劉小銘,艾 鋒,李 強,劉 浪,張瀟逸,雷青青

(1.榆林學院 陜西省陜北礦區(qū)生態(tài)修復重點實驗室,陜西 榆林 719000;2.西安科技大學 能源學院,陜西 西安 710054;3.榆林市固體廢物管理中心,陜西 榆林 719000)

0 引言

礦產(chǎn)資源開采為國家?guī)砭薮蠼?jīng)濟效益,同時對土地、生態(tài)和人居環(huán)境也產(chǎn)生了極大的破壞。據(jù)測算,露天、地下開采每采萬噸煤炭破壞土地面積分別為0.49 hm2和0.27 hm2,排放煤矸石可達2.0～6.1萬m3[1]。以陜西榆林為例,2021年排放煤矸石3 396萬t,如圖1所示,煤矸石廢物兼具“資源”和“環(huán)境”雙重屬性以及污染“源”和“匯”雙重屬性,其無害化和資源化對保護黃河流域生態(tài)環(huán)境和保障高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展意義重大。

圖1 2011—2021年全國和榆林煤矸石排放量Fig.1 Coal gangue discharge of China and Yulin in 2011—2021

從國家政策來講,《煤矸石綜合利用管理辦法》要求堅持“因地制宜,積極利用”的指導思想,加強煤矸石綜合利用技術的開發(fā)和推廣應用,重點發(fā)展煤矸石復墾塌陷區(qū)等大宗用量和高科技含量、高附加值的實用技術。從國內(nèi)外煤矸石的研究來看,側重建材、膠凝材料、土壤改良等方面[2]。從固廢的處置和實踐來看,適宜走一條處置無害化與消納本地化相結合的發(fā)展路徑。為此,依托礦山地上地下充填無疑是大規(guī)模處理一般工業(yè)固體廢棄物的最佳模式,該模式具有修復生態(tài)環(huán)境與節(jié)省土地資源等優(yōu)點,為固廢的處理提供了新的途徑。陜北煤炭開發(fā)以陜北侏羅紀煤田為主,其煤類主要為不粘煤及長焰煤,且煤質(zhì)有特低灰、特低硫、特低磷、富油、化學活性好及熱穩(wěn)定性高的特性,優(yōu)異的煤種導致煤矸石大量排放[3]。根據(jù)調(diào)研,榆林地區(qū)對煤矸石的利用方式主要以填埋和臨時堆放為主,一方面煤矸石并沒有經(jīng)過無害化處理,長此淋溶會導致重金屬離子沉積污染地下水,另一方面還會浪費寶貴的土壤資源。有研究表明,煤矸石肥料本身的吸附性、粘結性和離子交換性等性質(zhì),有利于土壤結構,增加農(nóng)田土壤微生物的生物量,促進土壤-植物系統(tǒng)可持續(xù)。目前關于煤矸石改性用于土壤生態(tài)修復研究側重于利用煤矸石制備土壤化基質(zhì)等方面進行技術突破,取得豐碩的成果。

鑒于此,采用查閱資料、實踐調(diào)研和數(shù)理統(tǒng)計相結合的研究方法,在厘清煤矸石的來源及危害及其基本特性的基礎上,結合陜北實際,系統(tǒng)剖析煤矸石用于生態(tài)修復與綜合利用的研究與應用。

