煤矸石土壤化消纳利用研究综述

刘祥宏

(1.中煤科工集团北京土地整治与生态修复科技研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科学研究总院有限公司，北京 100013)

煤矸石是在煤炭资源开发剥离、掘进、开采、洗选、加工等过程中产生的一种最主要的大宗固体废弃物[1-3]，其产量约为煤炭开采量的10%～20%[4]；中国现存煤矸石总量超60亿t，并以5亿～8亿t/a的排放量逐年增加[5]；相关预测研究显示到2025年，中国煤炭开采和洗选业煤矸石产生量将达到15.86亿t/a(较2019年增长238%)[6]。当前煤矸石的综合利用比例仍很低，一般认为不足30%(甚至不到15%)[1,5,7]。煤矸石长期集中堆置占用大量土地资源、存在边坡稳定风险[8]及自燃风险[9]，而煤矸石的自燃可造成复垦土壤极度退化，大大降低了复垦土壤的质量[10]，且自燃造成的二氧化碳排放则进一步加大了矿区的碳减排压力。在国家严格管控矿山开采占地用地以及大力倡导资源循环绿色利用的前提下，急需对现存及不断增加的煤矸石进行高效、大规模、可持续的综合处理利用，切实解决煤矸石带来的土地资源占用、生态环境破坏问题，充分发挥其综合利用价值。

煤矸石兼具岩土煤炭、化工原料、资源元素、惰性材料等多种功能属性，是一种综合利用广泛的潜在资源[2]。《煤矸石利用技术导则》(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、农业生产和回填等方面得到利用，燃料发电、填埋、筑路、建材、化工等是当前煤矸石的主要利用方向[5,7,12-20]。其中，煤矸石制建材砖可部分或全部替代黏土[21]，利用煤矸石研制生产建筑砖(瓦)甚至被认为是煤矸石的最佳利用途径[22]，煤矸石砖制品已在国家能源集团神东矿区、厂区道路等工程中得到就地就近实践应用；另外，煤矸石自燃或燃烧后的产物，也可在建筑材料等领域得到进一步的资源化利用[23]。在煤炭领域，井工煤矿井下充填煤矸石[24-25]以及矸石注浆充填[26-27]具有处理效率高、就地处理等优点，但受充填效果要求、装备工艺及自动化程度等限制，该技术尚不能满足中国目前煤矸石集中化、高产化、规模化的处理要求[5,28]。

煤矸石作为煤炭开采产生的一种伴生物，与煤炭相比矿物含量高、有机质含量低[29]。其中有机质作为煤矸石中组成成分之一，在不同矸石中的含量差别较大[21,30-31]。有研究认为煤矸石中的有机质占比为15%～25%[32-33]或15%～40%[33]。Song等[30]针对42个煤矸石样品的测定显示碳含量为0.02%～31.22%。祁星鑫等[34]针对中国新疆7个煤矿所产煤矸石的研究显示，3个煤矿的煤矸石碳含量在20%以上。研究表明，煤矸石因含有营养元素(如钙、镁、磷、微量元素)和有机质，能够发挥改良土壤结构、提高土壤持水性能、增加土壤肥力、促进植物生长的作用[32-36]。

煤矸石在土壤改良与生态环境领域中存在两种角色：一种是生态治理对象，一般以堆积的矸石山形式出现；一种是生态治理材料，即矸石直接应用或改性处理后应用于土壤重构与培肥。在国土空间绿化治理以及农业耕作土壤地力提升等的驱动下，土壤改良材料具有巨大的应用市场空间，为包括煤矸石在内的大宗固废资源的大规模消纳利用提供了新的机遇。实际上，煤矸石的土壤化消纳还可实现煤矸石分散处置，避免集中堆置下的自燃问题，进一步提升煤矸石土壤应用的优势。

针对现有利用方式及技术手段下煤矸石消纳能力不足问题，本研究从直接应用、改性应用两大方面，分析煤矸石作为土壤改良材料的应用方式及效果，并结合国家相关政策及相关技术进展探究未来的潜在研究与应用方向。

