复合改良剂对粉煤灰土壤的改良效应研究.pdf

复合改良剂对粉煤灰土壤的改良效应研究李昉泽1,黄占斌2,毋振庆3,门姝慧4,刘洪超5(1.矿冶科技集团有限公司,北京 100160;2.中国矿业大学(北京),北京 100083;3.柏美迪康环境科技(上海)股份有限公司,上海 200333;4.中国环境科学研究院,北京 100012;5.华北地质勘查局综合普查大队,河北 廊坊 065201)摘 要:针对粉煤灰土地利用中存在土壤结构差、水肥保持力弱和利用率低及重金属超标等问题,研究以腐植酸(HA)、高分子保水剂(SAP)、沸石粉(ZL)和黑矾(FE)为原材料的粉煤灰土壤改良材料,配施不同厚度的黄壤土;通过在河北涉县粉煤灰地土壤进行添加生黄土优化用量试验,研究改良材料施用后,粉煤灰土壤的物理、化学和微生物等指标的变化情况,探索粉煤灰土壤改良的机理。研究结果表明,粉煤灰地土壤添加生黄土改良后,玉米籽粒产量较无客土和改良剂的对照增加 94.54%。同时,可有效改良土壤物理结构,提高化学养分。最优组合为添加 20%生黄土和 13.5 t/hm2复合材料。对粉煤灰和客土应用及粉煤灰地改良有一定参考意义。关键词:粉煤灰;土壤改良;腐植酸;高分子保水剂;沸石粉;黑矾中图分类号:TQ536.4 文献标识码:A 文章编号:1005-8397(2023)07-0093-06Study on the improvement and application of composite materials to the fly ash with loessLI Fang-ze1,HUANG Zhan-bin2,WU Zhen-qing3,MEN Shu-hui4,LIU Hong-chao5(1.BGRIMM Technology Group,Beijing,100160,China;2.China University of Mining&Technology(Beijing),Beijing 100083,China;3.Eco-Development Research Center,BioMintec Environment(Shanghai)Co.Ltd.(BME),Shanghai 200333,China;4.Chinese ResearchAcademy of Environmental Sciences,Beijing 100012,China;5.HebeiHuanan Geological Exploration Co.,LTD,Langfang,Heibei 065201,China)Abstract:With the continuous mining and burning of coal,a large number offly ash was produced.In this study,humic acid(HA),super absorbent polymer(SAP),zeolite powder(ZL)and alum(FE)were used as fly ash soil improvement materials,and loess of different thickness was applied in the fly ash soil of Shexian county,Hebei Province.The soil physical and chemical indexes of fly ash soil were studied after application of improved materials,and the mechanism of fly ash soil improvement was explored.The results showed that the grain yield of corn increased by 94.54%compared with that of the control group without passenger soil and conditioner.At the same time,it can effectively improve soil physical structure and chemical nutrients.The optimal combination was 20%raw loess and 13.5 t/hm2 composite material.This study has reference