生物质灰理化特性及其应用于土壤改良的研究进展

李丹琼，周 来，*，张谷春，朱雪强，章 梅，陈子铃

(1.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221006；2.江苏地质矿产设计研究院，江苏 徐州 221006)

0 引言

生物质灰(Biomass ash)是生物质原料经燃烧等处理后剩余的物质[1]。受多种燃烧工艺决定，目前国内对于生物质灰的制取还没有统一对应的标准[2-3]。当代资源匮乏，环境问题日益严重，生物质灰具有低廉绿色、二次污染小的特点，相比于其他材料更有利于实现废弃物资源化、无害化。目前，生物质灰在土壤中的应用主要可以作为土壤改良剂、肥料等。生物质种类广泛，不同生物质燃烧所得生物质灰的特性有所差别。因不同来源和特定燃烧工艺形成的生物质灰具有特殊的理化性质，并表现一定的修复功能性，故可以应用到土壤改良与修复中。本文在总结12种生物质灰的理化特性的基础上，对生物质灰在土壤改良与修复中的应用研究进行了述评，为拓展生物质灰在环境修复中应用提供基础信息。

1 常见生物质灰组成与理化特性

1.1 来源与组成

因生物质燃料种类繁多，其形成的生物质灰呈现特性多样。从表1可以看出，各种生物质灰主要由SiO2、CaO、K2O、P2O5、NaO2等氧化物组成，不同的生物质灰中各种氧化物的含量存在较大差别[4-6]。随着灰化温度的升高，灰分含量直线下降，特别是在较高温度下(例如1 000 ℃)，K2O、Na2O、Cl的相对含量也有所下降，这表明灰分的重量损失可能是因为氯化物形式的K和Na的挥发[7-8]。灰化温度为450～815 ℃时，MgO、CaO、Fe2O3、Al2O3和非金属元素S、P和Si的氧化物的含量由于灰分含量降低而呈现增加的趋势，表明由此类元素组成的化合物较稳定或不易挥发，即碱含量越高，灰分含量的变化越大。例如，由于非挥发性SiO2是主要的灰分含量，稻壳的灰分含量随温度的变化较小，而含K含量较高的玉米秸秆灰分从11.1%降至6.7%。

表1 常见生物质灰在不同灰化温度下的灰分化学组成[4-6] %

续表

1.2 生物质灰理化特性

1.2.1 生物质灰物理特性

不同的生物质灰微观形貌可以表现出块状(如酒糟灰)、沟壑状(如木屑灰)、团状(如谷壳灰)、条状(如稻秸灰)等不规则粒子的形状[9-10]。有学者通过对815 ℃和600 ℃的秸秆灰渣进行对比，发现815 ℃的稻草灰和树叶灰结合的更为紧密，同时815 ℃的木屑灰比600 ℃的木屑灰结晶颗粒大[11]，表明即使同一种生物质在不同温度下的生物质灰其结晶颗粒大小也会呈现差异性。灰粒形态粗细不一、疏密不均的多样性，反映出各无机元素在生物质中存在形式的不同与复杂性。

1.2.2 生物质灰化学特性

生物灰一般呈碱性，由于不同的生物质灰组成差异，其熔点也有较大差别[12-14]。如表2所示，由于不同种类生物质灰和同一类生物质灰在不同温度下化学组成差别较大，因此灰熔点变化范围也较大[4,11,15]。同时，生物质灰的软化温度都相当低，通常在1 000 ℃左右就开始融化，这主要是由于其中含有高浓度Si、K、Na可能会形成低熔点化合物，很容易在锅炉内沉积结渣，而在实际燃烧过程中，生物质的实际结渣程度远低于实际软化温度。有学者对四种常见的生物质灰进行了研究，发现在气化过程中甘蔗渣和松木屑的积灰、结渣倾向严重，花生壳次之，谷壳相对轻微[16]。生物质灰在升温过程中的质量变化规律表现出不同灰化温度下的生物质灰的烧结和结渣程度不同[17]。有学者研究五种生物质灰渣特性，结果表明甘蔗渣和高硅含量稻壳适合于陶瓷制品，甘蔗渣中的未燃碳具有被分离并用于活性炭或其他应用的潜力，腰果壳灰中钾、磷含量高，适宜土壤改良[18]。

表2 不同温度下生物质灰的灰熔点[4,11,15] ℃

2 生物质灰对土壤理化特性的改良机理

2.1 生物质灰对土壤物理性质改良

生物质灰对土壤物理性质改良的机理主要在于生物质灰质轻细小、疏松多孔的物理特性，施用后对土壤的团粒结构以及透气保湿性有一定的影响。研究表明，在土壤中添加生物质灰可能影响到土壤结构、土壤水分等物理性质，主要表现为：(1)生物质灰通常呈很细的粉末状，在施用后可能改变土壤毛管土壤空隙和非毛管空隙的比例，从而促进土壤团粒结构形成，协调土壤水分和空气，提高耕层土壤接纳和储存水分的能力[19-20]；(2)配施生物质灰能够增加大团聚体的数量，同时能增加了土壤SOM、AK和pH值的含量，明显提高土壤团聚体结构的稳定性，以抵抗强烈降雨和灌溉干扰的外部驱动力，防控土壤物理结构的退化[21，23]。生物质灰对不同土壤在物理性质方面的改良效果详见表3。

