生物质电厂灰渣理化特性及土地利用潜在生态环境风险评价

摘要 通过对某生物质电厂的底渣、混渣的采样分析，调查灰渣的无机元素、重金属、pH、电导率、浸出毒性等理化特性，在此基础上对灰渣土地利用潜在生态环境风险进行评价。结果表明：与底渣相比，混渣中S、Cl、Cd含量明显较高，这可能是混渣中混入的飞灰所导致的；重金属浸出毒性试验显示，底渣和混渣浸出液中的重金属含量均远低于GB 3838、GB/T 14848或GB 5749标准限值；潜在生态风险指数法评价结果显示，底渣潜在污染风险很低，而混渣中的Cd对生态环境的潜在污染风险相对较高；人群健康风险评价显示，底渣、混渣的非致癌风险很低，对于致癌风险，底渣和混渣通过呼吸途径方式为无致癌风险，通过皮肤接触的致癌风险为可接受，Ni、Cr是较大的贡献因子。

关键词 生物质电厂；灰渣；理化特性；土地利用；潜在生态环境风险

中图分类号 X 53  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2024）22-0054-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.22.010

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Physicochemical Properties of Biomass Power Plant Ash Residue and Potential Ecological Environmental Risks Evaluation of Land Use

LI Han-qing，WANG Jun，TANG Zheng et al

（Institute of Solid Waste and Soil Environment， Anhui Environmental Science Research Institute， Hefei，Anhui 230071）

Abstract By sampling and analyzing bottom ash （BA） and mixed ash （MA） of biomass power plant， the physicochemical properties of the ash， including inorganic elements， heavy metals， pH， conductivity and leaching toxicity， were investigated. The potential ecological environmental risk of ash land use were analyzed;results showed that compared with the BA， the contents of S， Cl and Cd in the MA were obviously higher， which may be caused by the fly ash mixed in the MA;the toxicity experiment of heavy metal leaching showed that the heavy metal content in the BA and MA leaching solution was far below the limit values of GB 3838， GB/T 14848 GB5749. The risk evaluation results showed that the potential pollution risk of BA was very low， while Cd in MA had relatively high risk of pollution to the environment.The results of USEPA model evaluation showed that the non-carcinogenic risk of heavy metals in BA and MA is low. The carcinogenic risk is in the acceptable range，among which Ni and Cr is the major contributing factor.

Key words Biomass power plant;Ash residue;Physicochemical properties;Land use;Potential ecological environmental risks

在“双碳目标”的政策背景下，生物质能的清洁高效利用已成为我国低碳能源发展的重要方向。根据国家能源局发布的统计数据，2023年上半年，全国生物质发电新增装机176万kW，累计装机达4 308万kW，同比增长9.2%，生物质发电量984亿kW·h，同比增长10.1%。随着越来越多的生物质电厂的建设运营，生物质电厂在通过燃烧生物质燃料获得大量能源的同时也产生了大量的灰渣。灰渣的大量堆积，不仅占据土地资源，还可能会造成严重的环境污染。如何实现生物质电厂灰渣的减量化、资源化和无害化，已成为生物质能低碳发展中亟待解决的重大问题。

生物质灰渣主要的资源化用途包括农林土地利用、建材利用、化工利用、环境利用等。将生物质电厂灰渣进行农林土地利用一般认为是最佳途径^［1］，国内外很多学者开展了这方面的研究，验证了土地利用的可行性^［2-6］。Smenderovac等^［2］研究认为生物质灰渣可用于森林生态系统，且施用量高达20 t/hm2。Zhao等^［3］证实了生物质灰和秸秆共同作用下可有效促进碳化硅和有机碳的固存，改善土壤微环境。Williams等^［4］验证了高碳木灰生物炭在低至中等剂量下用于金属矿山修复的潜力。Kumar等^［5］试验说明了生物质灰可促进豇豆生长，从而提高产量。邹吉远^［6］利用腐殖酸中和生物质灰强碱性来制备土壤改良剂，盆栽试验证明可提高白菜鲜重以及白菜中全氮、全磷、全硅、叶绿素a和叶绿素b的含量。易姝等^［7］通过加入不同比例的秸秆灰后测定土壤理化性质，试验说明秸秆灰可以提高土壤的饱和持水率、pH、速效钾、速效磷。郭炜等^［8］证实了不同浓度的2种生物质灰浸提液对黄瓜种子的萌发都具有一定的促进作用。刘艳艳等^［9］将模拟野火制备的生物质灰用于探究对污染土壤重金属迁移转化的影响，结果显示生物质灰可显著提高土壤pH、阳离子交换量、有机质含量，同时降低土壤中重金属有效态的比例和迁移能力。在研究生物质灰渣用于土地利用的同时，相关学者也强调需关注生物质灰渣施用可能带来的生态环境风险^［10-11］。