significance for soil conversion and improvement of fly ash soil.Keywords:fly ash;soil improvement;humic acid;polymer water retaining agent;zeolite powder;black alum收稿日期:2023-05-04 DOI:10.16200/ki.11-2627/td.2023.07.022基金项目:矿冶科技集团有限公司青年科技创新基金(04-2204)作者简介:李昉泽(1990),男,甘肃兰州人,2021 年毕业于中国矿业大学(北京)环境工程专业,工学博士,矿冶科技集团有限公司工程师。引用格式:李昉泽,黄占斌,毋振庆,等.复合改良剂对粉煤灰土壤的改良效应研究 J.煤炭加工与综合利用,2023(7):93-98.自 1986 年以来,我国一直是世界最大的煤炭消费国。19782012 年,我国的煤炭总消费量从 5.66 亿 t 增加到 35.4 亿 t,年均增长率为5.38%1。在燃煤过程中,会产生 2 种污染物:固体污染物和气态污染物。固体污染物主要包括灰分和矿渣。粉煤灰即是通过在火力发电厂燃烧39煤炭加工与综合利用No.7,2023 COAL PROCESSING&COMPREHENSIVE UTILIZATION 煤炭的过程中从除尘器收集细灰获得的固体废物,属于灰分。随着煤炭的不断开采和燃烧,产生了大量的煤粉煤灰,自 2015 年以来,我国的粉煤灰产量已增至 5.8 亿 t2。结合粉煤灰的性能和质量,多领域已在回用大量的粉煤灰,使这种固废得以回收利用,例如,在煤层开采沉陷中代替黄沙回填,混合原料生产水泥以及从废水中去除染料作为吸收剂,由于其高有机质含量,可以用作土壤改良剂3-6。尽管粉煤灰可以改善土壤结构,提高土壤肥力,并在调节土壤环境中发挥重要作用,但是纯用粉煤灰会导致 2 个问题:纯粉煤灰地会恶化某些“土壤”容量和特性(例如土壤存储水能力和养分特性);粉煤灰地中含有一些重金属,在土壤中使用会导致地下水或土壤的污染。同时,在一些地区,例如,河北省邯郸市的涉县部分地区,粉煤灰被用于客土回填于当地耕作土壤表层。有 223 hm2的农田直接使用粉煤灰为作物土壤,并且已被种植用于农业生产 20 多年。实际上,粉煤灰土地的经济产量非常低,土壤养分、水分易流失。因此,针对粉煤灰土地利用中存在土壤结构差、水肥保持力弱和利用率低及重金属超标等问题,重点拟解决粉煤灰地拌生黄土改良措施中的生土熟化问题。研究采用客土技术改善粉煤灰土壤物理结构,同时通过添加不同用量的复合材料作为土壤改良剂,分析复合材料对粉煤灰地拌生黄土的改良效果,特别是对土壤理化性能和土壤微生物、作物生长和经济产量的影响。在河北省邯郸市涉县粉煤灰地开展了田间试验,为复合材料的实际推广应用提供参考,也为当地粉煤灰土地的开发和利用提供技术支撑。1 材料与方法1.1 试验地概况实验区位于河北省涉县清间河流域,庄上连泉村一带,距县城 10 km(北纬 362945363045,东经 1134240 1134350)。由于历史气候原因,导致 30 a 前当地农田水土流失,当地曾将周围发电厂的粉煤灰回填于耕地。前期调查显示,粉煤灰土层的范围为表层 040 cm。庄上联泉地区农作物直接种植在粉煤灰土地上,单产很低,作物的抗旱性性差,重金属中的 Pb含量高于当地土壤(如表 1,FS)。表 1 生土的理化性质样品pH碱解 N/(mgkg-1)速效 P/(mgkg-1)速效 K/(mgkg-1)TN/(gkg-1)TP/(gkg-1)TK/(gkg-1)OM/(gkg-1)Pb/(mgkg-1)Cd/(mgkg-1)Hg/(mgkg-1)CS7.8744.1332.1381.851.090.240.966.0426.500.160.003FS7.5660.5044.20220.01.360.791.6510.3446.400.130.030 注:CS 为客土,FS 为试验地土壤。1.2 试验材料G1 改良剂,主要成分为:腐植酸(HA,纯度大于 70%),高分子保水剂(SAP 由线性阴离子聚丙烯酰胺组成,纯度大于 99%),沸石粉(ZL,200 目,纯度大于 90%),黑矾(FE,主要成分为 FeSO47H2O,纯度大于 90%)。试验大田土壤基本农化性状见表 1,FS。总体 pH 微偏碱,速效养分(N、P、K)偏低。尽管有机质含量适中,但因为是粉煤灰质地,组成比较简单,主要矿物相为石英、相变矿物 Al2O3-SiO2二元体系莫来石。