表3 不同生物质灰对不同土壤物理性质改良

2.2 生物质灰对土壤化学性质改良

生物质灰对土壤化学性质改良的机理主要在于生物质灰呈碱性的化学特性，施用于酸化严重的土壤中，可有效改善土壤的pH，提高土壤溶液离子含量，例如水稻灰呈强碱性，施入土壤后，提高了退化黄壤pH，改善了土壤酸化情况，而且随着水稻灰施用量的增加效果越明显[23-26]。同时，生物质灰中的一些无机物质颗粒遇水之后膨胀，可以某种程度上增加土壤的蓄水能力，且随着灰施用量增加，使土壤溶液导电性增加，进一步提高土壤溶液离子含量。一些学者也考虑了土壤单一施用生物质灰影响土壤原生化学性质与理化结构，考虑了与其他改性材料进行复配，混合施用实验。梁胜男[25]等通过施加不同比的灰渣量在土壤中，使其pH提高，并且随着灰渣的施加量越多，越可以有效增加土壤的pH值。Quirantes[26]等通过研究三种不同类型的生物质灰施加于微酸性土壤中，结果表明生物质灰的应用显著提高了土壤的酸碱度和土壤溶液离子含量。Shi[27]等研究表明施用生物质灰混合骨粉、碱渣比单独施用生物质灰、骨粉和碱渣能更好地改善土壤酸度，降低酸性土壤中的有毒铝，改善土壤P、Ca和Mg营养水平。生物质灰对不同土壤化学性质的改良效果详见表4。

表4 不同生物质灰对不同土壤化学性质改良

3 生物质灰土壤改良剂开发与应用

3.1 生物质灰土壤改良剂的优势比较

相比石灰、钙镁磷肥、泥碳、堆肥、粉煤灰、膨润土等改良材料，生物质灰具有特定的优势。在重金属污染的土壤中，石灰、钙镁磷肥等均可以抑制重金属毒性。然而，石灰、钙镁磷肥中存在一些潜在的其他金属离子(如Fe2+、Mn2+等)会对作物存在毒害风险[28-29]。泥碳、堆肥等具有有机肥的特性，初始施用阶段，可以增加对重金属的吸附和固定，降低其有效性，但有可能随着有机物质的矿化分解，导致被吸附的重金属离子重新释放，增加植物的吸收[30-31]。粉煤灰可以用作不同类型土壤的改良剂，起到土壤改良与修复的作用，但是粉煤灰施用量的控制问题及重金属对土壤的污染问题亟待解决[32]。膨润土作为土壤改良剂可以针对不同的土壤状况达到不同的改良效果，但是具体的改良机理还不是很完善[33]。生物质灰中含有的多种营养元素，可以作为土壤改良剂来改善土壤性质，从而提高作物产量。实践研究均表明生物质灰可以作为土壤改良剂来修复土壤[34-44]。综上，相比其他土壤改良剂，生物质灰低廉易得、二次污染小，因此生物质灰将作为土壤改良剂开发并广泛应用。

3.2 生物质在土壤改良与修复应用

不同类别的土壤施用生物质灰后均能达到土壤改良与修复的作用。在酸性土壤中，Arshad[45]等研究结果表明木屑灰可以改善酸性土壤的理化性质，增加作物产量。在污染严重的砂壤土中，Pukalchik[46]等研究了木材生物炭、木灰和腐殖物质单独或在混合物中对土壤进行改良，研究结果表明木灰和木灰+腐殖质可以降低土壤中移动镉和锌的浓度，修复重度污染的砂壤土。在北方土壤的应用中，宋乐[47]等通过对生物质电厂灰改性制成重金属钝化剂，不但对北方土壤中的Cd有明显的钝化效果，而且使农作物增产明显。在重金属污染土壤中，段丽娟[48]等研究两种修复剂的土壤修复效果，结果表明电厂生物质灰对重金属的固定作用要优于膨润土。

添加生物质灰可以促进植物的生长以及产量的增加。罗云霞[49]等的研究表明，生物质燃灰可以促进烟株的生长发育。李晶[50]等的盆栽试验表明生物质灰渣含有的养分可以替代部分化肥，并且与氮肥配施时有利于小白菜的生长，改善小白菜的品质。陈龙等[51]通过土培和盆栽试验，研究结果也表明了生物质灰渣在土壤改良方面有一定的成果，并且按照灰渣与化肥的合理配施，可以促进土壤-植物系统中营养元素的转化迁移，同时促进油菜苗期的生长。Peltoniemi[52]等将木灰作为肥料使用，施加于北方排泥泥炭地土壤中，从而促进植物的生长植物产量提高。以上研究均表明添加生物质灰可以促进植物的生长进而使产量增加。

4 结论与建议

生物质已经成为越来越受欢迎的一种能源，然而对生物灰的研究相对滞后。因此，对于生物质灰的研究需要得到更多的支持与关注。本文通过对生物质灰的来源及理化特性的分析，得出以下结论，希望可以为更多的研究者提供思路。

(1)生物质灰受生物质原料来源多样和燃烧熔点不同，所形成的生物质灰化学组成和结构呈现多样性。生物质灰组分差异较大，K、Na、Cl等元素的氧化物随温度增加易挥发，其他元素的氧化物含量比例相对增加。生物质灰在微观尺度观察发现其形态各异、粗细不一、疏密不均等。生物质灰总体表现非均质的特性。

(2)施加生物质灰可改善土壤物理结构、增强团聚体稳定性，可改善酸性土壤性质、提高溶液离子含量、钝化土壤重金属，且对植物生长有促进作用，目前已成为开发热点的土壤改良与修复剂。

(3)由于生物质灰的种类繁多，目前仍需加强土壤复合污染下单种或多种生物质灰联合作用的机理和效果，拓展其应用范围，同时应对生物质灰施加于土壤的长期效果及风险进一步研究评估，为其工业化生产及市场化应用提供理论依据。