1 煤矸石直接土壤应用研究

1.1 煤矸石单一材料土壤改良应用

Wang等[37]通过煤矸石与土壤性质的比较(包括岩性、化学组成、养分元素等)认为煤矸石具有肥料应用潜力。罗根华等[38]采用盆栽试验研究了不同量煤矸石(0、13%、26%、40%、53%)施用，对贫瘠土壤质量和小白菜生长品质的影响，发现煤矸石施用可增加植物生长过程所需营养物质，可作为贫瘠土壤改良剂实现煤矸石资源化并改善矿区生态环境。洪悦等[39]研究了大豆在煤矸石与土壤混合条件下的籽粒养分情况，显示煤矸石与土壤的比例为20%～30%时盆栽大豆中的氮磷钾养分含量最高。Zhang等[40]通过对比不同粒径煤矸石填充(上覆50 cm表土)后的土壤温度与水分状况，认为中粒径比粗粒径、细粒径煤矸石更有利于高潜水位采煤沉陷区的复垦。以煤矸石为主要基质的掺土改良的研究显示，掺土可显著降低原有煤矸石堆体的水分入渗率、提高累积入渗量，有益于煤矸石山水土保持和植物生长[41]。吴莎[42]研究表明，掺土煤矸石混合基质中黑麦草的株高和生物量高于煤矸石风化物中，且掺土比例越大黑麦草株高和生物量值越大。煤矸石也可作为土壤表层覆盖材料，Han等[43]研究认为，使用8～16 cm厚、0.5～2 cm粒径的煤矸石覆盖，可以改善矿区土壤水分贮存能力。韩秀娜等[44]研究显示，煤矸石覆盖厚度、粒径及其交互作用均显著影响土壤的pH和养分含量，并建议优先应用厚度为16 cm、粒径为1～4 cm的煤矸石覆盖矿区土壤。

盐碱地是一种主要的生态障碍型土地类型，当前针对盐碱地开展的煤矸石应用研究较多。张宇航等[45]、孔涛等[46]通过盆栽试验研究发现煤矸石可以改良盐碱土壤质量并促进植物生长，其中20%用量的小粒径和混合粒径煤矸石效果最好；高硫煤矸石作为一种燃烧容易引起SO2污染、堆积易引发自燃的煤矸石种类，在盐碱地治理领域具有较好的前景。孙海容等[47]研究发现，高硫煤矸石施入碱性土壤中可发挥中和土壤盐基物质、降低土壤pH，以及改善作物生长环境促进作物高产、稳产的功效。王琼等[48]研究表明，施用高硫煤矸石会导致大量外源离子的输入，使苏打盐化土电导率(electrical conductivity，EC)与对照相比均有所升高，但煤矸石的施用可通过调整土壤中盐离子结构，使土壤中产生毒害作用的钠离子含量减少，进而对苏打盐化土起到良好的改良效果。

