劉祥宏

(1.中煤科工集團(tuán)北京土地整治與生態(tài)修復(fù)科技研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院有限公司，北京 100013)

煤矸石是在煤炭資源開(kāi)發(fā)剝離、掘進(jìn)、開(kāi)采、洗選、加工等過(guò)程中產(chǎn)生的一種最主要的大宗固體廢棄物[1-3]，其產(chǎn)量約為煤炭開(kāi)采量的10%～20%[4]；中國(guó)現(xiàn)存煤矸石總量超60億t，并以5億～8億t/a的排放量逐年增加[5]；相關(guān)預(yù)測(cè)研究顯示到2025年，中國(guó)煤炭開(kāi)采和洗選業(yè)煤矸石產(chǎn)生量將達(dá)到15.86億t/a(較2019年增長(zhǎng)238%)[6]。當(dāng)前煤矸石的綜合利用比例仍很低，一般認(rèn)為不足30%(甚至不到15%)[1,5,7]。煤矸石長(zhǎng)期集中堆置占用大量土地資源、存在邊坡穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)[8]及自燃風(fēng)險(xiǎn)[9]，而煤矸石的自燃可造成復(fù)墾土壤極度退化，大大降低了復(fù)墾土壤的質(zhì)量[10]，且自燃造成的二氧化碳排放則進(jìn)一步加大了礦區(qū)的碳減排壓力。在國(guó)家嚴(yán)格管控礦山開(kāi)采占地用地以及大力倡導(dǎo)資源循環(huán)綠色利用的前提下，急需對(duì)現(xiàn)存及不斷增加的煤矸石進(jìn)行高效、大規(guī)模、可持續(xù)的綜合處理利用，切實(shí)解決煤矸石帶來(lái)的土地資源占用、生態(tài)環(huán)境破壞問(wèn)題，充分發(fā)揮其綜合利用價(jià)值。

煤矸石兼具巖土煤炭、化工原料、資源元素、惰性材料等多種功能屬性，是一種綜合利用廣泛的潛在資源[2]?！睹喉肥眉夹g(shù)導(dǎo)則》(GB/T 29163—2012)[11]指出，煤矸石可在燃料、建筑材料、路基填料、化工原料、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和回填等方面得到利用，燃料發(fā)電、填埋、筑路、建材、化工等是當(dāng)前煤矸石的主要利用方向[5,7,12-20]。其中，煤矸石制建材磚可部分或全部替代黏土[21]，利用煤矸石研制生產(chǎn)建筑磚(瓦)甚至被認(rèn)為是煤矸石的最佳利用途徑[22]，煤矸石磚制品已在國(guó)家能源集團(tuán)神東礦區(qū)、廠區(qū)道路等工程中得到就地就近實(shí)踐應(yīng)用；另外，煤矸石自燃或燃燒后的產(chǎn)物，也可在建筑材料等領(lǐng)域得到進(jìn)一步的資源化利用[23]。在煤炭領(lǐng)域，井工煤礦井下充填煤矸石[24-25]以及矸石注漿充填[26-27]具有處理效率高、就地處理等優(yōu)點(diǎn)，但受充填效果要求、裝備工藝及自動(dòng)化程度等限制，該技術(shù)尚不能滿足中國(guó)目前煤矸石集中化、高產(chǎn)化、規(guī)?；奶幚硪骩5,28]。

煤矸石作為煤炭開(kāi)采產(chǎn)生的一種伴生物，與煤炭相比礦物含量高、有機(jī)質(zhì)含量低[29]。其中有機(jī)質(zhì)作為煤矸石中組成成分之一，在不同矸石中的含量差別較大[21,30-31]。有研究認(rèn)為煤矸石中的有機(jī)質(zhì)占比為15%～25%[32-33]或15%～40%[33]。Song等[30]針對(duì)42個(gè)煤矸石樣品的測(cè)定顯示碳含量為0.02%～31.22%。祁星鑫等[34]針對(duì)中國(guó)新疆7個(gè)煤礦所產(chǎn)煤矸石的研究顯示，3個(gè)煤礦的煤矸石碳含量在20%以上。研究表明，煤矸石因含有營(yíng)養(yǎng)元素(如鈣、鎂、磷、微量元素)和有機(jī)質(zhì)，能夠發(fā)揮改良土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤持水性能、增加土壤肥力、促進(jìn)植物生長(zhǎng)的作用[32-36]。

