中科院武汉岩土所：煤矸石等煤基固废人工造土造地的实践与展望

煤基固体废物（以下简称“煤基固废”）是煤炭开采、洗选、加工、燃烧和转化利用过程中产生的固体废物，主要包括煤矸石、粉煤灰、炉渣、脱硫石膏及煤化工固体废物等。煤基固废是典型的大宗工业固体废物，其中又以煤矸石和粉煤灰的规模最大。我国煤矸石已累计堆存60亿~70亿t，每年新增约8亿t[1]；2023年，我国粉煤灰产量达到近9亿t[2]。我国正通过深入推动能源革命助力实现“双碳”目标，但一段时期内，煤炭仍将是我国主要能源和工业原料，因此，预计我国每年仍将新增大量煤基固废。

长期以来，直接堆存是处置煤基固废的主要途径。以煤矸石和粉煤灰为例，煤矸石的堆存形成了大量规模巨大的煤矸石山[1]，粉煤灰堆存形成了许多粉煤灰库。长期不断堆存不仅大量占用土地，还可能污染环境[3-5]。因而，煤基固废综合利用逐渐受到高度重视和大力推进。国家于1994年和1998年先后出台《粉煤灰综合利用管理办法》《煤矸石综合利用管理办法》，于2013年和2014年先后对二者分别进行了修订，明确要求禁止建设永久性堆放场（库），确需建设临时性堆放场（库）的，原则上按占地规模不超过3年储矸（灰）量设计，煤矸石还要求配套后续综合利用方案，这些政策对这两类煤基固体废物的综合利用起到有力推动作用。2018年，工信部制定了《国家工业固体废物资源综合利用产品目录》，推荐了综合利用的途径，如制造水泥、建筑骨料、岩棉、陶瓷、土壤调理剂，提取有价组分等。。2021年，国家发展改革委牵头出台了《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》，进一步强化对包括煤基固废在内的大宗固体废物综合利用的指导和要求。

然而近年来，以煤矸石为代表的大宗煤基固废的产量增加和消纳不足的矛盾日益突出，甚至影响了企业生产，其根本原因是综合利用的规模仍然不足。一些综合利用技术的市场空间有限甚至萎缩，成本过高或经济性不足也可能导致有效的利用难以产生。因此，市场迫切需要能够实现大规模、低成本甚至高效益的技术路线。本文第一作者于2017—2018年在贵州省六盘水市工作期间，提出了人工造土造地技术路线并开展了实践，该技术有望同时实现煤矸石、、粉煤灰、脱硫石膏等大宗煤基固废的大规模消纳和综合利用。本文介绍该技术的提出过程，结合实践介绍对该技术路线的新认识，并提出一些展望和建议。

1.1  研究思路

产业需求是技术创新的动力，遇到煤矸石等大宗煤基固废处置压力时，需洞悉技术突破的具体方向。提出适合不同市场需求且具备产业化、规模化潜力的技术路线是一个创造性过程，与单纯的兴趣驱动的科研创新不同，这一过程需要综合考虑技术、经济及可行性等更多层面因素进行决策。一方面，已经存在许多煤矸石处置利用技术；另一方面，煤基固废处置依然困难。在这种局面下，如何确定更有潜力的解决方案，不仅需要创造性思维，也需要一定的激发条件。在本文人工造土造地技术路线的提出过程中，一是洞察出“大规模”“经济性”才是市场的真正需求，从而确立了新型解决方案的核心价值和正确的攻关方向，即“大规模”“低成本”，而非单纯的高附加值。二是通过反复思考，创造性地将岩石和土壤进行联系，从而将研究方向聚焦于煤基固废向土壤转化，这也是人工造土造地技术路线研发的关键一步。随后通过理论分析和实验验证，证实了该路线在技术上的可行性。三是突破了“天然土到处都是，人造土又用在何处”的思想障碍，即认识到土壤是生态根源，“即使有天然土，人造土也有其独特的价值”，从而保证将该路线持续下去的信心。四是用发展变化的观点突破长期以来形成的煤矸石等煤基固废“污染严重”的认识定论：选煤技术突飞猛进，煤矸石中的有害物质含量有望不断降低。五是开展各种用途的造地，为人造土找到了大规模应用的场景，如生态修复治理、填沟造地等。六是认识到因地制宜地开展人造土应用具有一定的经济性，而且可以通过延长人造土应用的价值链提高收益。

上述6个方面是确保技术持续研发的关键。在研究思路落地时，还需考虑人造土的可种植性、人造土的环境质量，以及结合具体场景的人工造土造地应用技术方案。

1.2  技术路线

煤基固废人工造土造地包括人工造土和人工造地两个部分，前者是将煤矸石等煤基固废制作成人造土材料，后者是将人造土材料应用于造地。为了模仿天然成土过程，并实现类似天然土壤的功能，该技术路线包括材料评价、分选、破碎、处理、配比、改良和成土等关键环节，其基本流程见图1。基于本技术路线和实践，关于造土原料、造土工艺和环境质量要求的技术规程已经形成征求意见稿[6]。

