋缓的特点；s e m 分析表明，湿排对含氧化钙 较低的粉煤灰的颗粒形貌无影响，但对于氧化钙较高的粉煤灰会出现一定的结团 现象，同时通过x r d 分析发现，粉煤灰的主要成分没有发生明显的变化，也未出 现一定数量的水化产物生成的迹象。吴传吲1 4 】等从湿排时间，湿排温度、p h 环境 等方面研究湿排对粉煤灰活性影响的实验结果表明：常温下粉煤灰随湿排时间的 延长活性呈现不断降低的趋势，但前期降低速度较快，而后期减缓；较高环境温 度会使得粉煤灰的水化反应加速，从而使粉煤灰表面有更多的活性组分暴露出来 被活化；酸性环境对粉煤灰的表面有溶蚀作用，因此有利于粉煤灰活性的发挥； 海水湿排粉煤灰的活性变化规律与淡水湿排粉煤灰基本相同，但由于海水中的硫 酸盐和氯盐作用，早期抗压强度比有所提高。 1 3 2 风化对粉煤灰性质的影响 粉煤灰风化的最初阶段被认为是碱性灰中关于c a 的形态的转化【肛16 1 。在未经 风化的粉煤灰中，c a 主要是以氧化钙和硫酸钙或无定型的玻璃态存在，这些形态 一旦遇到水就会有反应发生。在含钙较丰富的阶段，钙离子是否与硫酸根离子结 合决定了反应的最终产物是碳酸钙还是二水硫酸钙。在这一系列的反应当中，石 灰( c a o ) 与水结合形成氢氧化钙，氢氧化钙遇水形成方解石( c a c 0 3 ) 。氢氧化 钙向方解石的转化对平衡溶液的p h 值的降低有很重要的作用。氢氧化钙占主导地 位时的反应为： c a ( o h ) 2 ( s ) 一c a 2 + + 2 0 h 一 当来自大气或微生物呼吸作用所产生的c 0 2 被碱性较强的溶液吸收后变产生 c a c 0 3 沉淀，同时溶液的p h 值降低。 c a 2 + + c q ( g ) + 县0 c a c 0 3 ( s ) + 2 h + 由于c a c 0 3 的稳定性，可以认为方解石的溶解性控制着碱性灰溶液和沥滤液 的p h 平衡。张军【1 刀等人研究表明随风化时间的增加，粉煤灰的p h 总体上出现减 9 安徽理工大学硕士学位论文 少趋势，但p h 与风化时间之间并不成线性关系，其原因主要是由于粉煤灰原始组 成结构、所处环境条件的不同所造成的，并且粉煤灰的p h 对其碱性成分 ( c a + m g o + n a 2 0 + k 2 0 + b a o + s r o ) 存在一个阀值，约为1 0 ，此阀值后，碱性成 分含量的变化对灰的影响显著减小。 在更长的一段时间里，构成灰分矩阵的铝硅酸盐玻璃将风化形成非晶体结构 的铝硅酸盐粘土。z e v e n b e r g e n 等人【l8 j 研究发现经历大约十年风化的粉煤灰中非晶 体结构的粘土含量明显高于经2 5 0 年风化后的火山灰。有假设认为粘粒的快速形 成是由于褐煤灰较高的p h 值促进了铝硅酸盐玻璃化合物的分解速度。在前面已经 说明，由于c 0 2 的吸收以及c a c 0 3 的形成，灰的p h 会降低且将稳定在7 8 范围 内。而p h 的降低会使s i 和a 1 从非结晶态的铝硅酸盐化合物中沉淀出来。若灰的 最初的p h 值只在7 8 之间或者更低，那么风化的速度将会慢很多。