粉煤灰堆放對周邊環境危害的研究進展

芮玥紀 王興明 陳繼旺

(安徽理工大學地球與環境學院，安徽 淮南 232001)

據統計，煤炭作為中國主要的能源來源，消費量已經超過35億t，占世界消費量的50.2%。燃煤發電是中國最主要的煤炭利用方式，每年燃煤電廠會產生大量的粉煤灰。粉煤灰是燃煤火力發電過程中各種有機和無機組分在1200～1700℃燃燒后產生的工業固體廢棄物，現已成為我國最常見的人為固體廢棄物之一。

粉煤灰問題的特點，規模大，成分毒。煤炭中的各種有害重金屬和放射性物質，在燃燒后仍會以較高濃度留存在粉煤灰中，約20%的粉煤灰是空心微粒結構，在有風的情況下很容易擴散，形成二次揚塵空氣污染。不管是干法處理還是濕法處理，除非有非常完善的封存處理，否則由粉煤灰導致的二次揚塵污染都很嚴重。同時粉煤灰堆放需占用大量土地，如果灰場防滲漏措施不當，粉煤灰中有毒微量元素在長期堆存過程中，也會逐漸滲透到水體中。目前針對粉煤灰的綜合利用途徑研究較多，但對其具體危害敘述較少，本文基于粉煤灰的礦物和化學組成，總結了粉煤灰堆放目前存在的環境問題，以期為后續粉煤灰處理及再利用提供一定的參考依據。

1 粉煤灰的組成和性質

1.1 礦物組成

粉煤灰密度約為1.9～2.9g·cm-3，粒徑在5～20μm，比表面積約為0.2～0.4m2·g-1[1]，具有密度小，比表面積大，孔隙率高的特點，因此粉煤灰具有較強吸附特性。粉煤灰的礦物組成主要取決于原煤，礦物組成百分比隨燃燒過程中溫度和原煤中含鐵礦物相的變化而發生變化[2]。由于在爐膛中先后經歷高溫熔融、冷卻，粉煤灰主要是玻璃體結構，由礦物顆粒和非晶質球形顆粒組成。粉煤灰顏色與未燃盡的鐵和碳含量不同而產生差異，大部分呈灰色。將不同地區電廠粉煤灰礦物組成進行對比，見表1，結果發現，粉煤灰礦物組成物質為莫來石、石英、磁鐵礦等，其中莫來石為主要物質。

表1 不同地區電廠粉煤灰的礦物組成

1.2 化學組成

粉煤灰的化學成分受原煤的灰分影響。原煤的質量直接決定了粉煤灰的成分。粉煤灰中主要物質為SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO等金屬氧化物，同時也含有Cr、Cd、V、Ni等元素。根據美國材料與試驗協會(ASTM)的分類標準，將50%≤SiO2+Al2O3+Fe2O3≤70%定為C類粉煤灰；SiO2+Al2O3+Fe2O3>70%定為F類粉煤灰。其中，C類粉煤灰含鈣量高，在濕潤的環境中具有自硬性[2]。另外，根據粉煤灰中CaO的含量，可以將粉煤灰劃分為高鈣(含量>10%)和低鈣(含量<10%)2種類型。而F類粉煤灰被認為是一種火山灰材料，在常溫下可與氫氧化鈣發生反應，形成硅鋁酸鹽等凝膠性的水硬產物。

將不同地區電廠粉煤灰化學組成對比，見表2，結果發現，4個電廠粉煤灰樣品均屬于F類低鈣粉煤灰。硅鋁酸鹽主要由SiO2和Al2O3構成，含量越高，粉煤灰的活性就越高，因此，Al2O3、SiO2的含量直接影響粉煤灰的二次利用效率[7]，同時粉煤灰中的硅鋁比(Al2O3/SiO2)對于粉煤灰合成分子篩的利用效率有著重要影響[8]。