图1  人工造土基本流程

煤基固废人工造土的原理可以概括为“人工风化”，即模拟岩石自然风化成土过程，通过物理、生物、化学及各类技术手段加速风化成土。分选、破碎、配比和改良均属于人工风化过程。该技术的目标是将岩石等原料快速转变成与天然土壤具有相似成分、结构和功能的人造材料，因而与自然风化过程形成的天然土壤相比，上述人造土也可称为“人工风化土”。

从技术创新事后回顾来看，利用技术手段形成可种植材料的理念早已存在。一种是人工土，如文献[7]指出的，“所谓人工土，实质是化学土，其原材料为有机化学物质（如脲醛、聚氨酯、酚醛等）”，这种人造土的特点是合成出新的物质；另一种则是无土栽培领域所称的人工土壤、人造植料、营养土（肥料）、复合土。本文研究的技术与前者具有根本性不同，与后者相比，尽管都是为了制备可种植材料，但具体的理念和工艺过程存在显著差异，本文研究的技术将人造土的主要原料具体化为煤矸石等煤基固废，以人造天然土为成土理念，在工艺上模仿天然成土过程，而且造土原料无须含有天然土壤。从开发人造土的目的来看，本文所研究的人造土技术旨在作为天然土壤的完全替代物或等价物去使用，而不是用于天然土壤的“肥料”或“调理剂”，也不是作为天然土壤的“改良剂”以“基质”的角色存在。技术理念的细微差异通常会导致应用效果、成本等巨大差异。例如，土壤改良剂和人造土在具体制作工艺上可能存在一定共性，但如果只作为改良剂使用，其消纳的规模和速度较为有限，且经济性可能不足。

1.3  技术效益

一旦在认识上取得突破，对技术理念进行外延式的推广将是自然的。造土材料并不局限于煤基固废，其他适宜的固废材料也适用[5]。因此，造土原料的拓展有助于解决许多其他领域的问题，如建筑垃圾、秸秆、天然岩石、冶金尾矿及其他领域的各类固废等都可能作为造土原料，而且有机废弃物、城市渣土、淤泥等都可作为造土辅助材料被带动利用起来。由此可见，各个领域的固体废物处置难题，

通过相互配合人工造土，可实现“负负得正”的效应。因此，人工造土造地技术具有广泛的带动性。此外，由于土壤具有稀缺性，其在矿山生态修复、荒漠化治理及农田建设等各领域都具有广泛用途。人工造土造地的应用场景不局限于石漠化，也可用于其他各类荒漠化的生态治理[5]。一旦将人造土地变成农田，则可以开展高附加值的种植并延伸产业链，具有产生高效益的可能。因此，人工造土造地技术不仅具有较好的生态效益，也具有良好的社会效益。在实现碳中和及绿色低碳发展的背景下，“基于自然的解决方案”（Nature-basedSolution，NbS）的理念与方法正在逐渐渗透到矿山生态修复领域[8]。

利用天然固体废物生产“人造的天然土”并应用于矿山生态修复等场景，正是践行这一理念的具体体现。因此，人工造土造地技术路线具有巨大的多重效益潜力，同时与各类国家战略高度匹配（见图2）。

图2  人工造土造地的潜在效益

2.1  响水矿生态修复示范工程

2.1.1  工程简介

本文主要以贵州盘南矿业公司响水矿庙田矸石山人工造土造地项目为例，介绍造土造地规模化示范效果。该项目由中国科学院武汉岩土力学研究所和贵州盘江精煤股份有限公司合作开展，于2020年选址并开展研究和现场试验。现场试验分为先导试验和放大试验两个阶段实施。文献[9]介绍了该示范工程的先导试验部分，先期造地约1.15亩（约合0.077hm2），利用煤矸石约700t，其他配料合计200余t，种植的黑麦草、猪屎豆等长势良好。在取得初步的成效后，2021年6月，将试验范围扩大至约7.5亩（合0.5hm2），累计使用煤矸石约5000t，其他配料700余t，主要种植了黑麦草、苏丹草、猪屎豆，少量种植了木豆、辣椒、茄子、大豆等作物。

2.1.2  人工造土造地效果

示范工程种植复绿的总体效果见图3。其中，图3（a）为种植复绿前矸石山达到设计标高时的状态；图3（b）为放大试验种植复绿的总体效果，经现场验收实测，总体复绿率达95.8%。人造土地种植的辣椒见图4。辣椒果实经第三方化验，主要重金属含量见表1，数值符合《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2022）的规定。

（a）矸石山复绿前

（b）矸石山复绿后

图3  响水矿煤矸石造土造地种植示范效果

图4  人造土地上种植的辣椒

2024年，对先导试验区人造土中主要重金属含量进行了取样检测，结果见表2，样品pH值为7.42。表中被测土样的重金属含量均小于《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618-2018）规定的风险筛选值，其中铜和锌稍高，但也低于“果园”场景的筛选值。根据《绿化种植土壤》（CJ/T 340-2016）标准，砷、汞、镉、铅含量达到Ⅰ级要求，铬、镍、铜、锌含量达到Ⅱ级要求。由于实际示范面积较大，并且先导试验区和放大试验区造土配比不同，所以不同位置处样品的重金属含量可能会存在差异。