煤矸石在土壤改良與生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域中存在兩種角色：一種是生態(tài)治理對(duì)象，一般以堆積的矸石山形式出現(xiàn)；一種是生態(tài)治理材料，即矸石直接應(yīng)用或改性處理后應(yīng)用于土壤重構(gòu)與培肥。在國(guó)土空間綠化治理以及農(nóng)業(yè)耕作土壤地力提升等的驅(qū)動(dòng)下，土壤改良材料具有巨大的應(yīng)用市場(chǎng)空間，為包括煤矸石在內(nèi)的大宗固廢資源的大規(guī)模消納利用提供了新的機(jī)遇。實(shí)際上，煤矸石的土壤化消納還可實(shí)現(xiàn)煤矸石分散處置，避免集中堆置下的自燃問(wèn)題，進(jìn)一步提升煤矸石土壤應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)現(xiàn)有利用方式及技術(shù)手段下煤矸石消納能力不足問(wèn)題，本研究從直接應(yīng)用、改性應(yīng)用兩大方面，分析煤矸石作為土壤改良材料的應(yīng)用方式及效果，并結(jié)合國(guó)家相關(guān)政策及相關(guān)技術(shù)進(jìn)展探究未來(lái)的潛在研究與應(yīng)用方向。

1 煤矸石直接土壤應(yīng)用研究

1.1 煤矸石單一材料土壤改良應(yīng)用

Wang等[37]通過(guò)煤矸石與土壤性質(zhì)的比較(包括巖性、化學(xué)組成、養(yǎng)分元素等)認(rèn)為煤矸石具有肥料應(yīng)用潛力。羅根華等[38]采用盆栽試驗(yàn)研究了不同量煤矸石(0、13%、26%、40%、53%)施用，對(duì)貧瘠土壤質(zhì)量和小白菜生長(zhǎng)品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)煤矸石施用可增加植物生長(zhǎng)過(guò)程所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可作為貧瘠土壤改良劑實(shí)現(xiàn)煤矸石資源化并改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。洪悅等[39]研究了大豆在煤矸石與土壤混合條件下的籽粒養(yǎng)分情況，顯示煤矸石與土壤的比例為20%～30%時(shí)盆栽大豆中的氮磷鉀養(yǎng)分含量最高。Zhang等[40]通過(guò)對(duì)比不同粒徑煤矸石填充(上覆50 cm表土)后的土壤溫度與水分狀況，認(rèn)為中粒徑比粗粒徑、細(xì)粒徑煤矸石更有利于高潛水位采煤沉陷區(qū)的復(fù)墾。以煤矸石為主要基質(zhì)的摻土改良的研究顯示，摻土可顯著降低原有煤矸石堆體的水分入滲率、提高累積入滲量，有益于煤矸石山水土保持和植物生長(zhǎng)[41]。吳莎[42]研究表明，摻土煤矸石混合基質(zhì)中黑麥草的株高和生物量高于煤矸石風(fēng)化物中，且摻土比例越大黑麥草株高和生物量值越大。煤矸石也可作為土壤表層覆蓋材料，Han等[43]研究認(rèn)為，使用8～16 cm厚、0.5～2 cm粒徑的煤矸石覆蓋，可以改善礦區(qū)土壤水分貯存能力。韓秀娜等[44]研究顯示，煤矸石覆蓋厚度、粒徑及其交互作用均顯著影響土壤的pH和養(yǎng)分含量，并建議優(yōu)先應(yīng)用厚度為16 cm、粒徑為1～4 cm的煤矸石覆蓋礦區(qū)土壤。

