摘要：粉煤灰是燃煤利用過程中形成的固體廢棄物，它既是環(huán)境污染的主要來源之一，又含有大量的植物必需營養(yǎng)元素——磷。應(yīng)用解磷細(xì)菌、菌根真菌和根瘤菌等微生物技術(shù)，通過微生物的作用，挖掘粉煤灰中的營養(yǎng)潛力，構(gòu)造一個(gè)適于植物生長的基質(zhì)環(huán)境，有利于粉煤灰堆放場的生態(tài)修復(fù)，提高了土地生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)了廢棄物的資源化利用。微生物在粉煤灰中的利用將是改善環(huán)境，降低污染的一個(gè)重要途徑，對(duì)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：粉煤灰場  微生物  生態(tài)修復(fù)

粉煤灰是煤燃燒后產(chǎn)生的一種粉狀灰粒，是一種自然界所不存在的而由人工過程產(chǎn)生的粉狀礦物質(zhì)資源。根據(jù)聯(lián)合國教科文組織的預(yù)測(cè)，燃煤發(fā)電將在21世紀(jì)中占重要地位，而且燃煤發(fā)電的絕對(duì)量可能還會(huì)增加。它是環(huán)境污染的主要來源之一，目前對(duì)粉煤灰的綜合開發(fā)與利用的研究就顯得相當(dāng)重要。發(fā)達(dá)國家已將粉煤灰作為一種新的資源來利用，其利用率高達(dá)70%～80%，而我國目前的利用率僅為30%左右[1]。如何合理有效地利用粉煤灰，變廢為寶，實(shí)現(xiàn)廢棄物質(zhì)的資源化綜合利用，對(duì)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

1  粉煤灰堆放場特性

1.1  粉煤灰理化特性

粉煤灰的組成與性質(zhì)隨燃煤的組成、燃燒條件與處理方法等因素的不同而異。粉煤灰顆粒組成以微細(xì)的玻璃體狀顆粒為主，占60%~80%，30%左右為蜂窩狀顆粒。比重為2.0左右，容重小于1，孔隙率約15%，機(jī)械組成相當(dāng)于土壤的砂質(zhì)土。化學(xué)組成主要為SiO₂（50%～60%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）、Al₂O₃（20%～30%）、Fe₂O₃（10%）、CaO（2%～5%）、MgO（1%-2%）、Na₂O（0.2%～0.5%）、全鉀（1%～2%）、全磷（0.1%左右），速效磷10～200 mg/kg，速效鉀10～100 mg/kg，全氮含量低，50-500 mg/kg，pH在8～12[2]。粉煤灰中蘊(yùn)藏著豐富的磷資源，其中全磷平均為985 mg/kg（超過我國西北地區(qū)一般荒漠化土壤的全磷），相當(dāng)于全國目前以粉煤灰為載體儲(chǔ)存了98.5萬t的磷素資源，按30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）折合磷礦粉，相當(dāng)于儲(chǔ)存了328萬t優(yōu)質(zhì)磷礦粉[3]。粉煤灰貯灰場相當(dāng)于一個(gè)天然的磷礦粉倉儲(chǔ)地。如何挖掘粉煤灰中的磷資源，實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化利用是將來研究的重點(diǎn)。

1.2  粉煤灰堆放產(chǎn)生的危害

目前全國76%的電力是燃煤電廠，每年全國電廠年燃煤約4億t以上，占全國原煤產(chǎn)量的1/3，2000年電力系統(tǒng)火力發(fā)電廠粉煤灰排放量達(dá)1.6億t，成為世界上最大的排灰國，占地將達(dá)到3.3萬hm²以上，加上歷年庫存約11億t，每年還要遞增400～600萬t的排放量。如此大量的灰渣排放不僅占用大量的土地，并對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，粉煤灰含碳量大，比重約為2.14 g/cm³，顆粒的細(xì)度極高，粒徑為0.5～300.0 m，極易產(chǎn)生飛灰天氣，影響能見度和人類的呼吸。濕法排灰造成水濁度增加，形成的沉積物堵塞河床，惡化水質(zhì)。粉煤灰大多呈堿性，飛灰沉降后造成土壤堿化，污染土壤，引起土地質(zhì)量的下降，生態(tài)惡化并影響人體健康。盡管許多報(bào)道都論證了粉煤灰對(duì)土壤改良的污染性較小[4-6]，但粉煤灰中含有的較高重金屬如Cd、Pb，仍具有潛在的污染能力[7]，制約了我國國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

1.3  粉煤灰的工業(yè)利用途徑

近幾年，我國粉煤灰的處置和利用從“以儲(chǔ)為主”改為“儲(chǔ)用結(jié)合，積極利用”，到現(xiàn)在的“以用為主”，到1995年利用率已達(dá)41.7%。粉煤灰在我國工業(yè)利用主要途徑為[8]：

（1） 建筑和筑路：粉煤灰代替粘土作水泥原料，粉煤灰水泥；粉煤灰燒結(jié)陶粒；粉煤灰燒結(jié)磚；硅酸鹽密實(shí)砌塊；石棉粉煤灰板等；路基，瀝青路面添加劑。