2.2  其他地区实践

人工造土造地技术路线于2017年提出，在开展了初步试验验证后向贵州省六盘水市人民政府提交了《煤矸石等煤基固废大规模处置利用及石漠化治理的措施》[10]，正式在产业上建议了该技术路线，目前已经示范应用的领域包括石漠化治理、矿山生态修复和盐碱地治理。经过7年多的发展，该技术路线的核心原理和主要技术环节已保持稳定。

2018年7-8月，在贵州省六盘水市科技局的项目支持下，在水城区杨梅乡开展了第一个现场试验，利用当地煤基固废造土造地治理石漠化[11]。2018年8月5日完成土方施工，共获取1.5亩（合0.1hm2）人造土地，成功开展了种植复绿，造土造地初步实现以下效益：在煤矸石堆场腾出约3分（合0.02hm2）土地，利用煤矸石约1600t[11]。在响水矿庙田矸石山造土造地生态修复示范研究取得成功的基础上，自2021年以来，贵州盘江精煤股份有限公司火铺矿开展了矸石山规模化造土造地复绿示范工程，并取得显著成效。自2023年以来，贵州能源集团有限公司承担了贵州能源局揭榜项目“贵州省煤矸石造土造地生态修复技术攻关及试点示范应用”，目前项目正在实施过程中，已经取得可喜成效。此外，自2021年以来，先后在内蒙古自治区乌海市、鄂尔多斯市开展了工程示范和产业化实践。

3.1  发展现状

在产业需求侧，煤矸石等大宗固体废物的处置压力不断增加，企业和地方政府对新技术、新方案的需求日益紧迫。在监管侧，在大力推动现有技术发挥更大作用的同时，正倡导煤矸石大宗固废的多途径处置和利用，如大力推动开展煤矸石井下充填，造土造地应用技术路线也正在获得重视。近3年来，市场上关于固体废物人造土的报道不断增加，尤其是近两年的研究专利突然快速增长，一些团体标准也在陆续编制中。从最新的文献资料可见，一些术语被不断提及，如土壤化、地质成土、仿生土等，其实质都是人工造土。与人造土或土壤化有关的专利申请情况见图5，其中包含了营养土（造肥）的专利。

图5  人造土地上种植的辣椒

3.2  发展趋势

已有研究和示范较好地证明了人造土的可种植性以及其在大规模固体废物消纳方面的潜力，该技术正在逐步获得各方认可，面临良好的发展机遇。可能的发展趋势包括：造土原料更加多源，实现“负负得正”；固体废物原料的分级分类不断深化扩大，实现固体废物的精准处理利用；与煤炭洗选、有价组分回收等工艺过程的结合更加紧密，实现综合效益提升；无害化技术得到进一步深入发展[12]；造地应用技术得到进一步研究和规范化；人工造土造地技术与更多应用场景的融合发展。

除了种植用土，非种植用土的需求也在不断产生，如填筑和防渗工程等，这些场景中土的强度、变形、渗透等工程性能更加重要。这一类用于工程建设的人造土被称为人造工程土，而用于种植的人造土被称为人造种植土。按照成因，人造工程土可归为一种新型的特殊土。人造工程土的用途更加广泛，对于提高煤基固废的大规模消纳作用更大，因此，其是下一步的重点发展方向[13-15]。

大规模、低成本、高效益是目前煤基固废处置和利用的核心需求。人工造土造地是一项有望兼顾处置规模和经济性的技术路线，并已获得产业界和学术界的关注和认可。本文通过实践，再次论证了煤基固废造土造地的可行性和应用潜力。随着煤炭行业洗选加工和处理技术的不断进步，煤矸石等煤基固废中的残煤或有害组分正在大幅降低，这为煤基固废的广泛利用提供了有力支撑，但该技术可能存在的环境影响以及政策需求等也应给予重视，并应加强对其应用效果的评价研究工作。

总之，实践表明，人工造土造地具有从根本上解决大宗煤基固废处理问题的巨大潜力，因此，该技术前进的脚步就不应被一些可能的风险所阻挡，因为后者可以通过科技手段不断得到解决。在未来，首先，应动态审视和评估煤矸石等固体废物中有害物及其环境影响，并在此基础上修改制定有关政策措施，促进煤基固废造土造地的应用。其次，在大力推动其在生态修复、土地复垦等领域应用的同时，建议提前布局其在农业及工程建设领域的研发、应用和示范，不断挖掘和发挥其高效益的经济潜力。最后，将人工造土造地应用的理念迁移至更多固体废物类型和更广泛的应用场景，并因地制宜结合具体场景建立不同的技术标准，推动技术大规模产业化应用。

来源： 《环境影响评价》 。