鹽堿地是一種主要的生態(tài)障礙型土地類型，當(dāng)前針對(duì)鹽堿地開(kāi)展的煤矸石應(yīng)用研究較多。張宇航等[45]、孔濤等[46]通過(guò)盆栽試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)煤矸石可以改良鹽堿土壤質(zhì)量并促進(jìn)植物生長(zhǎng)，其中20%用量的小粒徑和混合粒徑煤矸石效果最好；高硫煤矸石作為一種燃燒容易引起SO2污染、堆積易引發(fā)自燃的煤矸石種類，在鹽堿地治理領(lǐng)域具有較好的前景。孫海容等[47]研究發(fā)現(xiàn)，高硫煤矸石施入堿性土壤中可發(fā)揮中和土壤鹽基物質(zhì)、降低土壤pH，以及改善作物生長(zhǎng)環(huán)境促進(jìn)作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的功效。王瓊等[48]研究表明，施用高硫煤矸石會(huì)導(dǎo)致大量外源離子的輸入，使蘇打鹽化土電導(dǎo)率(electrical conductivity，EC)與對(duì)照相比均有所升高，但煤矸石的施用可通過(guò)調(diào)整土壤中鹽離子結(jié)構(gòu)，使土壤中產(chǎn)生毒害作用的鈉離子含量減少，進(jìn)而對(duì)蘇打鹽化土起到良好的改良效果。

煤矸石的土壤應(yīng)用也存在一定的負(fù)面影響。Zhou等[49]研究發(fā)現(xiàn)，煤矸石與土壤混合后會(huì)降低土體的入滲速率和飽和導(dǎo)水率。米美霞等[50]通過(guò)直接的煤矸石土壤應(yīng)用試驗(yàn)證實(shí)，因煤矸石富含重金屬和硫，且鹽度和酸堿度與土壤不同，造成含煤矸石土壤(煤矸石與土壤混合狀態(tài))對(duì)檸條和苜蓿兩種植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生顯著抑制作用。煤矸石作為充填材料集中施用后，還會(huì)抑制生長(zhǎng)期冬小麥的根長(zhǎng)、根生物量和根系活力[51]。吳順志[52]研究發(fā)現(xiàn)，酸性煤矸石復(fù)墾地土壤的酸化影響土壤肥力和微生物活動(dòng)，造成所種植紫穗槐的長(zhǎng)勢(shì)緩慢。而一些偏堿性和含鹽量較高的煤矸石充填復(fù)墾應(yīng)用后，還可能引起接觸層土壤發(fā)生鹽化[36]。煤矸石自身多含有重金屬[53-55]、有機(jī)污染物質(zhì)[56-58]。雖然Wang等[37]對(duì)煤矸石中的Pb、Cd、Hg等主要有害物質(zhì)的含量進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)低于《農(nóng)用粉煤灰中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8173—1987)，不會(huì)對(duì)土壤造成危害，但其存在的污染物風(fēng)化釋放[59-60]及富集風(fēng)險(xiǎn)[61-64]問(wèn)題不容忽視。研究顯示煤矸石存在污染礦區(qū)土地與水的問(wèn)題[16,59,65-75]，其會(huì)造成矸石山周邊表層土壤中的Zn、Pb、Cr、Cu、Ni含量較高[76-78]。郎朗等[79]研究表明，水稻籽粒和秸稈中重金屬含量隨煤矸石配比濃度的增加而升高。且秸稈的綜合污染指數(shù)較高。Wang等[63]研究發(fā)現(xiàn)，矸石場(chǎng)地土壤中鉛含量低但植物(水稻)中的含量達(dá)到0.38 mg/kg，超過(guò)允許值(0.2 mg/kg)。因此，煤礦區(qū)的復(fù)墾工程中需要關(guān)注煤矸石引起的污染對(duì)植物的毒害作用[16-17，55，80-81]。煤矸石也具有污染修復(fù)的應(yīng)用潛力。王興明等[82]研究表明，煤矸石可對(duì)銅尾礦砂中Zn、Pb、Cd和Cu產(chǎn)生一定穩(wěn)定化作用。在土壤呼吸方面，牟守國(guó)等[83]研究了以煤矸石為充填物復(fù)墾采煤沉陷地后的土壤呼吸狀況，結(jié)果表明，煤矸石充填土壤標(biāo)準(zhǔn)呼吸率[8.35 μmol/(m2·s)]略高于對(duì)照土壤標(biāo)準(zhǔn)呼吸率[8.04 μmol/(m2·s)]。