有机组分主要为未燃尽的炭粒,几乎没有腐殖质,所以对土壤团粒结构效应非常低。所用客土为当地黄壤生土,性质见表 1,CS。黄土颗粒之间结合不紧,孔隙度 40%50%。颗粒组成为:黏粒(小于 0.002 mm)、粉粒(0.0020.05 mm)和砂粒(大于 0.05 mm),各粒级组分为 24.63%、55.61%和 19.76%。1.3 试验设计试验共设计 9 种处理方案,其中包括 1 组对照(不添加土壤和改良剂)和 8 种覆有 10%40%生土(通过表层 020 cm 土壤容重换算为质量;生土为当地山体黄壤土,CS,理化特性如表 1 所示)和改良剂 G1 的土壤。分别在 020 cm 表层土壤中施以 4.5 t/hm2、9.0 t/hm2、13.5 t/hm2和 18.0 t/hm2 G1 改良剂,所有处理还添加了化学肥料 1.8 t/hm2(N:P205:K2O=18:9:9),具体试验设计见表 2。选取当地一块 31.5m22m的田地为实验地,并将其平均分成 9 个部分49 煤炭加工与综合利用2023 年第 7 期(3.5m2m,在每块土地之间留 50 cm 作为通道)。添加生土和土壤改良剂 G1 后种植玉米种子(苏丹 20 号,由河南省郡县农业科学研究所生产)。按照行距 40cm30cm(8 株/m2)种植玉米。收获后测定玉米质量及粉煤灰表层土壤理化性质变化情况。表 2 试验设计处理A0A1A2A3A4A5A6A7A8客土/%0010304020202020G1/(thm-2)013.513.513.513.513.54.59.018.01.4 测定指标与方法碱解 N 是通过碱解扩散法(UV-1100 分光光度计)测定。总 N 使用 SKD-1000 微型凯氏定氮仪测定。使用 NaHCO3萃取钼锑比色法测量速效P。使用玻璃电极法(NY/T 13772007)测定土壤 pH。用火焰光度计(BDN900 火焰光度计)分别测定速效 K 和总 K。用重铬酸钾氧化滴定法测定土壤有机质。土壤样品的团聚体分布通过湿筛法利用团聚体分析仪确定。用环刀法测定土壤容重。使用比重瓶法测得土壤比重。土壤孔隙度使用以下公式计算:孔隙度=(1-容重/比重)100。1.5 数据处理使用 SPSS 21.0 分析数据,使用 Origin Pro 2021 软件作图。2 结果与分析2.1 改良剂对粉煤灰土壤物理性质的影响土壤容重和孔隙度能反映土壤结构、透气性、透水性能。粉煤灰基质的土壤,由于密度太小、孔隙度太大,土壤形成跑水、跑肥和跑产量的“三跑田”。已有研究成果表明,粉煤灰表面有大量孔隙结构7,进而使粉煤灰土壤容重降低、孔隙度增大。表 3 说明,施用占 10%40%(m/m)的黄土客土,粉煤灰质地土壤的容重有不同程度增加,孔隙度有明显的降低。土壤容重能反映土壤的通透性,一般农用地土壤容重范围为1.0 1.40 g/cm3,最适宜生长的容重则在 1.25 g/cm3左右8,9。相对于对照 A0 处理,加入各处理物后,容重增长幅度为 30.20%126.03%,效果最优为 A5,土壤容重 1.1619 g/cm3,与一般农用 地 容 重 较 为 接 近。孔 隙 度 降 低 幅 度 为11.19%35.26%,而在 2008 年出版的 百科知识数据辞典 中提出,最有利于植物生长的孔隙度范围为 52%56%。本研究 A4 A6 位于此范围中。表 3 改良剂对粉煤灰土壤容重和孔隙度的影响处理A0A1A2A3A4A5A6A7A8容重/(gcm-3)0.573 90.74 90.980 60.943 91.131 81.16 191.023 60.843 40.747 2孔隙度/%72.6564.5256.8762.255654.1655.7264.1363.68 直径大于 0.25 mm 的团聚体被定义为大团聚体,大团聚体对土壤保持水肥有直接作用。粉煤灰是在高温燃烧后剩余的残渣,是煤燃烧过程中再生矿物集合体。它由大小不等、形状不规则粒状体组成,0.011 mm 粒级约占 85%以上。如图 1 所示,粉煤灰土在加入改良剂和客土后,土壤 0.251 mm 的团聚体整体下降,大于 2 mm 团聚体增加比较明显,幅度为 1.215.57 倍,对大于 0.252 mm 的团聚体增加并不显著。2.2 改良剂对粉煤灰土壤化学性质的影响表 4 说明,加入土壤改良剂后,除 pH 变化不图 1 改良剂对粉煤灰土壤团聚体的影响592023 年第 7 期李昉泽,等:复合改良剂对粉煤灰土壤的改良效应研究明显外,各处理土壤其余化学性质差异明显,说明改良剂对土壤基本理化性质影响非常明显。