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微生物在粉煤灰堆放場生態(tài)治理中的作用

更新時間:2008-08-01 11:19 來源:《環(huán)境污染與防治》 作者: 畢銀麗 劉銀平 郭婧婷 閱讀:2337 網(wǎng)友評論0

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,,降低污染的一個重要途徑,對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實意義,。

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,,燃煤發(fā)電將在21世紀(jì)中占重要地位,,而且燃煤發(fā)電的絕對量可能還會增加,。它是環(huán)境污染的主要來源之一,目前對粉煤灰的綜合開發(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,實現(xiàn)廢棄物質(zhì)的資源化綜合利用,,對礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實意義,。

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%,,機械組成相當(dāng)于土壤的砂質(zhì)土?;瘜W(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)于一個天然的磷礦粉倉儲地。如何挖掘粉煤灰中的磷資源,,實現(xiàn)廢棄物的資源化利用是將來研究的重點,。

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,。盡管許多報道都論證了粉煤灰對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“以儲為主”改為“儲用結(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、大多對灰的質(zhì)量要求不高,、需求平穩(wěn)和潛力大等特點,,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、運土工作量大,,人力和物力浪費多,,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,,不需要動用土方,成本較低,但是單純在粉煤灰貯灰場上進行環(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,;極端強堿條件也會引起植物的養(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]。這些不利因素單獨或幾種同時出現(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、有機質(zhì)的分解聚合都離不開微生物的活動,。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)濟和社會效益,。

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酸性物質(zhì)[12]或者伴隨著呼吸或同化NH4+時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磷的微生物,平均每克土壤約有1 000萬個,,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,促進植物的生長,。在逆境條件下,,叢枝菌根能夠通過擴大根系吸收范圍、活化土壤養(yǎng)分等機制,,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)、促進根瘤菌的生長和根瘤活性,、提高植物對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)菌還能夠互相促進植物對氮磷的吸收[18],。利用廢棄物粉煤灰作為研究對象,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重要因子,。對于大多數(shù)重金屬,土壤pH越低,,其溶解度就越高,,生物有效性就越強[21]。解磷細(xì)菌和菌根聯(lián)合對粉煤灰中磷的溶解和吸收過程,,必然會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植物抗重金屬毒害的能力,申鴻等[22]在3個鋅水平下研究叢枝菌根真菌對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,菌根真菌對玉米仍有近50%的侵染率,,說明菌根真菌對重金屬鋅具有相當(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)到阻止過量金屬進入植物,,提高植物對過量金屬污染的抗性。所以,,解磷細(xì)菌和菌根聯(lián)合對粉煤灰進行利用,,具有很大的應(yīng)用潛力,。針對粉煤灰生態(tài)治理中存在著潛在污染的主要問題,研究微生物聯(lián)合作用對粉煤灰無污染生態(tài)治理,,將是微生物對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,它們間的相互促進作用已經(jīng)被報道[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,顯示出它們在礦區(qū)粉煤灰生態(tài)治理中極大的利用潛力和應(yīng)用前景,,尤其對氮和磷吸收中可以互相促進,,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)濟和社會效益,。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重要途徑,。基質(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)勢微生物,利用植物根際微生物本身的生命活動,,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,具有重大的理論價值和現(xiàn)實生態(tài)意義,。

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