煤矸石的土壤应用也存在一定的负面影响。Zhou等[49]研究发现，煤矸石与土壤混合后会降低土体的入渗速率和饱和导水率。米美霞等[50]通过直接的煤矸石土壤应用试验证实，因煤矸石富含重金属和硫，且盐度和酸碱度与土壤不同，造成含煤矸石土壤(煤矸石与土壤混合状态)对柠条和苜蓿两种植物的生长产生显著抑制作用。煤矸石作为充填材料集中施用后，还会抑制生长期冬小麦的根长、根生物量和根系活力[51]。吴顺志[52]研究发现，酸性煤矸石复垦地土壤的酸化影响土壤肥力和微生物活动，造成所种植紫穗槐的长势缓慢。而一些偏碱性和含盐量较高的煤矸石充填复垦应用后，还可能引起接触层土壤发生盐化[36]。煤矸石自身多含有重金属[53-55]、有机污染物质[56-58]。虽然Wang等[37]对煤矸石中的Pb、Cd、Hg等主要有害物质的含量进行研究，发现低于《农用粉煤灰中污染物控制标准》(GB 8173—1987)，不会对土壤造成危害，但其存在的污染物风化释放[59-60]及富集风险[61-64]问题不容忽视。研究显示煤矸石存在污染矿区土地与水的问题[16,59,65-75]，其会造成矸石山周边表层土壤中的Zn、Pb、Cr、Cu、Ni含量较高[76-78]。郎朗等[79]研究表明，水稻籽粒和秸秆中重金属含量随煤矸石配比浓度的增加而升高。且秸秆的综合污染指数较高。Wang等[63]研究发现，矸石场地土壤中铅含量低但植物(水稻)中的含量达到0.38 mg/kg，超过允许值(0.2 mg/kg)。因此，煤矿区的复垦工程中需要关注煤矸石引起的污染对植物的毒害作用[16-17，55，80-81]。煤矸石也具有污染修复的应用潜力。王兴明等[82]研究表明，煤矸石可对铜尾矿砂中Zn、Pb、Cd和Cu产生一定稳定化作用。在土壤呼吸方面，牟守国等[83]研究了以煤矸石为充填物复垦采煤沉陷地后的土壤呼吸状况，结果表明，煤矸石充填土壤标准呼吸率[8.35 μmol/(m2·s)]略高于对照土壤标准呼吸率[8.04 μmol/(m2·s)]。

综上可知，煤矸石具有土壤改良应用的潜力，进而可大规模消纳煤矿生产过程产生的煤矸石；但因不同煤矸石中污染成分、酸碱属性较大等问题的存在，其直接的土壤化大规模应用仍面临许多问题与不确定性，亟需借助新方法、新思路开发新技术来加以解决。

1.2 煤矸石复合材料土壤改良应用

煤矸石单独应用往往存在土壤改良与植被生长促进作用不明显等问题，因而其较少单独在土壤改良中使用[32]。施龙青等[35]研究认为，煤矸石发挥对低产田的有效改造作用需配施粪便、草木灰等有机肥料。郑永红等[36]建议要采取平衡施肥和适当的农业措施来提升煤矸石复垦土壤的肥力水平。

为进一步增强煤矸石土壤应用效果，在应用中配施其他功能材料是主要途径。粉煤灰作为一种煤基废物是较为常用的煤矸石土壤应用配合材料，其余材料还包括有机肥、作物秸秆、聚丙烯酰胺(polyacrylamide，PAM)、菌剂等。Wang等[84]通过研究煤矸石与飞灰对土壤水分性状的影响，建议将两者联合使用以达到更接近土壤的质量效果。张汝翀等[85]研究了煤矸石绿化基质对白三叶草生长及其抵御重金属污染的影响，结果表明，煤矸石与土壤、PAM、粉煤灰、玉米秸秆按照一定比例混合后的植物生长基质效果最好。而周昊等[86]研究认为，污泥、粉煤灰、煤矸石与土壤质量配比为5%∶20%∶15%∶60%的处理为种植白三叶的最佳方案。Du等[87]的研究显示，煤矸石与土壤按照1∶1配置(配合秸秆、粉煤灰、保水剂等材料)可以改善矿区土壤的养分状况。秦琪焜等[88]研究发现，煤矸石(粒径大小≤8目)与城市污泥按照1∶1体积配比制备的植生基质保水保肥性最佳。张超英等[89]开展的土壤水分物理性质研究显示，混施生物炭和保水剂比单施生物炭或保水剂更能提高煤矸石基质的保水性能和入渗性能。宋慧平等[90]研究显示，煤矸石与水泥掺混制取多孔材料配合鸡粪、风化煤等辅料可改善土壤结构、提升土壤肥力。张变华等[91]研究表明，施肥可提高煤矸石填埋区复垦土壤养分含量，改变土壤中真菌群落结构。煤矸石充填复垦往往会因改变土壤理化性质而引起土壤细菌群落多样性、丰富度低于普通耕地[92]，而一些适宜的微生物可利用煤矸石来生长代谢，同时提高煤矸石的风化程度及煤矸石的可溶性营养元素，进而促进煤矸石复垦利用[93]。程昊天等[94]研究显示，接种菌剂可促进煤矸石基质熟化，对紫花苜蓿具有良好的促生作用。Motesharezadeh等[95]研究发现，煤矸石与丛植菌根真菌联合使用，可以显著改善作物的营养状况，10%煤矸石用量下可取得最好的效果。

