气化渣在土壤改良中的应用研究进展

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

由于我国石油和天然气含量较低，因此煤炭在我国能源结构中占主导地位[]。煤气化是将原煤转化为合成气产品的有效方法，主要用于燃料和化工产业。然而，煤气化过程中会产生大量的炉渣，被称为“气化渣”。气化渣是煤气化的主要副产品，根据排放方式和粒度的差异，气化渣可分为粗渣和细渣。据统计，我国每年产生3500万 气化渣，这将对周边生态环境产生重大影响[2]。气化渣主要由 、 和残炭组成，且细渣含碳量高于粗渣。气化渣主要矿相为非晶态铝硅酸盐，夹杂着石英、方解石等晶相，富含硅、铝、碳资源的化学组成特点和特殊的矿相构成是气化渣资源化利用的前提[3]。目前气化渣资源化利用途径分为直接利用（用于掺烧和建筑材料）和高值利用（制作硅基材料、碳基材料、沸石等材料）[4]。然而，气化渣的资源化综合利用率仅 31.6% ，且存在利用率低、成本高、规模化效应差的不足。因此，目前堆存和填埋仍是气化渣的主要处置方式。

利用气化渣进行土壤改良是近年来研究者比较关注的气化渣资源化利用的重要途径之一[5]。利用气化渣的化学元素组成、表面化学性质和孔隙结构特征对气化渣进行改性，可实现将气化渣用作土壤改良的自的，如可用于土壤有机肥、硅肥、腐殖酸缓释剂、堆肥添加剂和改良剂等[4]王儒洋等[将气化渣加入擢荒的贫瘠土壤中，发现土壤中部分重金属元素含量略微超过背景值，但总体符合国家农用地土壤质量标准。研究表明，气化渣应用于土地复垦项目时，不存在环境风险[7]。将气化渣应用于土壤改良既可实现气化渣的资源化利用的目的，又可实现对贫瘠土壤进行改良的目的。然而，气化渣对土壤性质的影响尚未得到广泛研究。因此，笔者综述前人研究，分析探讨气化渣在土壤改良方面的应用潜力，指出气化渣在土壤改良中的研究方向和存在的问题，为促进气化渣的资源化利用提供理论基础。

1气化渣可作为硅肥应用于土壤

硅是一种对植物生长有益的营养元素，高浓度硅可以增强植物光合作用、促进根系的生长和增强抗倒伏性[8]。另外，硅对于土壤有机碳的稳定性具有一定调控作用[9，可间接促进土壤有机碳的循环过程。虽然土壤中可溶性硅浓度与土壤中的总硅含量没有显著正相关关系，但当前在土壤中施用硅肥是补充其可溶性硅含量的有效方法[10]。煤气化细渣中的无机组分具有非晶态的微珠结构，微珠中无定形硅的可溶活性较高，可被溶解形成能被植物吸收利用的可溶性硅酸，这些特性是气化渣可作为硅肥的基础[3.8]。Zhu等[10]利用化学试验和植物吸收证明了煤气化细渣作为硅肥的可行性和稳定性，发现相比于粉煤灰、硅藻土、水淬钢渣、钢渣和金尾矿等其他硅源材料，煤气化细渣的可萃取硅含量高于其他硅源样品。苏以荣等[1]研究发现，在水稻土中施用4种炉渣硅肥均对水稻有明显的增产效果，且土壤有效硅和稻草中硅的含量明显提高，说明气化渣在制作硅肥方面的潜力巨大。

2气化渣可作为堆肥添加剂应用于土壤

堆肥是自前将粪便或农业废弃物在微生物的作用下转变为稳定腐殖质并消除有害虫卵和病毒的有效方法。研究者为促进堆肥进程和有机质的降解，为细菌提供有利条件，在堆肥时会加人各种堆肥添加剂[12-13]。而气化渣因具有与生物炭相似的孔隙率高、比表面积大等特点也被认为是一种有效的堆肥添加剂[4]。但因气化渣是一种副产品且价格低廉，受到广泛关注[15]

气化渣在猪粪堆肥过程中应用比较普遍且具有很好的效果，Lu等[通过向猪粪堆肥过程中添加气化渣降低了抗生素抗性基因丰度并促进了细菌群落的演替，且 10% 的气化渣添加具有很高的成本效益；Liu等[14]研究了猪粪堆肥过程中气化细渣对细菌群落的影响，发现 6% 的气化细渣添加比例可以更好地促进细菌生长，尤其是厚壁菌门（Firmicutes）具有最高丰度的细菌；Liu等[15]还研究了猪粪堆肥过程中气化细渣对真菌群落的影响，发现 10% 的气化渣添加比例增强了真菌多样性，子囊菌门（Ascomycota）是主要的真菌门。而Wang等[17]在鸡粪和小叶苣苔秆混合堆肥过程中添加气化细渣，加速了堆肥进程，并降低了氨排放和碳氮磷损失。郭志国等[18]发明了一种含有气化渣和污泥的复合微生物肥，可同时实现污泥和气化渣资源化利用。气化细渣在堆肥中的应用是由于其大孔隙率和表面积，能够与堆肥原料中的养分相互作用，为微生物提供良好的生长条件。以上研究表明，使用气化渣作为堆肥添加剂可以产生很好的效果和一定经济效益。