表2 不同地區電廠粉煤灰的化學組成

2 粉煤灰堆放目前存在的環境問題

粉煤灰主要包含硅、鐵、鋁、鈣、鎂和其他氧化物。由粉煤灰形成過程可知，煤炭中的有害重金屬和放射性元素在爐灶中高溫燃燒冷卻后，仍能以較高濃度存在于粉煤灰中。隨著粉煤灰的堆存，周邊環境不可避免會受到粉煤灰中有害元素影響，進而影響人體健康。其危害具體體現在以下4個方面。

2.1 污染水源

被除塵器捕獲的粉煤灰，若使用濕法排出，粉煤灰中的有害成分就溶于沖灰水中，導致水體被污染。如果灰場防滲措施不當，灰中有害元素將通過雨水淋濾作用滲入地下水中，從而污染水體。粉煤灰對水環境的污染主要有2種方式：粉煤灰中有毒元素直接溶于水體，大部分粉煤灰在經過電廠濕法處理后被排放，但部分粉煤灰在堆放過程中可能會隨風散落至附近的河流和湖泊，直接溶于地表水中，造成As、Hg、V等元素直接污染水體[1]，同時由于粉煤灰顆粒較細，比表面積大，進入水體后形成沉淀，使水體淤積，減少氧氣含量，影響水生生物生存；降水、雨水淋濾作用，粉煤灰中有害元素會在大氣降水和雨水淋濾作用下，溶解度升高，遷移能力增強，在此過程中淋溶液中有毒重金屬(如Cr、Cd、As、Hg等)會隨滲濾液進入水體，如果灰場的防滲措施不當，灰中有害元素會通過包氣帶向下滲入灰場周邊淺層地下水中，造成水質惡化，進而破壞水生生態系統穩定，同時由于灰場長期儲存粉煤灰，土壤的環境容量會不斷減小，進而加重地下水污染，且地下水流動性較差，堆放粉煤灰時間越長，對地下水環境影響越大[10]。

S K Choi等[11]研究韓國某濕法儲灰場的灰漿污泥、周邊地下水、地表水中As、Cd、Cr、Cu等含量發現，粉煤灰的堆放會對周邊環境造成潛在污染，尤其是Cd、Pb、Cu和Zn元素；Saha D等[12]對某燃煤發電廠燃煤過程中粉煤灰中Cd、Cr、Co、Pb等元素進行分析發現，在周邊地表水、地下水中發現了相同元素的濃度，說明粉煤灰中元素進入了周邊水體；王義生等[13]對濟寧市某電廠濕式灰場周邊地下水中As、Hg、Cl等元素進行研究發現，粉煤灰通過雨水淋濾作用對地下水水位及水質產生了顯著影響，適當的水平或垂直防滲措施能夠降低該影響；郭慧霞[14]對電廠粉煤灰中鉻的遷移轉化規律研究發現，在淋溶初期，Cr6+會被包氣帶土層吸附，當吸附達到飽和狀態后會繼續向下滲透至地下水層，影響地下水水質。

2.2 污染大氣

粉煤灰中富集了大量砷、鉛、鎘等危害人體健康的重金屬元素。馬彤彤[15]對電廠燃煤過程中Se元素遷移轉化路徑進行研究，發現絕大部分電廠的Se富集會被除塵器捕集，但仍有部分電廠的Se逃逸進入大氣中，對大氣造成污染。大多數灰場的防揚散措施遠不足以達到有效防治粉煤灰污染大氣環境的目的。

粉煤灰密度較小，粒徑一般在微米級，質量較輕，由于這種特性，很容易被風力帶起并漂浮在空中。當風力強度>4級時，粉煤灰的沉降范圍可達10萬～15萬km2，這將直接導致空氣質量變差，能見度降低，引發重度空氣污染[1]。此外，較細顆粒的粉煤灰在大氣環境中可以漂浮7～10d，并通過空氣氣流進行遠距離輸送，從而導致區域性空氣污染。以中國的沙塵暴為例，其主要經過北方的產煤區和火電廠。強風將大量未經擴散處理的粉煤灰帶到華北、華東地區，這些固體污染物含有大量As、Cr、Cd、Pb等重金屬元素，改變了沙塵暴的物理化學組成，使之成為了危害更大的“煤塵暴”，對沿途的工農業生產和人居環境造成不同程度的影響。