1 煤矸石的來源及危害

煤矸石是煤炭開采和洗選過程中產(chǎn)生的一般工業(yè)固體廢棄物,是煤炭形成期與煤炭相關的低碳巖石,一般分為煤巷矸、自燃矸、巖巷矸、手選矸、洗矸和剝離矸6類。煤矸石呈塊狀和層狀結構,部分煤矸石呈土狀結構,陜北侏羅紀煤田煤層埋藏較淺、煤炭特性為低灰、低硫、中高發(fā)熱量,有著很好的化學特性和熱穩(wěn)定性。目前煤矸石多堆積于礦井口附近,占用大量礦區(qū)工作用地和居住用地,勢必會影響周邊生態(tài)系統(tǒng),甚至造成一定的社會問題[4-5]。例如,柳凱等[6]研究發(fā)現(xiàn)煤矸石在長期堆放的過程中經(jīng)過風化雨淋作用會析出汞、鎵等有害元素極易對土壤造成危害,當下雨時,煤矸石的化學成分會隨著雨水進入土壤和地下水,會影響地下水資源和當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)。尚譽等[7]認為矸石山堆積區(qū)以及周邊土壤的Cd、Pb和Zn元素含量更高,隨著煤矸石自然風化后,大風天氣會將煤矸石的SO3、CO等有害氣體排至大氣中,降低空氣清潔度,污染生態(tài)環(huán)境,對人體造成極大危害。

2 煤矸石的特性分析

2.1 煤矸石礦物組成

煤矸石常見的礦物成分以硅酸鹽類、粘土礦物和石英為主,還伴有硫化物、鋁土礦物以及一些少量的金屬礦物[8-10]。由表1可以看出,陜北侏羅紀煤田煤矸石中普遍存在高嶺石、石英2種晶相礦物,其他存在的晶相礦物包括伊利石、綠泥石、白云母、長石、黃鐵礦、菱鐵礦、赤鐵礦、方解石等,石英、正長石、普通角閃石、普通輝石屬于硅酸鹽類,高嶺石、蒙脫石、水白云母屬于黏土礦物,方解石、白云石菱鐵礦屬于碳酸鹽類,黃鐵礦、白鐵礦屬于硫化物,水硬鋁礦、水軟鋁礦、三水鋁礦屬于鋁土礦[11]。

表1 陜北侏羅紀煤田某煤礦煤矸石礦物組成

2.2 煤矸石物理特性

煤矸石的物理性質(zhì):煤矸石與煤系地層共生,是一種低碳堅硬的灰黑色巖石。陜北侏羅紀煤田煤矸石的密度為1.5～1.8 g/cm3,密度的大小是影響土壤入滲率的重要指標[12]。含水率為5.87%～6.82%,矸石含水率的變化會影響土壤的結構[13]。發(fā)熱量為3.62～4.54 MJ/kg,矸石的熱值高低影響煤矸石能否被有效轉換為能源,矸石的熱值越高,其能源利用效率也就越高[14]。燒結溫度為1 050～1 070 ℃,堆積密度為1.01～1.03 g/cm,煤矸石的燒結溫度與堆積密度的高低是制備建筑材料的重要影響因素[15-16]。陜北侏羅紀煤田某煤礦煤矸石主要物理性質(zhì),見表2。

表2 陜北侏羅紀煤田某煤礦煤矸石主要物理性質(zhì)

2.3 煤矸石化學特性

煤矸石的化學成分隨巖石和礦物組成變化而存在差異,是評價煤矸石性質(zhì)、決定矸石利用途徑的重要依據(jù)。選取陜西省榆林市6個煤礦進行研究,發(fā)現(xiàn)煤矸石的化學成分主要是SiO2和Al2O3,其次包括Fe2O3、CaO、MgO等氧化物和微量元素,見表3。其中SiO2的含量介于40%～65%,Al2O3介于20%～45%,Fe2O3、CaO和MgO的含量介于0.5%～3%、0.2%～0.5%和0.3%～1%。