3气化渣可作为腐殖酸缓释剂应用于土壤

腐殖酸是土壤有机质的主要成分，是具有许多弱酸性官能团（例如羧基、酚基和醌基）的复杂混合物，对于王壤微生物和作物生长具有重要作用[8]。但沙质土、阳离子交换能力低、碳含量低等贫瘠土壤腐殖酸含量较低，且很难储存和利用。因此，向这些土壤中添加一些腐殖酸缓释剂可以增加腐殖酸含量和被利用率。朱丹丹8在不同吸附条件下对气化渣对腐殖酸的吸附-缓释及再吸附能力进行了探讨，气化渣与腐殖酸之间的静电吸附和分子间氢键、高比表面积都为腐殖酸的吸附提供了大量的位点[，证明了气化渣用作土壤腐殖酸缓释剂的可行性。田原宇等[20]发明了气化炉渣腐殖酸改性生产土壤调理剂，并将其应用于土壤改良领域，可以大幅度提高腐殖酸的有效利用率，改善土壤环境。将气化渣作为腐殖酸缓释剂应用于土壤的研究为气化渣的资源化利用提出了新思路。

4气化渣可作为改良剂应用于土壤

气化渣，尤其是细渣具有许多对土壤改良有益的物理和化学性质，例如比表面积大、多孔结构、颗粒粒径大、持水性能好、碳硅等营养元素含量高。Liu等[1，3]研究发现，气化渣具有有机和无机成分的性质，这些性质使得气化渣成为研究者眼中的一种很好的土壤改良剂[21]

4.1重金属污染土壤改良气化渣不仅能增加土壤中的养分，而且具有较强的吸附能力，并可增强植物对重金属耐性[22]。因此，将气化渣改性或直接加入重金属污染土壤可对其进行修复，降低重金属含量和生物有效性。相玉琳等[23]将气化渣浸入提取于黑沙蒿根系的可溶性有机质溶液中，结果表明改性气化渣可以降低Pb，Ni和Co的生物有效性，并促进黑沙蒿生长。Zhou等[24]采用碱熔和铁浸渍法合成了一系列不同pH的铁改性煤气化渣复合材料，改性过程成功负载了氧化铁并活化了羧基。这种改性气化渣对Cd和As具有很好的吸附能力，并降低了重金属在土壤中的生物有效性。

而直接将气化渣加入污染土壤，则是利用了其自身的物理化学性质。例如，付咪等[25研究了气化渣与沙土复配土壤中重金属的淋溶特征，结果发现气化渣复配沙土可以减缓重金属迁移，有利于重金属的固化稳定。霍文博22发现，煤气化渣：土质量比为1：4时，气化渣可以显著增加土壤对重金属的吸附，并提高了黑麦草对重金属的吸收与转运效率，降低了污染土壤重金属水平。虽然气化渣在土壤改良展现出巨大潜力，但其作为工业副产品仍存在重金属风险。相微微等[26]评价了榆林煤气化渣重金属生物有效性，结果发现在土壤中大量添加煤气化渣会造成多种重金属在植物地上部分积累，因此建议煤气化渣直接用于土壤修复时要慎重或进行预处理。

4.2沙土改良沙土地因保肥保水性较差，土壤贫瘠，作物无法正常生长。而气化渣因其粒径较大和多孔结构的特点，可有效改善土壤物理结构，提高土壤保水保肥性[5]，因此有大量学者利用气化渣进行了沙土改良。气化渣用于沙土改良的研究案例见表1，大量研究表明气化渣对沙土的改良效果源于其特殊物理和化学性质，如表面积大、多孔结构、碳含量高和强保水能力。综上所述，气化渣对沙地王壤具有明显的改良作用，并且能促进植物的生长。

4.3改善土壤质量气化渣在其他场地土壤修复方面也有一定潜力，如矿区土壤和酸土修复方面。气化渣因其含有较为丰富的钙镁等元素，可明显增加土壤有机质、磷、氮含量，有效提高土壤的保肥能力。据此，国内学者申请了多种利用气化渣制备土壤改良剂的发明专利。魏召召[31]发明一种掺有煤气化渣的有机肥，以煤气化渣为主，掺以秸秆、发酵剂、氮磷钾混合物等制备而成，试验结果显示其可增加土壤透气性和热量，提高有机质和氮磷钾等元素含量，提高作物的产量和品质。郭志国等[32]发明了一种利用气化炉渣生产的盐碱土壤种植改良基质，利用其作为微生物的良好载体和土壤疏松改良剂，来改善盐碱土壤理化性质、降低pH及盐含量。毕建杰等[33]发明了一种以煤气化渣为原料的酸土改良剂，并通过试验发现该改良剂可以将酸土的pH提高1.7个单位，将酸土改良到中性或弱碱性的状态。这些专利的申请表明，利用气化渣制备土壤改良剂具有很好的改良效果和经济价值。

此外，也有大量研究将气化渣应用于实际污染场地中，Xiang等[34]制备了氨基酸改性磁性煤气化渣，并将其加入被侵蚀的矿井土壤以改善土壤质量。结果发现，改性气化渣可以减少重金属侵蚀、改善土壤团聚体结构和植物生长以及增强微生物酶活性。Zhang等[35通过向露天矿土壤添加气化渣进行改良发现，土壤保水性能随添加比例的增加而提高，且碳氮磷等养分含量有所增加。涂冬冬等[3利用灰渣对红壤样品进行改良试验发现，灰渣对土壤酸度的改良效果较好，原因是其使用的生物质灰渣呈碱性，且提高了土壤的保水性。这种方法简便易行、成本较低、实用性强，值得推广。