2.3 污染土壤

我國電力行業的快速發展導致燃煤電廠大量征地堆存粉煤灰的問題日益顯現。根據研究數據，我國每年需要約27000hm2的土地用于堆存這種固體廢棄物[16]。這種土地無法用于農業生產，失去了農業價值和經濟用途。此外，由于粉煤灰含有高鹽高堿成分，一旦擴散、滲透到土壤中，會導致土地鹽堿化，影響農業生態環境。同時，隨著粉煤灰堆放時間越久，其中的有害元素會通過雨水沖淋滲入地下，破壞土壤的成分和結構[1]，進而影響植物的生長發育，并導致有害元素在植物體內積累。

Singh P K等[17]對印度賈坎德邦博卡羅熱電站附近農業區和居民區土壤潛在有毒重金屬濃度及相關生態風險進行分析發現，土壤中Cd、Hg含量較高，Pb和Cr目標致癌風險較高，有極大的健康風險；華明等[18]對貞觀山煤灰庫附近農田土壤、土壤剖面等Se含量特征及污染現狀進行研究發現，粉煤灰堆放使Se對農田土壤產生了不同程度的污染，且離煤灰庫越近，Se污染越嚴重；姚盛翔等[19]對某廢棄灰場地表土壤中重金屬樣品進行測定分析發現，灰場土壤中As為輕污染水平，Cr為中污染水平，Cu、Cd、Ni為重污染水平，灰場整體達重污染程度；劉柱光等[20]對吉林省某燃煤電廠周邊土壤樣品進行研究發現，土壤中Cr、Ni、Cu、Pb平均含量遠高于土壤背景值，Cd在土壤中有富集，灰水滲漏是土壤受污染的主要原因。

2.4 危害人體健康

大量堆置的粉煤灰在長時間的雨水淋溶、風化侵蝕的作用下，其中的微量元素會發生遷移，在周圍的水體、土壤、沉積物中累積起來，一旦超過了污染的臨界值，便會間接對人體健康產生影響。粉煤灰顆粒較小，容易懸浮在空氣中，長時間吸入后，大于2μm顆粒堆積在鼻咽區，小于2μm顆粒堆積在支氣管和肺泡區，最終導致心血管疾病、腦血管疾病，甚至肺癌[21，22]。粉煤灰中的有害物質滲入飲用水中，會導致井水出現懸浮物增多、氟化、堿化等問題[10]。粉煤灰中的有害物質在土壤中累積，并進入植物體內。除了有害金屬，粉煤灰中發現的放射性元素也被視為與燃煤電站運營相關的潛在生態風險[23]。粉煤灰中的一些有毒有害物質還具有輻射性，在沒有得到妥善處理的情況下，會通過土壤、水、大氣等介質進入生物鏈，長期飲用和攝取受污染的食物后，人體會直接或間接攝入這些成分，對生命系統造成重大傷害，包括致癌、神經毒性、致突變以及致畸后果[24，25]。

3 結語

目前，關于粉煤灰綜合利用途徑研究較多，但針對粉煤灰的環境危害研究較少。本文先從粉煤灰的礦物組成和化學組成2方面對其性質進行簡述，結合粉煤灰產生、排放和自身特性，從周邊水體、大氣、土壤和人體健康危害4個方面進行論述，探討粉煤灰的具體危害，為后續粉煤灰處理和再利用提供一定的理論依據。粉煤灰規模大且含有多種有毒元素，因此在工業化發展的同時，應注重環境效益。目前粉煤灰利用前景廣闊，如用于建材、道路工程材料，作為改良劑改善土壤，作為吸附劑處理廢氣廢水等，應結合粉煤灰自身特性和危害程度，有效利用資源并探討循環利用新途徑，將會帶來巨大的環境效益，促進能源行業的發展。