利用燃煤脱硫废弃物改良盐碱地

利用燃煤脱硫废弃物改良盐碱地——一个发展循环经济的探索和实践

宁夏大学　许　兴

宁夏地处西北内陆，自然资源相对贫乏，生态环境脆弱。近几年，宁夏抓住机遇，充分发挥能源优势，坚持以经济建设为中心，大力推进经济结构的战略性调整，工业经济的运行质量和效益显著提高，经济发展呈现出了跳跃式的特点：GDP年均增长9.5%，已连续多年高于全国增长水平。但另一方面，由于城市化和工业经济快速发展，加上人口增长及历史原因，使宁夏原本就比较脆弱的生态环境压力进一步加大。此外，宁夏的工业经济发展水平总体上仍然较低，以资源初加工为主的企业较多，缺乏高附加值的产品；高投入、低产出、高排放的粗放式生产加工模式仍未真正得以改变、资源约束性矛盾依然比较突出，环境污染和生态破坏还没有得到有效遏制。特别是我区发挥能源优势，把宁东能源化工产业作为工业发展的重中之中。由于能源化工产业是一个多联产业，会产生许多工业废弃物。因此，如何既能发挥优势，又不破坏环境，实现可持续发展，避免受经济发展末端治理模式的左右和影响，跳出“边污染、边治理”的工业发展模式走新型工业化道路，是宁夏经济社会发展中迫切需要解决好的重大战略问题。发展循环经济，建立资源节约型和环境友好型社会，是转变经济增长方式，走新型工业化道路，从根本上缓解资源约束矛盾，减轻环境压力，保持我区社会经济健康持续发展，实现全面建设小康社会目标的必然选择。近年来，宁夏大学与清华大学、自治区农垦局合作承担了国家“973”和农业综合开发项目《利用电厂燃煤脱硫废弃物改良盐碱地》，使工业脱硫与盐碱地改良有机结合，取得了良好效果，是一个工农业结合发展循环经济的典型例子，展现了广阔的应用前景。

1.国内外利用燃煤脱硫废弃物改良盐碱地研究进展

目前，世界上对煤的利用主要是直接燃烧，煤燃烧后产生的烟气含有SO₂，CO₂、NO_X等有害气体，对环境造成了极大的危害，比如酸雨、温室效应。为改变这一现状，保护环境，70年代，美国等发达国家首先在热电厂安装了不同类型的脱硫装置，燃煤烟气脱硫废弃物是热电厂采用湿式石灰石（石灰）——石膏法烟气脱硫时产生的副产物。为保护生态环境，严格控制SO₂排放，我国“十一五”规定新上电厂必须安装脱硫装置。脱硫废弃物为微黄色粉末状固体，颗粒直径小于60μm，含有10%～15%的水分，其主要成分为二水硫酸钙，和少量亚硫酸钙、粉煤灰等。二水硫酸钙和少量亚硫酸钙由烟气中的SO₂与脱硫剂CaO发生反应经强制氧化生成的。

国际上应用石膏改良苏打盐化与碱化土壤已有100多年的历史。但在国内外的文献中，关于应用烟气脱硫废弃物改良土壤的研究则报道不多。在国外，利用燃煤烟气脱硫废弃物改良土壤的研究始于20世纪90年代，大多集中在美国，而且研究对象主要是酸性土壤。Clark R.B等在1992年最早研究了烟气脱硫废弃物对美国酸性土壤上种植的饲料作物或玉米的影响，研究表明脱硫废弃物能够增加饲料作物的产量。随后的研究进一步分析了温室条件下，脱硫废弃物不同成分对土壤和作物的影响；Wendell R.R等在1995年利用脱硫废弃物改良美国阿巴拉契亚地区的酸性土壤，研究了在酸性土壤上施加燃煤脱硫废弃物的效果，研究侧重于施加前后植物中各种金属元素含量的变化；同年，Stout W.L.等在美国宾夕法尼亚州，研究了牧草田间实验条件下，脱硫废弃物对酸性土壤的改良作用；Crews J.T等在1997年研究燃煤烟气脱硫废弃物对酸性森林土壤的改良情况，所选作物为橡树；Chen L等在2000年研究了利用烟气脱硫废弃物改良酸性土壤的效果，种植作物为紫花苜蓿，改良后的土壤增加了紫花苜蓿的产量。