綜上可知，煤矸石具有土壤改良應(yīng)用的潛力，進(jìn)而可大規(guī)模消納煤礦生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的煤矸石；但因不同煤矸石中污染成分、酸堿屬性較大等問(wèn)題的存在，其直接的土壤化大規(guī)模應(yīng)用仍面臨許多問(wèn)題與不確定性，亟需借助新方法、新思路開(kāi)發(fā)新技術(shù)來(lái)加以解決。

1.2 煤矸石復(fù)合材料土壤改良應(yīng)用

煤矸石單獨(dú)應(yīng)用往往存在土壤改良與植被生長(zhǎng)促進(jìn)作用不明顯等問(wèn)題，因而其較少單獨(dú)在土壤改良中使用[32]。施龍青等[35]研究認(rèn)為，煤矸石發(fā)揮對(duì)低產(chǎn)田的有效改造作用需配施糞便、草木灰等有機(jī)肥料。鄭永紅等[36]建議要采取平衡施肥和適當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)措施來(lái)提升煤矸石復(fù)墾土壤的肥力水平。

為進(jìn)一步增強(qiáng)煤矸石土壤應(yīng)用效果，在應(yīng)用中配施其他功能材料是主要途徑。粉煤灰作為一種煤基廢物是較為常用的煤矸石土壤應(yīng)用配合材料，其余材料還包括有機(jī)肥、作物秸稈、聚丙烯酰胺(polyacrylamide，PAM)、菌劑等。Wang等[84]通過(guò)研究煤矸石與飛灰對(duì)土壤水分性狀的影響，建議將兩者聯(lián)合使用以達(dá)到更接近土壤的質(zhì)量效果。張汝翀等[85]研究了煤矸石綠化基質(zhì)對(duì)白三葉草生長(zhǎng)及其抵御重金屬污染的影響，結(jié)果表明，煤矸石與土壤、PAM、粉煤灰、玉米秸稈按照一定比例混合后的植物生長(zhǎng)基質(zhì)效果最好。而周昊等[86]研究認(rèn)為，污泥、粉煤灰、煤矸石與土壤質(zhì)量配比為5%∶20%∶15%∶60%的處理為種植白三葉的最佳方案。Du等[87]的研究顯示，煤矸石與土壤按照1∶1配置(配合秸稈、粉煤灰、保水劑等材料)可以改善礦區(qū)土壤的養(yǎng)分狀況。秦琪焜等[88]研究發(fā)現(xiàn)，煤矸石(粒徑大小≤8目)與城市污泥按照1∶1體積配比制備的植生基質(zhì)保水保肥性最佳。張超英等[89]開(kāi)展的土壤水分物理性質(zhì)研究顯示，混施生物炭和保水劑比單施生物炭或保水劑更能提高煤矸石基質(zhì)的保水性能和入滲性能。宋慧平等[90]研究顯示，煤矸石與水泥摻混制取多孔材料配合雞糞、風(fēng)化煤等輔料可改善土壤結(jié)構(gòu)、提升土壤肥力。張變?nèi)A等[91]研究表明，施肥可提高煤矸石填埋區(qū)復(fù)墾土壤養(yǎng)分含量，改變土壤中真菌群落結(jié)構(gòu)。煤矸石充填復(fù)墾往往會(huì)因改變土壤理化性質(zhì)而引起土壤細(xì)菌群落多樣性、豐富度低于普通耕地[92]，而一些適宜的微生物可利用煤矸石來(lái)生長(zhǎng)代謝，同時(shí)提高煤矸石的風(fēng)化程度及煤矸石的可溶性營(yíng)養(yǎng)元素，進(jìn)而促進(jìn)煤矸石復(fù)墾利用[93]。程昊天等[94]研究顯示，接種菌劑可促進(jìn)煤矸石基質(zhì)熟化，對(duì)紫花苜蓿具有良好的促生作用。Motesharezadeh等[95]研究發(fā)現(xiàn)，煤矸石與叢植菌根真菌聯(lián)合使用，可以顯著改善作物的營(yíng)養(yǎng)狀況，10%煤矸石用量下可取得最好的效果。