尽管由于客土的加入,土壤整体总养分(总 N、P 和有机质)有所减少,但加入土壤改良剂后,碱解N、速效 P、速效 K 和总 K 等有效养分平均值分别增大 30.99%、49.91%、245.68%、81.64%。表 4 改良剂对粉煤灰土壤容重和孔隙度的影响处理pH碱解 N/(mgkg-1)速效 P/(mgkg-1)速效 K/(mgkg-1)总 N/(gkg-1)总 P/(gkg-1)总 K/(gkg-1)有机质/(gkg-1)A07.5688.039.981.02.051.040.9625.70A17.5485.655.8330.02.120.981.3318.21A27.50154.0186.0430.01.301.011.668.90A37.5077.844.9180.00.720.631.814.17A47.6927.622.6180.00.40.602.051.19A57.74292.013.4160.00.870.652.111.33A67.51115.055.2330.01.210.731.907.83A77.50104.073.2510.01.080.772.026.81A87.5266.227.4120.01.530.811.0718.022.3 复合材料对玉米生长的影响为了验证改良剂加入客土后的粉煤灰土壤效果,在玉米样品收获后,分别测定根干重、根含水率、株高、株干重、穗干重和百粒重,分别如图 2(a)和(b)所示。与对照组 A0 相比,处理 A1A8 根系干重显著降低 13.85%74.84%,A1A8 的根系含水量基本没有变化。说明加入改良剂可促进植物根系对土壤干物质的吸收,促进根系的生长。与 A0 相比,A3 和 A5 株高显著提高8.57%和 5.09%,其余处理株高提高并不显著。与对照 A0 相比,处理 A1A8 穗干重、株干重和百粒重显著提高 49.35%117.45%、31.19%107.33%和 49.35%117.45%。综上来看,加入改良剂和材料可以显著增加作物产量。图 2 改良剂对粉煤灰土壤中玉米生长的影响2.4 改良剂对粉煤灰土壤各性质指标的相关分析利用热图(Heatmap)可以清楚地统计出粉煤灰土壤改良后理化性质在土壤中彼此之间的相关性。如图 3(a)所示,玉米穗干重和株干重与容重、大于 1 mm 团聚体、全 K 正相关,与孔隙度、0.251 mm 团聚体、全 N、全 P、有机质则负相关,说明粉煤灰土壤中过高的有机质并不能促进植物生长。结合图中有机质与碱解 N 和速效K 呈负相关,推测这是因为粉煤灰中的有机碳为惰性有机碳,非腐植酸类有机碳,不能为植物吸收利用,反而影响了土壤的保水保肥10,11。将各处理进行主成分分析可以找到各性质之间的共线性,可以确定每一因素中各个性质的权重。如图 3(b)所示,所有性质代入分析后发现,69 煤炭加工与综合利用2023 年第 7 期第 1、2 个主成分方差解释率分别为 47.2%、21.1%,各结果都位于 95%置信区间内(红色圆圈),每个性质作用大小则由箭头长短表示。综合来看,容重、孔隙度、有机质、团聚体是对植物生长影响比较大的几个因素,而养分,特别是速效养分影响则相对较小。图 3 粉煤灰土壤改良后各性质之间的关系2.5 改良剂对粉煤灰土壤的改良效果分析在将改良后各性质分别代入主成分分析后,通过权重和特征值计算每一个处理的 PC1 和 PC2成分得分。结果如表 5 所示,未加入处理的对照组 A0 得分最低,最高得分为处理 A2,但 A2 只有根干重、穗干重和株干重增加量最高,百粒重增加量却低于得分第二的 A5,说明 A2 在加入10%客土和 13.5 t/hm2改良剂后,能够快速改良土壤养分,让根、植株和玉米穗生长发育迅速;A5 在加入 20%客土和 13.5 t/hm2改良剂后,穗干重和百粒重增加量最大,根干重和株干重增加量小于 A2,说明该处理可以更好的促进干物质量由根部吸收至植株,再由植株至玉米穗,最终进入玉米籽,使其百粒重增加效果最优,综上分792023 年第 7 期李昉泽,等:复合改良剂对粉煤灰土壤的改良效应研究析,最优处理为 A5 加入 20%客土和 13.5 t/hm2改良剂。