微生物在粉煤灰堆放場生態治理中的作用
摘要：粉煤灰是燃煤利用過程中形成的固體廢棄物，它既是環境污染的主要來源之一，又含有大量的植物必需營養元素——磷。應用解磷細菌、菌根真菌和根瘤菌等微生物技術，通過微生物的作用，挖掘粉煤灰中的營養潛力，構造一個適于植物生長的基質環境，有利于粉煤灰堆放場的生態修復，提高了土地生產力，實現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境，降低污染的一個重要途徑，對區域可持續發展具有深遠的現實意義。
關鍵詞：粉煤灰場 微生物 生態修復
粉煤灰是煤燃燒后產生的一種粉狀灰粒，是一種自然界所不存在的而由人工過程產生的粉狀礦物質資源。根據聯合國教科文組織的預測，燃煤發電將在21世紀中占重要地位，而且燃煤發電的絕對量可能還會增加。它是環境污染的主要來源之一，目前對粉煤灰的綜合開發與利用的研究就顯得相當重要。發達國家已將粉煤灰作為一種新的資源來利用，其利用率高達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，實現廢棄物質的資源化綜合利用，對礦區可持續發展具有深遠的現實意義。
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%，機械組成相當于土壤的砂質土。化學組成主要為SiO2（50%～60%，質量分數，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（超過我國西北地區一般荒漠化土壤的全磷），相當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%（質量分數）折合磷礦粉，相當于儲存了328萬t優質磷礦粉[3]。粉煤灰貯灰場相當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，占全國原煤產量的1/3，2000年電力系統火力發電廠粉煤灰排放量達1.6億t，成為世界上最大的排灰國，占地將達到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，并對環境造成嚴重污染，粉煤灰含碳量大，比重約為2.14 g/cm3，顆粒的細度極高，粒徑為0.5～300.0 m，極易產生飛灰天氣，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。粉煤灰大多呈堿性，飛灰沉降后造成土壤堿化，污染土壤，引起土地質量的下降，生態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]，制約了我國國民經濟的可持續發展。
1.3 粉煤灰的工業利用途徑
近幾年，我國粉煤灰的處置和利用從“以儲為主”改為“儲用結合，積極利用”，到現在的“以用為主”，到1995年利用率已達41.7%。粉煤灰在我國工業利用主要途徑為[8]：
（1） 建筑和筑路：粉煤灰代替粘土作水泥原料，粉煤灰水泥；粉煤灰燒結陶粒；粉煤灰燒結磚；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的回填，礦井的回填和處理地表塌陷。
（3） 提取有用物質：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；制農肥。
1.4 粉煤灰堆放場生態治理中存在的問題
目前，粉煤灰在工業上的利用較廣，但用量有限，而在農業方面的利用潛力較大。粉煤灰的農用具有投資少、用量大、大多對灰的質量要求不高、需求平穩和潛力大等特點，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75 t/hm2以上才具有顯著改土和增產效應[9]，且運輸灰工作量大。粉煤灰貯灰場上覆土造田，應用較多，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，生態恢復仍然很慢。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境修復的技術難度也較大。
粉煤灰壓占大量耕地，污染大氣、土壤和水體，惡化周圍環境，微生物種群受到影響；物理結構不良，持水保肥能力差；極端強堿條件也會引起植物的養分不足和酶的不穩定等；粉煤灰極端貧瘠，氮、磷、鉀及有機質含量極低，養分不平衡；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，導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治理應該綜合考慮。
2 微生物對粉煤灰堆放場生態治理研究
粉煤灰既是煤礦區環境污染的主要來源，又含有植物必需的營養元素磷。通過微生物的聯合作用，利用粉煤灰本身的理化特性來構造一個較適于植物生長的基質環境，既有利于粉煤灰堆放場的環境修復，節約土地，又實現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，許多地質大循環的過程中幾乎都有微生物的參與，巖石礦物的風化分解、土壤的形成、有機質的分解聚合都離不開微生物的活動。采用多種微生物來聯合修復，既降低環境治理的成本，又可以產生明顯的環境、經濟和社會效益。
2.1 解磷細菌
解磷菌是土壤中能將難溶性磷轉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菌。解磷細菌能夠通過分泌多種有機酸性物質[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，增加基質磷的生物有效性，有利于植被的生長和恢復。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，占土壤微生物總數的27%～82%[14]，解磷細菌能夠溶解基質環境中難溶性磷化合物，將磷釋放出來，對于北方石灰性土壤，解磷細菌的解磷作用較為明顯[15]。這為利用解磷細菌來挖掘粉煤灰中磷的有效性提供了技術可能。
2.2 菌根真菌
國內外許多研究表明，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、活化土壤養分等機制，顯著改善植物的營養狀況，尤其是在低磷狀況下，施用菌根能幫助植物吸收磷、改良土壤結構、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]。以粉煤灰為基質來培養菌根，菌根真菌孢子數量、菌絲長度以及侵染率均較高，植物生長很好，菌根效應明顯，而且對基質具有一定的改良培肥能力，粉煤灰也可作為菌根菌劑培養的基質[17]。許多研究表明，菌根與解磷細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，結合解磷細菌與菌根真菌，來挖掘粉煤灰的磷營養，為粉煤灰開辟一條高效的微生物綜合利用的新技術，利于植被的恢復，降低環境污染，促進環境的穩定與可持續發展。叢枝菌根和解磷細菌聯合應用將成為固廢粉煤灰綜合修復的又一新突破口。
粉煤灰除了含有有益的營養成分外，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含量較低。重金屬在土壤中的遷移、轉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有著密切關系[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]。解磷細菌和菌根聯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、種類和數量的變化，基質pH發生改變，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。結果表明，即使在土壤鋅施入量達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的抗性。黃藝等[23]研究結果表明，菌根能夠通過調節宿主根際中金屬形態來影響金屬有效性，從而達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，解磷細菌和菌根聯合對粉煤灰進行利用，具有很大的應用潛力。針對粉煤灰生態治理中存在著潛在污染的主要問題，研究微生物聯合作用對粉煤灰無污染生態治理，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合接種菌根與根瘤菌，顯示出它們在礦區粉煤灰生態治理中極大的利用潛力和應用前景，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合修復礦區環境，既降低環境治理的成本，又可以產生明顯的環境、經濟和社會效益。綜合應用解磷細菌、菌根真菌和根瘤菌等微生物技術，加速粉煤灰貯灰場的環境修復，是改善區域環境和降低污染的一個重要途徑。基質中的微生物種類和數量是基質性質的重要標志，所以能否成功借用現代農業技術中施用微生物肥料的方法，即通過人為接種優勢微生物，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，達到一種持續穩定的生態系統，實現資源的可持續發展是有效利用粉煤灰的核心所在。21世紀是生物學的世紀，發掘利用生物基因資源中適應、抵抗逆境的潛力，不僅可以達到維護和改善環境質量的目的，而且也為礦區環境修復提供一條有用的生物技術途徑，具有重大的理論價值和現實生態意義。
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