国内利用脱硫废弃物改良盐碱地是从20世纪90年代后期才开始的。1995年日本东京大学教授松本聪和定方正毅提出了利用燃煤脱硫废弃物改良盐碱地，与沈阳市科委合作在沈阳市的康平县进行了田间试验，取得了初步的成效。2000～2005年，清华大学与内蒙古农业大学合作，利用燃煤脱硫废弃物对内蒙古土默川40亩中度以上盐碱地进行改良试验，取得了良好效果。

燃煤烟气脱硫废弃物改良盐碱地技术原理以石膏（CaSO₄·2H₂O）改良盐碱地理论作为基础，在土壤胶体中主要存在以下化学反应：

这是脱硫废弃物改良盐碱地技术的四个基本化学过程，也是理论基础，Na₂CO₃、NaHCO₃、交换性Na⁺、MgCO₃、Mg（HCO₃）₂、交换性Mg的存在，对CaSO₄的溶解产生盐效应，从而使石膏溶解度由2g/L，增加到5g/ L，最高达17g/L。脱硫废弃物中CaSO₄加入土壤，促进了CaCO₃沉淀，同时降低了土壤中交换性钠、交换性镁对植物的毒害作用，改善了土壤化学性质。脱硫废弃物改良盐碱地技术的四个基本化学过程必须有水作为溶液才能够进行。

2.利用燃煤脱硫废弃物改良我区盐碱地试验及效果

2.1　试验示范区概况

试验示范区位于宁夏银北农垦局暖泉农场和前进农场，气候区划上属温带大陆性气候，年日照时数为2800～3300h，平均降雨量187mm，蒸发量1250mm，地下水埋深0.8～1.2m，分布有宁夏典型的盐碱地类型。本试验示范区为低产田或撂荒地（表1，表2）。土壤盐化、碱化分布不均，耕作层（0～20cm）pH值大于8.5，并且盐分含量也较高，最高超过15g/kg。水溶性盐分离子分析结果表明，含量最高的阳离子是Na^＋，含量最高的阴离子是SO₄^2－，其次是Cl^－。试验区土壤属于硫酸盐盐土，氯化物—硫酸盐盐土或碳酸盐盐土。

表1　试验示范区土壤养分含量

表2　试验示范区土壤pH和盐分

2.2　材料及方法

2.2.1　种植作物种类

试验示范改良面积66.67hm²，供试作物为水稻、油葵和枸杞。水稻播种量为每亩25kg，采用旱直播方式。油葵播种量为每亩0.5kg，枸杞种植分为小苗移栽和老树移栽。

2.2.2　脱硫废弃物施用方法

将试验示范区按照土壤全盐和pH值划分为三个等级（表3），按等级施用不同的脱硫废弃物量，在施脱硫废弃物基础上配合使用有机肥、糠醛渣、草粉等，并根据作物生理特性和需肥规律施适量的尿素、磷酸二铵作底肥。脱硫废弃物于2006年春季一次性施入，并通过犁、耙与0～20cm土壤充分混匀，油葵灌水后播种。水稻采用旱直播方式。其中水稻设8个处理（表4），分别为：水稻－CK、水稻－2（脱硫废弃物1.5吨/亩）、水稻－3（脱硫废弃物1.5吨/亩，有机肥2方/亩）、水稻－4（脱硫废弃物2吨/亩）、水稻－5（脱硫废弃物2.5吨/亩）、水稻－6（脱硫废弃物2.5吨/亩，糠醛渣2方/亩）、水稻－7（脱硫废弃物2.5吨/亩，有机肥2方/亩）、水稻－8（脱硫废弃物2.5吨/亩，草粉0.5吨/亩）；油葵6个处理（表5），分别为：油葵－CK、油葵－2（有机肥2方/亩）、油葵－3（脱硫废弃物2吨/亩）、油葵－4（脱硫废弃物2吨/亩，有机肥2方/亩）、油葵－5（脱硫废弃物2.5吨/亩）、油葵－6（脱硫废弃物2.5吨/亩，有机肥2方/亩）；枸杞设对照与处理，处理施入脱硫废弃物2.5吨/亩，对照不施。

表3　试验示范区脱硫废弃物施用量

表4　水稻田试验处理

表5　油葵田试验处理

2.2.3　地下水及矿化度测定

于2006年4月下旬在暖泉农场项目区，打观测井3眼，其中旱田2眼（表7），水稻田1眼。但由于水稻田长期积水，观测井管不断下降，造成地表灌溉水流入观测井中，不能达到预期目的。仅测量了旱田观测井地下水埋深，分析了pH、矿化度。