表 5 各处理改良效果分析处理特征值PC1 得分PC2 得分总得分A08.97-5.838 20-2.135 99-7.974 19A14.01-2.961 840.323 05-2.638 79A22.12-0.324 594.197 763.873 17A31.711.712 560.060 191.772 75A40.872.895 10-0.390 032.505 07A50.623.744 09-2.804 220.939 87A60.490.754 191.268 122.022 31A70.211.215 79-0.084 201.131 59A88.41-1.197 10-0.434 68-1.631 783 结 语利用当下常见的几种环境材料为原料制备的粉煤灰土壤改良剂 G1,在不同 G1 添加量和客土施用量的条件下,考察 G1 改良剂对土壤的物理性质、化学性质的改良效果。与对照 A0 相比,结合效果分析,表明加入 20%客土和 13.5 t/hm2改良剂 G1 收获的玉米百粒重最大,效果最好。参考文献1 霍晓君.配施粉煤灰等三种废弃物改良包头砂化土壤生态特性研究 D.北京:中国地质大学(北京),2006.2 Bhatt Arpita,Priyadarshini Sharon,Acharath Mohanakrish-nan Aiswarya,et al.Physical,chemical,and geotechnical properties of coal fly ash:A global review J.Case Stud-ies in Construction Materials,2019,11:e263.3 Liu Weizhen,Guo Zhongping,Wang Chao,et al.Physico-mechanical and microstructure properties of cemented coal Gangue-Fly ash backfill:Effects of curing temperatureJ.Construction and Building Materials,2021,299.4 林家旭,刘 健,唐田甜,等.复合早强剂对大掺量粉煤灰水泥性能的影响 J.矿业研究与开发,2021,41(8):47-51.5 刘小真,杨子依.吹脱-粉煤灰吸附联合处理高氨氮废水 J.南昌大学学报(工科版),2022,44(1):65-72.6 Nadeesha L.Ukwattage,Yuncong Li,Yandong Gan,et al.Effect of Biochar and Coal Fly Ash Soil Amendments on the Leaching Loss of Phosphorus in Subtropical Sandy UltisolsJ.Water,Air,&Soil Pollution:An International Jour-nal of Environmental Pollution,2020,231(1).7 韩文军.石灰粉煤灰稳定黄土基层的力学性能试验研究D.兰州:兰州理工大学,2022.8 泮张彬,陈 剑,何玲玲,等.茭白秸秆堆肥与化肥减量配施对番茄生长、产量及土壤容重的影响 J.浙江农业科学,2023,64(2):359-362.9 姜硕琛,张海维,杨 迪,等.氮肥与有机肥配施对再生稻稻田土壤容重、pH 和碳氮代谢的影响 J/OL.中国生态农业学报(中英文),https:/ 孙艳杰,曹 琼,黄佳芳,等.河口沼泽湿地转化为养殖塘对湿地土壤有机碳不同组分含量的影响 J/OL.环境 科 学 学 报,https:/ 龙 华.施用有机肥,有效增加土壤有机质 J.中国农资,2017(32):20.(上接第 92 页)参考文献1 刘 瑞,徐强,郭松杰,等.PAC 调理剂对全自动板框压滤机污泥深度脱水的影响 J.净水技术,2021,40(9):158-162.2 王 怀.STC2000 超高压压滤机在煤泥水处理中的应用研究 J.能源与环保,2022,44(7):174-177.3 王 鑫.板框压滤机结构参数对过滤效果的影响 J.煤炭与化工,2022,45(2):100-105.4 兰庆行.板框压滤机在黑水处理系统中的应用 J.化学工程与装备,2022(8):322-323.5 李国瑞,杨瑞峰,成荣杰,等.浮精智能压滤系统研究与应用 J.自动化仪表,2022,43(8):127-136.6 柴寿聪.隔膜式板框压滤机对剩余污泥脱水处理 J.黑龙江造纸,2022(2):52-56.7 高 珊,朱晓辉,张一凡,等.基于板框压滤机的污泥深度脱水影响因素研究 J.广东化工,2022,49(21):171-173.8 马 涛,杨东红.亭南选煤厂新型煤泥超高压压滤机的应用 J.煤炭加工与综合利用,2022(8):35-38.89 煤炭加工与综合利用2023 年第 7 期