2 煤矸石改性及土壤应用研究

2.1 煤矸石改性

因天然的煤矸石结构致密，煤矸石应用于化工生产领域一般需要通过向煤矸石中添加一定量的改性剂，来提高煤矸石的活性[96-98]。研究表明，经处理后的煤矸石所浸出污染物可达到相关标准、减少析出风险，可作为环境友好材料进行使用，达到资源化再利用的目的[33]。改性煤矸石已广泛用于制备吸附剂、橡胶补强填充剂、塑料填充剂[97,99-100]及污水治理[101]等领域。吕游等[101]研究发现，改性煤基活性炭比未改性煤基活性炭对废水中铜的吸附显著提升。张凤娥等[102]以煤矸石和氧化钙为原料，通过热碱改性制备的煤矸石吸附剂在一定条件下对10 mg/L磷酸盐去除率可超过95%。

经改性处理后产品也已在土壤方面的污染修复领域得到研究。尚中博[103]研究发现，巯基改性煤矸石对土壤中的Pb2+、Cd2+、Cu2+等重金属离子的钝化效果较为明显。杨长钰等[104]研究表明，巯基改性煤矸石修复剂添加量为6%～8%、土壤含水率为45%～55%时，其对土壤中Co具有最佳的钝化效果。煅烧也可作为煤矸石改性的一种方式，煅烧后煤矸石因一些组分由结晶态转化为非结晶态而使其化学反应上显示一定的活性[97,105]，使得煅烧后矸石比原材料具有更高的吸附能力[106]。Zhao等[107-108]研究发现，经KOH改性和低温煅烧后的矸石可作为Cd污染土壤的一种有效修复材料。Ye等[109]研究表明，碱性条件下的钙改性煤矸石具有更好磷吸附效果，可以用作复垦区域的填充材料及土壤改良剂。

2.2 煤矸石改性生产肥料及土壤应用

煤矸石可用于生产煤矸石有机复合肥料以及微生物肥料[34]。《煤矸石利用技术导则》(GB/T 29163—2012)[11]给出煤矸石农业使用的两个方向为微生物肥料、有机复合肥料，并对污染物含量、灰分、有机质含量作出要求；其中，生产微生物肥料需要灰分产率小于85%；生产有机复合肥需要煤矸石中有机碳的含量应大于20%。高含碳量煤矸石用于肥料制备将有更好的生态效应，但这样就浪费了其本身热能价值。卞正富等[110]研究认为，含碳量>20%的煤矸石具有很大的能源潜力(大于8.36 MJ/kg)，适合首先于作能源燃料，并且有机碳含量在6%～20%(发热量介于3.34～8.36 MJ/kg)的煤矸石，也可作为矿物燃料掺合料。《煤炭工业环境保护设计规范》(GB 50821—2012)[111]指出含碳量>20%的煤矸石宜用作燃料，含碳量6%～20%的用于生产水泥、砖等建材制品。郭彦霞等[7]研究认为，低碳煤矸石(C含量<15%)可用于生产肥料。

申午艳[112]研究表明，煤矸石制备的硅钾肥基改良剂可改良盐碱地土壤结构，促进盐碱地上的玉米生长。袁向芬等[113]利用巨大芽孢细菌将高硫煤矸石制成肥料的条件，所制备的煤矸石肥料中碱解氮、有效磷、速效钾等的含量比原煤矸石显著提高，可直接施用于土地上来增强土壤的活性。王应兰等[114]利用菌株解离煤矸石制备的煤矸石肥料，其碱解氮、有效磷和速效钾含量都大幅提高并有利于烟草生长。