表3 陜北侏羅紀煤田煤矸石的主要化學成分含量

2.4 煤矸石環(huán)境特性

陜北侏羅紀煤田煤層埋藏較淺、開發(fā)難度較低,煤炭特性為低灰、低硫、中高發(fā)熱量,有著很好的化學特性,且熱穩(wěn)定性較高[17]。采用抽樣方法,選取榆林市10個典型煤礦,榆林市煤矸石的重金屬是否會對環(huán)境產(chǎn)生風險,煤矸石環(huán)境污染的風險評價選擇為潛在生態(tài)危害指數(shù)法,結合煤矸石評價元素的背景值(表4)、毒性系數(shù)及有害元素的潛在生態(tài)風險因子,可以看出Cd元素,Cu、Cr、As、Pb、Zn元素都處于合理的安全值;從潛在生態(tài)風險因子得出,各元素的潛在生態(tài)風險因子RI均處于安全值內(nèi),說明這些元素并沒有嚴重的生態(tài)風險。

表4 煤矸石評價元素的背景值、毒性系數(shù)及有害元素的潛在生態(tài)風險因子

3 煤矸石資源化利用現(xiàn)狀

國家發(fā)改委等部門印發(fā)的《關于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導意見》明確指出,到2025年,煤矸石綜合利用率需達到60%以上。目前關于煤矸石的利用聚焦在能源發(fā)電、生態(tài)修復和建材利用領域。

3.1 煤矸石摻燒協(xié)同工業(yè)發(fā)電

榆林煤矸石的灰分達40%～70%,發(fā)熱量為3.55～6.13 MJ/kg?？梢猿浞掷妹喉肥瘍?nèi)的熱值進行發(fā)電,提高能源的轉化利用率[18],是榆林煤矸石利用的主要途徑。煤矸石發(fā)電不僅會有力地緩解區(qū)域性用電緊張問題,而且發(fā)電產(chǎn)生的灰渣,還可以進行二次利用,用于制備建材,農(nóng)業(yè)肥料等。中國矸石發(fā)電技術經(jīng)過多年發(fā)展,在鍋爐燃燒、環(huán)保技術等技術方面已經(jīng)取得了長足的進步,發(fā)電技術也已趨于成熟,循環(huán)流化床鍋爐處理能力已達240 t/h,熱效率提高5%～15%[19],連續(xù)運行時間超2 000 h,脫硫率85%～90%。每燃燒1 000萬t煤矸石,減少排放SO224～38萬t、少占地20 ha。榆林煤矸石的利用主要以發(fā)電為主,目前榆林地區(qū)的矸石發(fā)電廠接近20座,總裝機容量達到4 000 kW[20]。

3.2 煤矸石回填協(xié)同地質(zhì)環(huán)境治理

榆林市域共有各類煤礦251處,原煤產(chǎn)量達到5.71億t,占全國產(chǎn)量的12.4%,已形成大量采空區(qū),造成嚴重的水土流失與土壤沙化,使原本脆弱的生態(tài)系統(tǒng)變得更加敏感。煤矸石采空區(qū)充填成為大規(guī)模處理一般工業(yè)固體廢棄物的最佳模式。例如,神東礦區(qū)近年來開展和創(chuàng)新無巖巷布置技術,由原來1 t煤出矸率的20%下降到5%,實現(xiàn)從開采源頭減少煤矸石的產(chǎn)出。同時在井下利用廢棄礦道作為矸石的充填空間,并在永久煤柱內(nèi)開展貯矸硐室充填技術,做到以矸換煤,且矸石不出井就可被處理,創(chuàng)新井下矸石處理技術[21-22]。用煤矸石充填采煤沉陷積水區(qū),復墾耕地是采煤沉陷區(qū)土地復墾的主要技術之一,它既可以解決沉陷區(qū)填充物不足的難題,又恢復了土地,同時也處置了礦山固體廢棄物,減少固體廢棄物對土地的壓占破壞,一舉多得,經(jīng)濟社會和生態(tài)環(huán)境效益頗高。近年來,神東礦區(qū)針對當?shù)靥赜械耐寥赖刭|(zhì)條件在沉陷區(qū)采用直接復墾或者薄覆蓋復墾2種方式:直接復墾需要選擇比較健壯的樹種,同時要帶土移植,且這類樹苗要具備一定的養(yǎng)分,可以在培養(yǎng)基里面快速生長,這樣才能更好地適應煤矸石充填復墾后的土地;薄覆蓋復墾是把表土覆蓋在煤矸石上,這種方法可以很好解決直接播種草籽保苗難的問題,但要注重后續(xù)栽培等問題[23]。神東礦區(qū)利用矸石回填交叉,灌漿防漏,有效地復墾沉陷區(qū),使得原本的廢棄土地得以重新種植農(nóng)作物,有效地減少矸石堆放的費用,這種矸石充填深埋復墾造地技術針對榆林當?shù)赝寥赖刭|(zhì)條件,創(chuàng)造了陜北特有的生態(tài)復墾模式。用榆林市某煤礦煤矸石測試法,見表5,得出總浸入體積、孔面積、表觀密度和孔隙率增大,孔徑和堆積密度變小,說明得到的活化土結構更有利于保水透氣,適宜植物生長。

