芮玥纪 王兴明 陈继旺

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

据统计，煤炭作为中国主要的能源来源，消费量已经超过35亿t，占世界消费量的50.2%。燃煤发电是中国最主要的煤炭利用方式，每年燃煤电厂会产生大量的粉煤灰。粉煤灰是燃煤火力发电过程中各种有机和无机组分在1200～1700℃燃烧后产生的工业固体废弃物，现已成为我国最常见的人为固体废弃物之一。

粉煤灰问题的特点，规模大，成分毒。煤炭中的各种有害重金属和放射性物质，在燃烧后仍会以较高浓度留存在粉煤灰中，约20%的粉煤灰是空心微粒结构，在有风的情况下很容易扩散，形成二次扬尘空气污染。不管是干法处理还是湿法处理，除非有非常完善的封存处理，否则由粉煤灰导致的二次扬尘污染都很严重。同时粉煤灰堆放需占用大量土地，如果灰场防渗漏措施不当，粉煤灰中有毒微量元素在长期堆存过程中，也会逐渐渗透到水体中。目前针对粉煤灰的综合利用途径研究较多，但对其具体危害叙述较少，本文基于粉煤灰的矿物和化学组成，总结了粉煤灰堆放目前存在的环境问题，以期为后续粉煤灰处理及再利用提供一定的参考依据。

1 粉煤灰的组成和性质

1.1 矿物组成

粉煤灰密度约为1.9～2.9g·cm-3，粒径在5～20μm，比表面积约为0.2～0.4m2·g-1[1]，具有密度小，比表面积大，孔隙率高的特点，因此粉煤灰具有较强吸附特性。粉煤灰的矿物组成主要取决于原煤，矿物组成百分比随燃烧过程中温度和原煤中含铁矿物相的变化而发生变化[2]。由于在炉膛中先后经历高温熔融、冷却，粉煤灰主要是玻璃体结构，由矿物颗粒和非晶质球形颗粒组成。粉煤灰颜色与未燃尽的铁和碳含量不同而产生差异，大部分呈灰色。将不同地区电厂粉煤灰矿物组成进行对比，见表1，结果发现，粉煤灰矿物组成物质为莫来石、石英、磁铁矿等，其中莫来石为主要物质。

表1 不同地区电厂粉煤灰的矿物组成

1.2 化学组成

粉煤灰的化学成分受原煤的灰分影响。原煤的质量直接决定了粉煤灰的成分。粉煤灰中主要物质为SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO等金属氧化物，同时也含有Cr、Cd、V、Ni等元素。根据美国材料与试验协会(ASTM)的分类标准，将50%≤SiO2+Al2O3+Fe2O3≤70%定为C类粉煤灰；SiO2+Al2O3+Fe2O3>70%定为F类粉煤灰。其中，C类粉煤灰含钙量高，在湿润的环境中具有自硬性[2]。另外，根据粉煤灰中CaO的含量，可以将粉煤灰划分为高钙(含量>10%)和低钙(含量<10%)2种类型。而F类粉煤灰被认为是一种火山灰材料，在常温下可与氢氧化钙发生反应，形成硅铝酸盐等凝胶性的水硬产物。

将不同地区电厂粉煤灰化学组成对比，见表2，结果发现，4个电厂粉煤灰样品均属于F类低钙粉煤灰。硅铝酸盐主要由SiO2和Al2O3构成，含量越高，粉煤灰的活性就越高，因此，Al2O3、SiO2的含量直接影响粉煤灰的二次利用效率[7]，同时粉煤灰中的硅铝比(Al2O3/SiO2)对于粉煤灰合成分子筛的利用效率有着重要影响[8]。

表2 不同地区电厂粉煤灰的化学组成

2 粉煤灰堆放目前存在的环境问题

粉煤灰主要包含硅、铁、铝、钙、镁和其他氧化物。由粉煤灰形成过程可知，煤炭中的有害重金属和放射性元素在炉灶中高温燃烧冷却后，仍能以较高浓度存在于粉煤灰中。随着粉煤灰的堆存，周边环境不可避免会受到粉煤灰中有害元素影响，进而影响人体健康。其危害具体体现在以下4个方面。

2.1 污染水源

被除尘器捕获的粉煤灰，若使用湿法排出，粉煤灰中的有害成分就溶于冲灰水中，导致水体被污染。如果灰场防渗措施不当，灰中有害元素将通过雨水淋滤作用渗入地下水中，从而污染水体。粉煤灰对水环境的污染主要有2种方式：粉煤灰中有毒元素直接溶于水体，大部分粉煤灰在经过电厂湿法处理后被排放，但部分粉煤灰在堆放过程中可能会随风散落至附近的河流和湖泊，直接溶于地表水中，造成As、Hg、V等元素直接污染水体[1]，同时由于粉煤灰颗粒较细，比表面积大，进入水体后形成沉淀，使水体淤积，减少氧气含量，影响水生生物生存；降水、雨水淋滤作用，粉煤灰中有害元素会在大气降水和雨水淋滤作用下，溶解度升高，迁移能力增强，在此过程中淋溶液中有毒重金属(如Cr、Cd、As、Hg等)会随渗滤液进入水体，如果灰场的防渗措施不当，灰中有害元素会通过包气带向下渗入灰场周边浅层地下水中，造成水质恶化，进而破坏水生生态系统稳定，同时由于灰场长期储存粉煤灰，土壤的环境容量会不断减小，进而加重地下水污染，且地下水流动性较差，堆放粉煤灰时间越长，对地下水环境影响越大[10]。