2 煤矸石改性及土壤應(yīng)用研究

2.1 煤矸石改性

因天然的煤矸石結(jié)構(gòu)致密，煤矸石應(yīng)用于化工生產(chǎn)領(lǐng)域一般需要通過(guò)向煤矸石中添加一定量的改性劑，來(lái)提高煤矸石的活性[96-98]。研究表明，經(jīng)處理后的煤矸石所浸出污染物可達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、減少析出風(fēng)險(xiǎn)，可作為環(huán)境友好材料進(jìn)行使用，達(dá)到資源化再利用的目的[33]。改性煤矸石已廣泛用于制備吸附劑、橡膠補(bǔ)強(qiáng)填充劑、塑料填充劑[97,99-100]及污水治理[101]等領(lǐng)域。呂游等[101]研究發(fā)現(xiàn)，改性煤基活性炭比未改性煤基活性炭對(duì)廢水中銅的吸附顯著提升。張鳳娥等[102]以煤矸石和氧化鈣為原料，通過(guò)熱堿改性制備的煤矸石吸附劑在一定條件下對(duì)10 mg/L磷酸鹽去除率可超過(guò)95%。

經(jīng)改性處理后產(chǎn)品也已在土壤方面的污染修復(fù)領(lǐng)域得到研究。尚中博[103]研究發(fā)現(xiàn)，巰基改性煤矸石對(duì)土壤中的Pb2+、Cd2+、Cu2+等重金屬離子的鈍化效果較為明顯。楊長(zhǎng)鈺等[104]研究表明，巰基改性煤矸石修復(fù)劑添加量為6%～8%、土壤含水率為45%～55%時(shí)，其對(duì)土壤中Co具有最佳的鈍化效果。煅燒也可作為煤矸石改性的一種方式，煅燒后煤矸石因一些組分由結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)化為非結(jié)晶態(tài)而使其化學(xué)反應(yīng)上顯示一定的活性[97,105]，使得煅燒后矸石比原材料具有更高的吸附能力[106]。Zhao等[107-108]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)KOH改性和低溫煅燒后的矸石可作為Cd污染土壤的一種有效修復(fù)材料。Ye等[109]研究表明，堿性條件下的鈣改性煤矸石具有更好磷吸附效果，可以用作復(fù)墾區(qū)域的填充材料及土壤改良劑。