表5 榆林市某煤礦煤矸石測試(壓汞法)

3.3 煤矸石破碎協(xié)同土壤生態(tài)修復

煤矸石含有40%～65%的SiO2,通過激發(fā)其活性可制備植物易于吸收的硅肥。申午艷[24]將煤矸石與草木灰進行煅燒合成硅肥,通過實驗得出硅肥對農(nóng)作物的生長以及鹽漬化的改善有較好效果。榆林屬于干旱半干旱地區(qū),土地風沙化和鹽漬化現(xiàn)象嚴重,利用煤矸石生產(chǎn)的硅肥可提高土壤滲透性,增加土壤的保水保肥能力,改善土壤團粒結構,有助于改善土壤板結、沙化、鹽堿化,減輕土壤重金屬污染等[25-26]。煤矸石中有機物含量相對較高,摻雜相應數(shù)量的煤矸石可改善土壤環(huán)境,改善土壤的空隙,提高土壤微生物活力[27-28]。因此,煤矸石可作為一種很好的改良土壤材料,尤其在對榆林的沙質(zhì)土、鹽漬土的土壤改良中可以起到很好的作用。例如,高國雄等[29]于1997年在毛烏素沙地金雞灘煤礦區(qū)流動沙地上布設煤矸石沙障固沙試驗,結果顯示將煤矸石鋪在地表,既能增大地表粗糙度,降低風速,減輕風蝕,也能提高土壤水分和有機質(zhì)。張宇航等[30]將不同用量和不同粒徑的煤矸石施用于鹽堿土壤,結果發(fā)現(xiàn)煤矸石在20%用量下,小粒徑和混合粒徑在處理鹽堿地土壤還有植物的生長效果最好,這為榆林土壤鹽堿綠化以及煤矸石資源化利用提供技術性指導和理論基礎。榆林地區(qū)的沙性土壤分布廣泛[31],而無論是洗選矸石還是掘進矸石,均以黏土礦物為主,粉碎或風化后就是粘性土,含有植物生長需要的腐殖酸。煤矸石用于沙地土壤質(zhì)地改良應是榆林市煤矸石利用的新途徑,也是2023年榆林市印發(fā)《關于榆林市支持固體大宗廢物綜合利用管理辦法》重點支持的產(chǎn)業(yè)方向之一。李全聲[32]開展了以表土、煤矸石、巖土剝離物、粉煤灰為原材料的礦區(qū)重構土壤配比研究、室內(nèi)土壤盆栽試驗研究、固廢含量對重構土壤植物生長特征的影響研究等成果內(nèi)容,可為榆林市煤矸石與沙土混合改良土壤沙性基質(zhì)研究提供借鑒。