S K Choi等[11]研究韩国某湿法储灰场的灰浆污泥、周边地下水、地表水中As、Cd、Cr、Cu等含量发现，粉煤灰的堆放会对周边环境造成潜在污染，尤其是Cd、Pb、Cu和Zn元素；Saha D等[12]对某燃煤发电厂燃煤过程中粉煤灰中Cd、Cr、Co、Pb等元素进行分析发现，在周边地表水、地下水中发现了相同元素的浓度，说明粉煤灰中元素进入了周边水体；王义生等[13]对济宁市某电厂湿式灰场周边地下水中As、Hg、Cl等元素进行研究发现，粉煤灰通过雨水淋滤作用对地下水水位及水质产生了显著影响，适当的水平或垂直防渗措施能够降低该影响；郭慧霞[14]对电厂粉煤灰中铬的迁移转化规律研究发现，在淋溶初期，Cr6+会被包气带土层吸附，当吸附达到饱和状态后会继续向下渗透至地下水层，影响地下水水质。

2.2 污染大气

粉煤灰中富集了大量砷、铅、镉等危害人体健康的重金属元素。马彤彤[15]对电厂燃煤过程中Se元素迁移转化路径进行研究，发现绝大部分电厂的Se富集会被除尘器捕集，但仍有部分电厂的Se逃逸进入大气中，对大气造成污染。大多数灰场的防扬散措施远不足以达到有效防治粉煤灰污染大气环境的目的。

粉煤灰密度较小，粒径一般在微米级，质量较轻，由于这种特性，很容易被风力带起并漂浮在空中。当风力强度>4级时，粉煤灰的沉降范围可达10万～15万km2，这将直接导致空气质量变差，能见度降低，引发重度空气污染[1]。此外，较细颗粒的粉煤灰在大气环境中可以漂浮7～10d，并通过空气气流进行远距离输送，从而导致区域性空气污染。以中国的沙尘暴为例，其主要经过北方的产煤区和火电厂。强风将大量未经扩散处理的粉煤灰带到华北、华东地区，这些固体污染物含有大量As、Cr、Cd、Pb等重金属元素，改变了沙尘暴的物理化学组成，使之成为了危害更大的“煤尘暴”，对沿途的工农业生产和人居环境造成不同程度的影响。

2.3 污染土壤

我国电力行业的快速发展导致燃煤电厂大量征地堆存粉煤灰的问题日益显现。根据研究数据，我国每年需要约27000hm2的土地用于堆存这种固体废弃物[16]。这种土地无法用于农业生产，失去了农业价值和经济用途。此外，由于粉煤灰含有高盐高碱成分，一旦扩散、渗透到土壤中，会导致土地盐碱化，影响农业生态环境。同时，随着粉煤灰堆放时间越久，其中的有害元素会通过雨水冲淋渗入地下，破坏土壤的成分和结构[1]，进而影响植物的生长发育，并导致有害元素在植物体内积累。

Singh P K等[17]对印度贾坎德邦博卡罗热电站附近农业区和居民区土壤潜在有毒重金属浓度及相关生态风险进行分析发现，土壤中Cd、Hg含量较高，Pb和Cr目标致癌风险较高，有极大的健康风险；华明等[18]对贞观山煤灰库附近农田土壤、土壤剖面等Se含量特征及污染现状进行研究发现，粉煤灰堆放使Se对农田土壤产生了不同程度的污染，且离煤灰库越近，Se污染越严重；姚盛翔等[19]对某废弃灰场地表土壤中重金属样品进行测定分析发现，灰场土壤中As为轻污染水平，Cr为中污染水平，Cu、Cd、Ni为重污染水平，灰场整体达重污染程度；刘柱光等[20]对吉林省某燃煤电厂周边土壤样品进行研究发现，土壤中Cr、Ni、Cu、Pb平均含量远高于土壤背景值，Cd在土壤中有富集，灰水渗漏是土壤受污染的主要原因。

2.4 危害人体健康

大量堆置的粉煤灰在长时间的雨水淋溶、风化侵蚀的作用下，其中的微量元素会发生迁移，在周围的水体、土壤、沉积物中累积起来，一旦超过了污染的临界值，便会间接对人体健康产生影响。粉煤灰颗粒较小，容易悬浮在空气中，长时间吸入后，大于2μm颗粒堆积在鼻咽区，小于2μm颗粒堆积在支气管和肺泡区，最终导致心血管疾病、脑血管疾病，甚至肺癌[21，22]。粉煤灰中的有害物质渗入饮用水中，会导致井水出现悬浮物增多、氟化、碱化等问题[10]。粉煤灰中的有害物质在土壤中累积，并进入植物体内。除了有害金属，粉煤灰中发现的放射性元素也被视为与燃煤电站运营相关的潜在生态风险[23]。粉煤灰中的一些有毒有害物质还具有辐射性，在没有得到妥善处理的情况下，会通过土壤、水、大气等介质进入生物链，长期饮用和摄取受污染的食物后，人体会直接或间接摄入这些成分，对生命系统造成重大伤害，包括致癌、神经毒性、致突变以及致畸后果[24，25]。

3 结语

目前，关于粉煤灰综合利用途径研究较多，但针对粉煤灰的环境危害研究较少。本文先从粉煤灰的矿物组成和化学组成2方面对其性质进行简述，结合粉煤灰产生、排放和自身特性，从周边水体、大气、土壤和人体健康危害4个方面进行论述，探讨粉煤灰的具体危害，为后续粉煤灰处理和再利用提供一定的理论依据。粉煤灰规模大且含有多种有毒元素，因此在工业化发展的同时，应注重环境效益。目前粉煤灰利用前景广阔，如用于建材、道路工程材料，作为改良剂改善土壤，作为吸附剂处理废气废水等，应结合粉煤灰自身特性和危害程度，有效利用资源并探讨循环利用新途径，将会带来巨大的环境效益，促进能源行业的发展。