2.2 煤矸石改性生產(chǎn)肥料及土壤應(yīng)用

煤矸石可用于生產(chǎn)煤矸石有機(jī)復(fù)合肥料以及微生物肥料[34]?！睹喉肥眉夹g(shù)導(dǎo)則》(GB/T 29163—2012)[11]給出煤矸石農(nóng)業(yè)使用的兩個(gè)方向?yàn)槲⑸锓柿稀⒂袡C(jī)復(fù)合肥料，并對(duì)污染物含量、灰分、有機(jī)質(zhì)含量作出要求；其中，生產(chǎn)微生物肥料需要灰分產(chǎn)率小于85%；生產(chǎn)有機(jī)復(fù)合肥需要煤矸石中有機(jī)碳的含量應(yīng)大于20%。高含碳量煤矸石用于肥料制備將有更好的生態(tài)效應(yīng)，但這樣就浪費(fèi)了其本身熱能價(jià)值。卞正富等[110]研究認(rèn)為，含碳量>20%的煤矸石具有很大的能源潛力(大于8.36 MJ/kg)，適合首先于作能源燃料，并且有機(jī)碳含量在6%～20%(發(fā)熱量介于3.34～8.36 MJ/kg)的煤矸石，也可作為礦物燃料摻合料?！睹禾抗I(yè)環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50821—2012)[111]指出含碳量>20%的煤矸石宜用作燃料，含碳量6%～20%的用于生產(chǎn)水泥、磚等建材制品。郭彥霞等[7]研究認(rèn)為，低碳煤矸石(C含量<15%)可用于生產(chǎn)肥料。

申午艷[112]研究表明，煤矸石制備的硅鉀肥基改良劑可改良鹽堿地土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)鹽堿地上的玉米生長(zhǎng)。袁向芬等[113]利用巨大芽孢細(xì)菌將高硫煤矸石制成肥料的條件，所制備的煤矸石肥料中堿解氮、有效磷、速效鉀等的含量比原煤矸石顯著提高，可直接施用于土地上來(lái)增強(qiáng)土壤的活性。王應(yīng)蘭等[114]利用菌株解離煤矸石制備的煤矸石肥料，其堿解氮、有效磷和速效鉀含量都大幅提高并有利于煙草生長(zhǎng)。

煤矸石還可利用其含有的有益成分[115]用于制備一些專性肥料。劉信平等[116]利用富硒煤矸石活化制備富硒肥料，結(jié)果表明，活化煤矸石硒肥與畜禽糞混合發(fā)酵，可以大大提高大蒜對(duì)硒的吸收量，且認(rèn)為有機(jī)肥與活化煤矸石硒肥以1∶2比例混合發(fā)酵制備的煤矸石硒有機(jī)肥是活化煤矸石硒的有效方法。富含硅鋁礦物的煤矸石活化后可以用于制備富含微量元素的硅肥[112]。王生全等[117]、謝宵斐[118]研究認(rèn)為煤矸石硅肥的最佳制備條件為：活化溫度700 ℃，煤矸石: CaCO3∶Na2CO3∶NaOH=1∶0.5∶0.1∶0.05，煅燒時(shí)間2 h，粒度80目，該條件下制備的硅肥肥效穩(wěn)定且有害物質(zhì)含量低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

盡管煤矸石制備肥料具有較好的前景，但煤矸石制備肥料仍然存在有機(jī)質(zhì)的固化程度較高、分解轉(zhuǎn)化率不夠高、碳源的有效性需要提高、部分無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)組分含量與作物需求匹配有待提高等問(wèn)題[33]。田怡然等[33]建議煤矸石在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)豐富破碎篩分等處理方式，形成系統(tǒng)的制肥工藝。

2.3 煤矸石制備活性炭及土壤應(yīng)用

煤矸石炭化改性及土壤應(yīng)用思路來(lái)源于煤炭炭化制備活性炭[119-120]以及煤基材料惰性氣體保護(hù)下的熱活化處理[121]。煤炭是工業(yè)化生產(chǎn)制備活性炭的主要原料之一，且煤基活性炭是活性炭的主要品種，其具有原料供應(yīng)穩(wěn)定、價(jià)格低廉、性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)[122-125]。有學(xué)者針對(duì)生物質(zhì)材料與煤的共炭化處理開(kāi)展了研究。唐慶杰等[126]對(duì)比研究了秸稈及牛糞對(duì)煤的炭化過(guò)程影響，結(jié)果顯示秸桿對(duì)煤炭化產(chǎn)物性能的影響明顯優(yōu)于牛糞，炭化產(chǎn)物經(jīng)脫灰處理后的吸附性能得到顯著提高。煤基活性炭已被廣泛應(yīng)用于污水處理和廢氣凈化等環(huán)保領(lǐng)域[127-128]。同時(shí)，多種原材料經(jīng)炭化制備的活性炭、生物炭等在土壤改良與生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域已得到廣泛的研究[129-130]。楊峰山等[131]研究表明，煤質(zhì)活性炭能有效降解溶液及土壤中阿特拉津含量。丁滿等[132]研究發(fā)現(xiàn)，褐煤基活性炭能顯著降低土壤中二乙烯三胺五乙酸(diethylenetriaminepentaacetic acid，DTPA)提取態(tài)鉛、鎘含量，且能提高生菜的地上部生物量。