煤矸石还可利用其含有的有益成分[115]用于制备一些专性肥料。刘信平等[116]利用富硒煤矸石活化制备富硒肥料，结果表明，活化煤矸石硒肥与畜禽粪混合发酵，可以大大提高大蒜对硒的吸收量，且认为有机肥与活化煤矸石硒肥以1∶2比例混合发酵制备的煤矸石硒有机肥是活化煤矸石硒的有效方法。富含硅铝矿物的煤矸石活化后可以用于制备富含微量元素的硅肥[112]。王生全等[117]、谢宵斐[118]研究认为煤矸石硅肥的最佳制备条件为：活化温度700 ℃，煤矸石: CaCO3∶Na2CO3∶NaOH=1∶0.5∶0.1∶0.05，煅烧时间2 h，粒度80目，该条件下制备的硅肥肥效稳定且有害物质含量低于国家标准。

尽管煤矸石制备肥料具有较好的前景，但煤矸石制备肥料仍然存在有机质的固化程度较高、分解转化率不够高、碳源的有效性需要提高、部分无机营养组分含量与作物需求匹配有待提高等问题[33]。田怡然等[33]建议煤矸石在实际生产中应丰富破碎筛分等处理方式，形成系统的制肥工艺。

2.3 煤矸石制备活性炭及土壤应用

煤矸石炭化改性及土壤应用思路来源于煤炭炭化制备活性炭[119-120]以及煤基材料惰性气体保护下的热活化处理[121]。煤炭是工业化生产制备活性炭的主要原料之一，且煤基活性炭是活性炭的主要品种，其具有原料供应稳定、价格低廉、性能优异等优点[122-125]。有学者针对生物质材料与煤的共炭化处理开展了研究。唐庆杰等[126]对比研究了秸秆及牛粪对煤的炭化过程影响，结果显示秸杆对煤炭化产物性能的影响明显优于牛粪，炭化产物经脱灰处理后的吸附性能得到显著提高。煤基活性炭已被广泛应用于污水处理和废气净化等环保领域[127-128]。同时，多种原材料经炭化制备的活性炭、生物炭等在土壤改良与生态修复领域已得到广泛的研究[129-130]。杨峰山等[131]研究表明，煤质活性炭能有效降解溶液及土壤中阿特拉津含量。丁满等[132]研究发现，褐煤基活性炭能显著降低土壤中二乙烯三胺五乙酸(diethylenetriaminepentaacetic acid，DTPA)提取态铅、镉含量，且能提高生菜的地上部生物量。

煤矸石作为一种煤炭开发的副产物可用来作为制备活性炭原料。张明媚等[133]将预处理后的煤矸石和污泥粉料按照60∶40质量比混合，并在N2气氛下于管式炉中550 ℃活化60 min，制备复合基活性炭并用于污水厌氧硝化。张明媚[134]利用碳含量为37.544%的煤矸石和21.324%的污泥制备复合基活性炭，并开展了污水厌氧消化影响研究。乔改瑞等[135]研究了煤矸石经“粉碎-焙烧(600 ℃，2 h，缺氧环境)-活化”后煤矸石的吸附印染废水效应。寇喜寿等[136]将煤矸石及其废渣、石灰粉碎混合均匀，并经轮碾、闷料、制作坯体及干燥处理后，在含CO2的高温废气条件下进行炭化养护，经4～7 d后即成为强度高、性能良好的炭化制品。杜雄伟[137]研究表明，以CO2为活化剂在850 ℃下活化煤矸石24 h，制得的活性炭微孔含量达到最大。