（2） 填筑類：粉煤灰中加少量水泥或石灰作為一般性建筑物基礎(chǔ)的回填，礦井的回填和處理地表塌陷。

（3） 提取有用物質(zhì)：從粉煤灰中提取許多金屬和鹽類，主要是提取金屬鋁和鋁鹽。

（4） 廢水處理：粉煤灰具有多孔性和大比表面積，是很好的吸附材料，可以除去工業(yè)廢水中的重金屬離子。

（5） 改良土壤：覆土造田改良酸性、粘性土壤并增加土壤的蓄水性；制農(nóng)肥。

1.4  粉煤灰堆放場生態(tài)治理中存在的問題

目前，粉煤灰在工業(yè)上的利用較廣，但用量有限，而在農(nóng)業(yè)方面的利用潛力較大。粉煤灰的農(nóng)用具有投資少、用量大、大多對(duì)灰的質(zhì)量要求不高、需求平穩(wěn)和潛力大等特點(diǎn)，是適合我國國情的重要利用途徑。粉煤灰作為土壤改良劑，用量達(dá)75 t/hm2以上才具有顯著改土和增產(chǎn)效應(yīng)[9]，且運(yùn)輸灰工作量大。粉煤灰貯灰場上覆土造田，應(yīng)用較多，但是覆土、運(yùn)土工作量大，人力和物力浪費(fèi)多，且很多土壤貧瘠，生態(tài)恢復(fù)仍然很慢。純灰種植與覆土造田相比，不需要?jiǎng)佑猛练�，成本較低，但是單純?cè)诜勖夯屹A灰場上進(jìn)行環(huán)境修復(fù)的技術(shù)難度也較大。

粉煤灰壓占大量耕地，污染大氣、土壤和水體，惡化周圍環(huán)境，微生物種群受到影響；物理結(jié)構(gòu)不良，持水保肥能力差；極端強(qiáng)堿條件也會(huì)引起植物的養(yǎng)分不足和酶的不穩(wěn)定等；粉煤灰極端貧瘠，氮、磷、鉀及有機(jī)質(zhì)含量極低，養(yǎng)分不平衡；重金屬含量過高，影響植物各種代謝途徑，抑制植物對(duì)營養(yǎng)元素的吸收及根系的生長；干旱或鹽分過高引起的生理干旱[10]。這些不利因素單獨(dú)或幾種同時(shí)出現(xiàn)，導(dǎo)致粉煤灰堆放場廢棄地大多為不毛之地。因此，對(duì)煤系固體廢棄物的生態(tài)治理應(yīng)該綜合考慮。

2  微生物對(duì)粉煤灰堆放場生態(tài)治理研究

粉煤灰既是煤礦區(qū)環(huán)境污染的主要來源，又含有植物必需的營養(yǎng)元素磷。通過微生物的聯(lián)合作用，利用粉煤灰本身的理化特性來構(gòu)造一個(gè)較適于植物生長的基質(zhì)環(huán)境，既有利于粉煤灰堆放場的環(huán)境修復(fù)，節(jié)約土地，又實(shí)現(xiàn)了廢棄物的資源化利用。微生物是自然界較為活躍的一類有機(jī)體，許多地質(zhì)大循環(huán)的過程中幾乎都有微生物的參與，巖石礦物的風(fēng)化分解、土壤的形成、有機(jī)質(zhì)的分解聚合都離不開微生物的活動(dòng)。采用多種微生物來聯(lián)合修復(fù)，既降低環(huán)境治理的成本，又可以產(chǎn)生明顯的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

2.1  解磷細(xì)菌

解磷菌是土壤中能將難溶性磷轉(zhuǎn)化為植物能夠吸收利用的可溶性磷的一類特殊的微生物[11]。目前，對(duì)磷的溶解與吸收作用較大的微生物主要是菌根真菌和解磷細(xì)菌。解磷細(xì)菌能夠通過分泌多種有機(jī)酸性物質(zhì)[12]或者伴隨著呼吸或同化NH4+時(shí)H+的釋放[13]將難溶性磷釋放出來，增加基質(zhì)磷的生物有效性，有利于植被的生長和恢復(fù)。土壤中解磷微生物資源豐富，我國旱地土壤中解無機(jī)磷的微生物，平均每克土壤約有1 000萬個(gè)，占土壤微生物總數(shù)的27%～82%[14]，解磷細(xì)菌能夠溶解基質(zhì)環(huán)境中難溶性磷化合物，將磷釋放出來，對(duì)于北方石灰性土壤，解磷細(xì)菌的解磷作用較為明顯[15]。這為利用解磷細(xì)菌來挖掘粉煤灰中磷的有效性提供了技術(shù)可能。