目前，生物质电厂灰渣用于农林土地利用缺少相应的行业标准或技术规范，仅北欧创新中心给出了欧盟国家相关有毒、有害元素控制值的相关指南^［12］。我国针对生物质灰渣土地利用的潜在生态环境风险评价可以参考的仅有《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）和中国环境保护产业协会发布的团体标准《固体废物资源化产物环境风险评价通用指南》（T/CAEPI 69—2023）。在实际生产中，我国生物质电厂燃料来源复杂，往往掺烧废弃木材、树皮等，加之工艺条件不同，导致灰渣理化特性差异很大，将生物质电厂灰渣应用于农林土地利用面临着诸多潜在生态环境风险。笔者以某生物质电厂灰渣为研究对象，对其无机元素、重金属、浸出毒性等理化特性进行分析，在此基础上，对灰渣土地利用的潜在生态环境风险进行探索性评价，以期为生物质电厂灰渣资源化利用和环境管理工作提供参考。

1 材料与方法

1.1 调查对象

生物质燃料经燃烧后，大部分物质以气体的形式释放到大气中，部分无机成分和矿物质则以固体颗粒的形式留存下来，形成灰渣。生物质灰渣按照收集方式可分为飞灰（FA）、底渣（BA）、混渣（MA），其中飞灰来自烟气除尘系统，底渣来自锅炉底部排渣口，混渣是飞灰和底渣在收集混合后暂存于灰库的固体废物。

通过资料收集及现场调研方式，调查某生物质电厂燃料来源，分别针对生物质电厂的底渣（BA）、混渣（MA）进行采样分析，调查灰渣的无机元素、重金属、pH、电导率、浸出毒性等理化特性。该电厂生物质燃料为秸秆、花生皮、废旧木材等，生物质灰渣是生物质燃料于850 ℃条件下在振动炉排直接高温高压锅炉中燃烧后的产物。

1.2 样品采集和分析方法

底渣采集于锅炉底部排渣口，混渣采集于电厂灰库。2种灰渣采集不同时段的各3份1 kg样品，混合均匀后用棕色玻璃瓶将样品封存备用。

灰渣样品首先采用微波消解法进行消解后，使用ICP-MS进行无机元素和重金属的测定。采用《固体废物 浸出毒性浸出方法 水平振荡法》（HJ 557—2010）进行灰渣前处理，主要是以纯水为浸提剂，模拟固体废物在特定场合中受到地表水或地下水的浸沥其中的有害组分浸出而进入环境的过程，得到的浸出液进行浸出毒性的测定。pH按照《土壤pH值的测定 电位法》（HJ 962—2018）进行测定，电导率按照《土壤 电导率的测定 电极法》（HJ 802—2016）进行测定。

1.3 潜在生态环境风险分析方法

生物质灰渣的潜在生态环境风险是指针对灰渣可持续利用的某些特性，它们可能会对使用载体或生态环境造成不利的影响。在土地利用过程中，生物质灰渣在大气降雨入渗的淋溶作用下，灰渣某些元素将被溶出并随雨水一起下渗迁移，对土壤和地下水环境构成威胁。生物质灰渣在储存、运输和土地利用过程中，通过口、鼻子、皮肤等与人体接触，对人体健康产生威胁。有些污染物被农作物吸收，随着食物链的富集和传播，进入人体，对人类健康造成危害。灰渣土地利用生态环境风险场景概化见图1。

影响灰渣潜在生态环境风险主要理化特性包括pH、电导率、重金属含量和浸出毒性等。该研究采用相关标准法评价pH、电导率、浸出毒性等。由于灰渣土地利用过程中生态环境风险主要为重金属，因此，该研究进一步采用潜在生态风险指数法和美国国家环境保护局（USEPA）的健康风险评估方法对灰渣重金属生态环境风险进行评价。

1.3.1 参考相关标准法。

pH和电导率主要参考北欧创新中心的技术指南^［12］。生物质电厂灰渣的pH和电导率共同表征灰渣的活性，pH直接影响土壤中的有效养分和重金属的形态，电导率则用来判定盐类离子是否限制作物的生长。较高的pH和电导率代表着灰渣活性较强，可能造成土壤pH上升，灰渣中的盐类溶解速率较快，短时间内可能对植物生长造成伤害^［13］。

生物质灰渣用于农林土地利用直接会对土壤造成影响，因此，灰渣中重金属参照《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）中6.5<pH≤7.5的风险筛选值和北欧创新中心的技术指南。

浸出毒性参考《固体废物资源化产物环境风险评价通用指南》（T/CAEPI 69—2023），固废进行土地利用时，需判断浸出液中有害物质浓度是否满足GB 3838、GB/T 14848或GB 5749标准限值，若满足，则认为该有害物质风险可接受。

1.3.2 潜在生态风险指数法。

潜在生态风险指数法^［14］是用于评价重金属潜在生态危害水平的常用方法，该方法综合考虑了污染物浓度、毒理学效应、生态效应等因素，能反映灰渣中重金属的稳定性及其对环境的潜在风险^［15］。计算公式如下：

RI=ni=1Eri=ni=1（Tri×Cfi）=ni=1（Tri×CiCni）（1）

式中：RI为综合潜在生态风险指数；Eri为单因子潜在生态风险指数；n为重金属数量；i为重金属种类；Tri为重金属i的毒性响应系数，Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg毒性响应系数分别为2、5、5、1、10、30、5、40^［16］；Ci为重金属i浸出浓度实测值；Cni为土壤背景值，安徽省土壤背景值来自陈兴仁等^［17］的研究结果。

根据Eri和RI，将单因子潜在生态风险指数和综合潜在生态风险指数进行分级，见表1。

1.3.3 美国国家环境保护局人群健康风险评估方法。