煤矸石作為一種煤炭開(kāi)發(fā)的副產(chǎn)物可用來(lái)作為制備活性炭原料。張明媚等[133]將預(yù)處理后的煤矸石和污泥粉料按照60∶40質(zhì)量比混合，并在N2氣氛下于管式爐中550 ℃活化60 min，制備復(fù)合基活性炭并用于污水厭氧硝化。張明媚[134]利用碳含量為37.544%的煤矸石和21.324%的污泥制備復(fù)合基活性炭，并開(kāi)展了污水厭氧消化影響研究。喬改瑞等[135]研究了煤矸石經(jīng)“粉碎-焙燒(600 ℃，2 h，缺氧環(huán)境)-活化”后煤矸石的吸附印染廢水效應(yīng)?？芟矇鄣萚136]將煤矸石及其廢渣、石灰粉碎混合均勻，并經(jīng)輪碾、悶料、制作坯體及干燥處理后，在含CO2的高溫廢氣條件下進(jìn)行炭化養(yǎng)護(hù)，經(jīng)4～7 d后即成為強(qiáng)度高、性能良好的炭化制品。杜雄偉[137]研究表明，以CO2為活化劑在850 ℃下活化煤矸石24 h，制得的活性炭微孔含量達(dá)到最大。

煤矸石經(jīng)炭化工藝制取材料在生態(tài)環(huán)境治理領(lǐng)域具有一定的效果。馬曰娜等[138]、Wang等[139]將煤矸石作為生物炭的改良材料，把生物炭原料(秸稈)與煤矸石按照2∶1質(zhì)量比混合后用管式爐生產(chǎn)制備450 ℃及700 ℃改性生物炭，結(jié)果顯示煤矸石與秸稈混合炭化后制備的改性生物炭，其比表面積、電導(dǎo)率、產(chǎn)率及吸附量都顯著增加，改性生物炭可用于水中磷的去除，并可進(jìn)一步作為富含磷的緩釋肥料[139]。周巖梅等[140]研究發(fā)現(xiàn)，煤基活性炭對(duì)底泥中持久性有機(jī)污染物(PAHs)具有良好的修復(fù)效果。Tremain等[141]基于生物炭材料理念于提出了煤礦廢物制取炭的資源利用策略，并對(duì)2種煤炭廢物不同溫度條件下炭化材料的屬性進(jìn)行了分析，認(rèn)為600 ℃以上炭化溫度制備的炭材料可考慮用于土壤改良研究。

2.4 煤矸石改性制備種植基質(zhì)