煤矸石经炭化工艺制取材料在生态环境治理领域具有一定的效果。马曰娜等[138]、Wang等[139]将煤矸石作为生物炭的改良材料，把生物炭原料(秸秆)与煤矸石按照2∶1质量比混合后用管式炉生产制备450 ℃及700 ℃改性生物炭，结果显示煤矸石与秸秆混合炭化后制备的改性生物炭，其比表面积、电导率、产率及吸附量都显著增加，改性生物炭可用于水中磷的去除，并可进一步作为富含磷的缓释肥料[139]。周岩梅等[140]研究发现，煤基活性炭对底泥中持久性有机污染物(PAHs)具有良好的修复效果。Tremain等[141]基于生物炭材料理念于提出了煤矿废物制取炭的资源利用策略，并对2种煤炭废物不同温度条件下炭化材料的属性进行了分析，认为600 ℃以上炭化温度制备的炭材料可考虑用于土壤改良研究。

2.4 煤矸石改性制备种植基质

煤矸石还可以用于制备植物育苗、立体绿化用的植物生长基质，该方向也被认为是消纳煤矸石储量的重要途径[142]。柯凯恩等[142]研究表明，煤矸石粉碎粒径、含量及添加堆肥种类均会对基质产品的肥力产生影响，其中煤矸石粒径越小越利于养分释放。邵玉飞等[143]研究发现，煤矸石可部分代替草炭制作水稻育苗基质，其中未经活化处理的煤矸石添加量在38%，而经高温煅烧活化处理后可以增加到80%，大大提高煤矸石的消纳使用量。唐升引等[144]关注到煤矸石物理性状的斥水性以及土壤应用障碍问题，认为可通过掺混湿润剂等改良措施达到在栽培基质中应用的要求。苏迪等[145]研发了一种以煤矸石为主要原料、以水泥为胶凝剂、以铝粉为发泡剂制作煤矸石多孔土壤的技术，所形成的土壤具有保温、透气、保水、抗流失等优点，解决了煤矸石直接应用产生的保水性能差、植物生长效果良等问题。

2.5 煤矸石燃烧副产物及其应用

煤矸石燃烧后的产物(粉煤灰)也可用于土壤肥力改良、土壤污染修复[146-148]。赵旭等[149]研究表明，粉煤灰对盐碱地土壤改良效果优于煤矸石。但粉煤灰的土壤改良效果受限于其有机质、N、P养分不足问题，需要与其他有机材料进行混合施用[150-151]，且煤矸石燃烧产物土壤应用中也需要考虑其中的重金属元素含量及污染问题[147,151]。Ukwattage等[152]研究认为，粉煤灰还可以通过改良土壤促进有机物质腐殖化来产生稳定的土壤碳，进而实现碳汇功能。

3 结论与展望

(1)煤矸石的土壤应用主要是利用其含有有机碳以及植物所需营养元素，已有研究显示了煤矸石单独应用、混合应用以及改性应用下均具有一定的土壤改良效果。综合当前的一些研究成果与技术标准要求，一般有机碳含量在20%以下煤矸石适合用于土壤改良应用，含量在此之上的应充分发挥其燃料能源价值，而其燃烧后的副产物则可进一步应用于土壤改良。

(2)针对有机碳含量20%以下的煤矸石，为进一步实现煤矸石资源的大规模土壤化消纳利用，需要重点解决消纳利用过程中的养分不足、功能效应不显著以及污染风险等问题，并着力突出综合性的生态与经济效益，而改性以及与其他功能材料综合运用是最有潜力的方向。煤矸石土壤化消纳利用的主要研究关注点包括：①煤矸石的炭化改性产品具有稳定的碳含量和良好的吸附等性能，可作为一种生物炭材料在土壤改良中得到进一步的应用，特别是在国家确定碳达峰、碳中和战略目标的背景下；②特异性煤矸石的土壤化高效利用应更加重视，如高硫煤矸石直接或改性应用在盐碱地治理利用具有良好效果。富硒、富硅煤矸石制备专性肥料及其对植物生长的影响应进一步研究；③煤矸石的资源化利用需要关注环境问题以及经济效益问题，评估不同煤矸石所含污染物的土壤富集效应，并采用改性等手段加以前置处理，避免土壤应用后造成污染而增加土壤污染修复治理成本。