张军【1 9 】在研究 粉煤灰粘土的形成中发现，粉煤灰的比表面积和c e c 随风化时间有增加趋势，a l o x 、 s i o x 在一定时间后也显示了增加的趋势，因此表明在粉煤灰风化过程中粘土逐渐形 成。未经风化的粉煤灰有较高含量的可溶性盐，其电导率通常大于1 3 d s m 2 0 2 1 】， 而经过2 3 年的风化其电导率即可以达到植物生长的无害化水平( 4 d s m ) 1 2 2 。 1 4 国内外粉煤灰农业利用研究现状 从2 0 世纪6 0 年代开始就有利用粉煤灰改良土壤的试验，美国、英国、前苏 联、日本、原联邦德国等国家先后开展研究并取得了较好效果。1 9 8 0 年原水利电 力部在山东济宁召开农用粉煤灰会议，并正式下达了全面、系统的“灰改土”科 研任务。有山东、山西、湖北、陕西、天津等省、市农科院( 所) 、西北农学院和 有关省的电力部门共同配合攻关，取得了很大效果。 目前，我国年排粉煤灰2 亿多吨，居世界首位【2 3 1 ，而其利用量不足排放量的 5 0 。在世晃范围内，其工业利用率也只有3 0 ，剩余的则是进行填埋或直接堆放 在排灰场【2 4 1 。然而由于粉煤灰其自身特殊的物化性质和矿物组成，早在1 9 7 4 年美 国就将其列为国家最丰富的第七位固体矿物资源，因此粉煤灰的闲置不仅是一种 资源的浪费，还会带来很恶劣的环境问题。目前粉煤灰的利用主要集中在建材和 农业等方面，相对于粉煤灰在建材等方面的利用，粉煤灰的农业利用具有投资少、 容量大、需求平稳、见效快、无需提纯等特点，因此将其投入到农业利用中具有 良好的前景。据统计，粉煤灰在各国农业方面的利用已占粉煤灰总利用率的 2 0 5 7 t 2 5 1 。粉煤灰用于农业的途径主要有两条：一是在土壤中掺加粉煤灰作为 肥料和改良剂，二是在排灰场( 包括沉陷地) 复垦进行农林种植【3 1 。 l o 绪论 1 4 1 粉煤灰制作肥料 粉煤灰中含有农作物所需的硅( s i ) 、钙( c a ) 、镁( m g ) 、钾( k ) 、锌( z n ) 、 锰( m n ) 、磷( p ) 、硼( b ) 、硒( s e ) 等，所以利用粉煤灰制造肥料，不仅能为 农作物提供更充足的养分，同时还能改善土壤的物理结构和化学环境，并能使小 麦、玉米、棉花、水稻等作物增产。 ( 1 ) 粉煤灰复合肥 粉煤灰复合肥的主要原料包括氮肥( 尿素、氯化铵) 、磷肥( 普钙、钙镁磷、 磷酸一铵、磷酸二铵) 、粉煤灰和填充料。孙克刚等人研究表明在生产过程中添加 粉煤灰，能减少氮素损失，一般每5 0 k g 粉煤灰复合肥能减少纯氮损失0 5 k g ( 相 当于1 1 埏尿素) 【2 6 】。粉煤灰复合肥与普通复合肥生产工艺流程相同，只是添加剂 和配方的不同，实践证明，在n 、p 、k 养分相同的情况下，粉煤灰复合肥综合质 量优于普通复合肥。 ( 2 ) 粉煤灰磁化复合肥 粉煤灰复合磁化肥是在粉煤灰中添加适量的氮、磷、钾养分和其他微量元素 经造粒、磁化得到的一种新型复合月m 1 2 7 。孙克刚等人在河南省农科院土肥所做的 玉米、小麦对比实验表明：磁化的复合肥比同样配方的未磁化复合肥增产至少5 以上【2 6 】。 施用粉煤灰磁化复合肥无论在砂姜黑土、潮土、黄棕壤、砂姜黑土、壤质潮 土、水稻土等各种土壤上，花生、大豆、芝麻、油菜、棉花等各种经