煤矸石還可以用于制備植物育苗、立體綠化用的植物生長(zhǎng)基質(zhì)，該方向也被認(rèn)為是消納煤矸石儲(chǔ)量的重要途徑[142]?？聞P恩等[142]研究表明，煤矸石粉碎粒徑、含量及添加堆肥種類均會(huì)對(duì)基質(zhì)產(chǎn)品的肥力產(chǎn)生影響，其中煤矸石粒徑越小越利于養(yǎng)分釋放。邵玉飛等[143]研究發(fā)現(xiàn)，煤矸石可部分代替草炭制作水稻育苗基質(zhì)，其中未經(jīng)活化處理的煤矸石添加量在38%，而經(jīng)高溫煅燒活化處理后可以增加到80%，大大提高煤矸石的消納使用量。唐升引等[144]關(guān)注到煤矸石物理性狀的斥水性以及土壤應(yīng)用障礙問(wèn)題，認(rèn)為可通過(guò)摻混濕潤(rùn)劑等改良措施達(dá)到在栽培基質(zhì)中應(yīng)用的要求。蘇迪等[145]研發(fā)了一種以煤矸石為主要原料、以水泥為膠凝劑、以鋁粉為發(fā)泡劑制作煤矸石多孔土壤的技術(shù)，所形成的土壤具有保溫、透氣、保水、抗流失等優(yōu)點(diǎn)，解決了煤矸石直接應(yīng)用產(chǎn)生的保水性能差、植物生長(zhǎng)效果良等問(wèn)題。

2.5 煤矸石燃燒副產(chǎn)物及其應(yīng)用

煤矸石燃燒后的產(chǎn)物(粉煤灰)也可用于土壤肥力改良、土壤污染修復(fù)[146-148]。趙旭等[149]研究表明，粉煤灰對(duì)鹽堿地土壤改良效果優(yōu)于煤矸石。但粉煤灰的土壤改良效果受限于其有機(jī)質(zhì)、N、P養(yǎng)分不足問(wèn)題，需要與其他有機(jī)材料進(jìn)行混合施用[150-151]，且煤矸石燃燒產(chǎn)物土壤應(yīng)用中也需要考慮其中的重金屬元素含量及污染問(wèn)題[147,151]。Ukwattage等[152]研究認(rèn)為，粉煤灰還可以通過(guò)改良土壤促進(jìn)有機(jī)物質(zhì)腐殖化來(lái)產(chǎn)生穩(wěn)定的土壤碳，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)碳匯功能。

3 結(jié)論與展望

(1)煤矸石的土壤應(yīng)用主要是利用其含有有機(jī)碳以及植物所需營(yíng)養(yǎng)元素，已有研究顯示了煤矸石單獨(dú)應(yīng)用、混合應(yīng)用以及改性應(yīng)用下均具有一定的土壤改良效果。綜合當(dāng)前的一些研究成果與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，一般有機(jī)碳含量在20%以下煤矸石適合用于土壤改良應(yīng)用，含量在此之上的應(yīng)充分發(fā)揮其燃料能源價(jià)值，而其燃燒后的副產(chǎn)物則可進(jìn)一步應(yīng)用于土壤改良。

(2)針對(duì)有機(jī)碳含量20%以下的煤矸石，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)煤矸石資源的大規(guī)模土壤化消納利用，需要重點(diǎn)解決消納利用過(guò)程中的養(yǎng)分不足、功能效應(yīng)不顯著以及污染風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題，并著力突出綜合性的生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益，而改性以及與其他功能材料綜合運(yùn)用是最有潛力的方向。煤矸石土壤化消納利用的主要研究關(guān)注點(diǎn)包括：①煤矸石的炭化改性產(chǎn)品具有穩(wěn)定的碳含量和良好的吸附等性能，可作為一種生物炭材料在土壤改良中得到進(jìn)一步的應(yīng)用，特別是在國(guó)家確定碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的背景下；②特異性煤矸石的土壤化高效利用應(yīng)更加重視，如高硫煤矸石直接或改性應(yīng)用在鹽堿地治理利用具有良好效果。富硒、富硅煤矸石制備專性肥料及其對(duì)植物生長(zhǎng)的影響應(yīng)進(jìn)一步研究；③煤矸石的資源化利用需要關(guān)注環(huán)境問(wèn)題以及經(jīng)濟(jì)效益問(wèn)題，評(píng)估不同煤矸石所含污染物的土壤富集效應(yīng)，并采用改性等手段加以前置處理，避免土壤應(yīng)用后造成污染而增加土壤污染修復(fù)治理成本。