2.2  菌根真菌

國內(nèi)外許多研究表明，菌根真菌能夠幫助植物吸收磷元素，促進(jìn)植物的生長。在逆境條件下，叢枝菌根能夠通過擴(kuò)大根系吸收范圍、活化土壤養(yǎng)分等機(jī)制，顯著改善植物的營養(yǎng)狀況，尤其是在低磷狀況下，施用菌根能幫助植物吸收磷、改良土壤結(jié)構(gòu)、提高植物的抗逆性（如抗寒、抗旱、耐鹽堿）、促進(jìn)根瘤菌的生長和根瘤活性、提高植物對(duì)土傳病害的免疫能力[16]。以粉煤灰為基質(zhì)來培養(yǎng)菌根，菌根真菌孢子數(shù)量、菌絲長度以及侵染率均較高，植物生長很好，菌根效應(yīng)明顯，而且對(duì)基質(zhì)具有一定的改良培肥能力，粉煤灰也可作為菌根菌劑培養(yǎng)的基質(zhì)[17]。許多研究表明，菌根與解磷細(xì)菌還能夠互相促進(jìn)植物對(duì)氮磷的吸收[18]。利用廢棄物粉煤灰作為研究對(duì)象，結(jié)合解磷細(xì)菌與菌根真菌，來挖掘粉煤灰的磷營養(yǎng)，為粉煤灰開辟一條高效的微生物綜合利用的新技術(shù)，利于植被的恢復(fù)，降低環(huán)境污染，促進(jìn)環(huán)境的穩(wěn)定與可持續(xù)發(fā)展。叢枝菌根和解磷細(xì)菌聯(lián)合應(yīng)用將成為固廢粉煤灰綜合修復(fù)的又一新突破口。

粉煤灰除了含有有益的營養(yǎng)成分外，還含有較高的重金屬元素，如Hg、As、Cr、Pb和Cd[19]，但是重金屬的有效態(tài)含量較低。重金屬在土壤中的遷移、轉(zhuǎn)化和生物有效性與植物根系的吸收、分泌作用及根表的理化性質(zhì)有著密切關(guān)系[20]。pH是影響重金屬生物有效性的一個(gè)重要因子。對(duì)于大多數(shù)重金屬，土壤pH越低，其溶解度就越高，生物有效性就越強(qiáng)[21]。解磷細(xì)菌和菌根聯(lián)合對(duì)粉煤灰中磷的溶解和吸收過程，必然會(huì)引起根際分泌物組分、種類和數(shù)量的變化，基質(zhì)pH發(fā)生改變，引起重金屬生物有效性的變化。許多研究表明叢枝菌根具有增強(qiáng)植物抗重金屬毒害的能力，申鴻等[22]在3個(gè)鋅水平下研究叢枝菌根真菌對(duì)玉米苗期生長的影響。結(jié)果表明，即使在土壤鋅施入量達(dá)600 mg/kg時(shí)，菌根真菌對(duì)玉米仍有近50%的侵染率，說明菌根真菌對(duì)重金屬鋅具有相當(dāng)?shù)目剐�。黃藝等[23]研究結(jié)果表明，菌根能夠通過調(diào)節(jié)宿主根際中金屬形態(tài)來影響金屬有效性，從而達(dá)到阻止過量金屬進(jìn)入植物，提高植物對(duì)過量金屬污染的抗性。所以，解磷細(xì)菌和菌根聯(lián)合對(duì)粉煤灰進(jìn)行利用，具有很大的應(yīng)用潛力。針對(duì)粉煤灰生態(tài)治理中存在著潛在污染的主要問題，研究微生物聯(lián)合作用對(duì)粉煤灰無污染生態(tài)治理，將是微生物對(duì)粉煤灰綜合利用的又一方面。

2.3  根瘤菌

不同種類的微生物如叢枝菌根真菌和根瘤菌，它們間的相互促進(jìn)作用已經(jīng)被報(bào)道[24]，近來的研究表明，在煤礦廢棄物煤矸石和粉煤灰中聯(lián)合接種菌根與根瘤菌，顯示出它們?cè)诘V區(qū)粉煤灰生態(tài)治理中極大的利用潛力和應(yīng)用前景，尤其對(duì)氮和磷吸收中可以互相促進(jìn)，先鋒豆科植被的選擇也是必不可少的[25]。

3  展  望

采用多種微生物來聯(lián)合修復(fù)礦區(qū)環(huán)境，既降低環(huán)境治理的成本，又可以產(chǎn)生明顯的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。綜合應(yīng)用解磷細(xì)菌、菌根真菌和根瘤菌等微生物技術(shù)，加速粉煤灰貯灰場的環(huán)境修復(fù)，是改善區(qū)域環(huán)境和降低污染的一個(gè)重要途徑�；|(zhì)中的微生物種類和數(shù)量是基質(zhì)性質(zhì)的重要標(biāo)志，所以能否成功借用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)中施用微生物肥料的方法，即通過人為接種優(yōu)勢(shì)微生物，利用植物根際微生物本身的生命活動(dòng)，來挖掘粉煤灰的潛在肥力，達(dá)到一種持續(xù)穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)發(fā)展是有效利用粉煤灰的核心所在。21世紀(jì)是生物學(xué)的世紀(jì)，發(fā)掘利用生物基因資源中適應(yīng)、抵抗逆境的潛力，不僅可以達(dá)到維護(hù)和改善環(huán)境質(zhì)量的目的，而且也為礦區(qū)環(huán)境修復(fù)提供一條有用的生物技術(shù)途徑，具有重大的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)生態(tài)意義。

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