2.2.4　数据统计分析

试验数据用Excel和SAS软件统计分析，表中数据均为各处理重复的平均值。

2.3　结果与分析

2.3.1　脱硫废弃物施用后对土壤化学性质的影响

2.3.1.1　水稻田处理前后pH和盐分变化

试验测试结果（表6）表明，脱硫废弃物施入水稻田后能中和土壤碱性，降低土壤pH值和全盐含量。试验后水稻田耕层土壤（0～20cm）pH值有不同程度的降低。总体看来，试验后对照处理土壤随剖面深度增加pH值减小，改良处理土壤随剖面深度增加pH值增加。试验后耕层土壤（0～20cm）盐分，除水稻－3处理升高外，其他处理盐分含量都有所降低，并且盐分含量随土壤剖面深度增加而降低，只有水稻－2处理在60～80cm稍微增加。其中采样误差是影响对照处理耕层土壤盐分大幅度降低，水稻－3处理耕层盐分升高的重要原因。不同处理改良效果有一定差别，在所有处理中盐分下降幅度最大的（对照除外）是水稻－5处理，耕层土壤试验前全盐含量为15.62g/kg，试验后全盐含量为4.75g/kg，下降69.59%，其次是水稻－8处理，耕层土壤试验前全盐含量为15.07g/kg，试验后全盐含量为4.80g/kg，下降了68.15%。

表6　水稻田处理前后pH和盐分变化

2.3.1.2　油葵田处理前后pH和盐分变化情况

实验结果表明（表7），油葵田使用改良剂后，大部分土壤pH值有不同程度的降低，对照处理试验后pH值高于试验前。油葵田盐分含量变化没有规律，有的升高，有的降低，这说明影响盐分含量的因素很复杂，特别是灌溉对改良剂效应的发挥有重要影响。

表7　油葵田处理前后pH和盐分变化

2.3.2　脱硫废弃物施用对地下水pH值和矿化度影响

二个观测井测定结果表明（表8，表9），地下水埋深较浅，随时间变化有升有降，但作物生长期内都维持在70cm左右，不利于盐分下移。脱硫废弃物施用后，地下水pH值随时间变化不明显，矿化度随时间变化明显。1号观测井地下水矿化度比较稳定，3号观测井地水矿化度一直在升高，究其原因可能是进入雨季后，降雨多，雨水下渗带动盐分下移造成的。这两个观测井之间的差别可能是土壤结构不同，影响水分下移速度不同造成的。

表8　1号观测井地下水埋深、pH值及全盐变化

表9　3号观测井水埋深、pH值及全盐变化

2.3.3　脱硫废弃物改良盐碱地对作物影响

试验示范区脱硫废弃物改良处理各种作物出苗率和产量明显高于对照，水稻、油葵平均出苗率分别达到90.3%和52.9%，枸杞成活率达93.8%，较未改良的水稻、油葵、枸杞提高了53.4%、48.4%和50.7%；水稻、油葵的籽粒产量分别平均达到了290.6kg/亩、98.2kg/亩，较未改良的水稻、油葵籽粒产量分别增加了240.6kg/亩和96.4kg/亩。说明脱硫废弃物的施入能够改良盐碱土壤，提高作物出苗率和产量。另外，前进农场试验结果表明，改良后第二年（2006年）油葵的出苗率和籽粒产量分别达到了73.5%和112.9kg/亩，比第一年（2005年）提高了16.6%和42.3kg/亩。说明脱硫废弃物改良盐碱地随着种植年限的增加效果愈加明显。

表10　作物出苗率与产量

3.结论及展望

研究结果表明，燃煤脱硫废弃物能够改变土壤的理化特性，降低土壤的pH值和盐分含量，改善作物生长发育环境，提高作物出苗率和产量，具有明显的盐碱地改良效果。由于盐碱地类型多样复杂，还需要在更大范围进行不同类型、不同作物改良试验研究。目前，我国已产生大量脱硫废弃物，并有逐年增长的势头。近年来，宁夏各大热电厂正在逐步加装烟气脱硫设备，据统计，2007年，我区热电厂将产生约12万t脱硫废弃物；到2010年，年产脱硫废弃物将达100万t以上。脱硫废弃物改良盐碱地的成功实践，将为我区工业脱硫废弃物利用和盐碱地改良找出一条有效途径。