3.4 煤矸石制備協(xié)同建材應用

陜北侏羅紀煤田煤矸石含有黏土類、碳酸鹽類、石英等礦物成分,而黏土是制磚的主要材料[21]。且侏羅紀煤矸石發(fā)熱量介于3.55～6.13 MJ/kg適宜生產(chǎn)磚[33]。目前,由于煤矸石的制磚和成熟的生產(chǎn)工藝已經(jīng)有了廣泛的應用領域。沈笑君等[34]將煤矸石和綠頁巖以45%∶55%的質(zhì)量比強力攪拌、加水混勻、混合處理、擠壓成型、干燥焙燒后得到了性能優(yōu)良的煤矸石空心磚。池朋等[35]利用煤矸石和天然砂為主要原料并輔之以粉煤灰、水泥、水、減水劑,在此等配比情況下免燒磚抗壓強度比較高,不易彎折,且性能符合JC/T 422—2007《非燒結垃圾尾磚》MU25標準要求為榆林煤矸石資源化利用提供理論基礎。據(jù)調(diào)研,2020年神木大柳塔煤礦建設雙廟梁磚廠可年產(chǎn)3 400萬塊空心磚項目,一年可以處理25萬t矸石;府谷縣昊田煤電冶化有限公司研究論證自建配套1.2億塊免燒磚廠,拓寬了煤矸石無害化處置和綜合利用發(fā)展的路徑。

4 結論與展望

2021年國家發(fā)改委等10部委印發(fā)《關于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導意見》提出要整合資源,加快能源轉型,推進大型固體廢棄物綜合利用工作,煤矸石作為固體廢棄物應加以生態(tài)化利用,不僅大大提高資源的利用率,而且還可以創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益。2021年榆林市煤矸石年產(chǎn)總量約3 396萬t,綜合利用量926萬t,資源利用率僅27%,生產(chǎn)的速度已經(jīng)遠遠大于利用的速度。近年來,礦區(qū)大面積采空沉陷引起的水土流失、煤矸石大量外排堆放造成的土地占用、生態(tài)環(huán)境破壞等諸多問題,積極開展“生態(tài)修復”工作勢在必行[36]。利用廢棄的煤矸石作為填充物,復墾造地,發(fā)電,改善土壤環(huán)境,生產(chǎn)建筑材料,既有利于解決煤矸石堆存堆放、保護環(huán)境和減少水土流失問題,又可增加耕地面積,造福當?shù)厝罕姟?/p>

政府在科技創(chuàng)新導向上應該扶持鼓勵企業(yè)高校并加大關鍵技術研發(fā)投入力度,建立基礎研發(fā)平臺,依托高校和科研院所,加大關鍵技術共性攻關,推動矸石綜合利用產(chǎn)業(yè)的高端化,助力固廢綜合利用技術裝備的研發(fā)、整合和應用。在政策法規(guī)激勵機制導向上,建立健全大宗固廢綜合利用法規(guī),以達到政策的長效性,完善資金引導、質(zhì)量標準、數(shù)字化市場等高效服務平臺的標準體系建設,標準體系的建設助力于提高榆林矸石的市場競爭力;協(xié)同發(fā)展是榆林市固廢綜合利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式,目前榆林市對煤矸石的利用規(guī)模小,多企協(xié)同處置也比較少,政府鼓勵多產(chǎn)業(yè)協(xié)同利用,在產(chǎn)業(yè)協(xié)同上,推進產(chǎn)業(yè)間深度融合,推動跨區(qū)域協(xié)同利用。

創(chuàng)新管理方式,利用現(xiàn)代化信息技術手段,逐步實現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+大宗固廢”的協(xié)同管理模式;在資源配置上,鼓勵社會力量開展大宗固廢綜合利用交易信息服務,提高資源配置效率,進一步開拓煤矸石農(nóng)業(yè)土壤質(zhì)地改良與復墾新方向,增加煤礦井下煤矸分選及地下充填處置新途徑,拓展煤矸石充填置換掘采煤炭資源新途徑。煤矸石綜合利用路線如圖2所示。

圖2 陜北侏羅紀煤田煤矸石綜合利用路線Fig.2 Comprehensive utilization route of coal gangue in Jurassic coal field in Northern Shaanxi