煤基固废协同矿山土壤生态修复的理论解析与实践探索——以陕西榆林市为例

摘要：煤炭在开发利用的同时会产生大量的煤矸石、粉煤灰和煤泥等煤基固体废弃物。据测算，露天、井采每采万t煤炭破坏土地面积分别为4.9×10-3km2和2.7×10-3km2，排放煤矸石2.0～6.1万m3；煤转化电每万MW排放粉煤灰500t，煤转化油（气）每万t吨排放气化渣等固体废弃物0.25万t。以陕西榆林为例，2021年排放煤矸石3396万t，粉煤灰1026万t，炉渣506万t。煤基固废通常含有碳、硅、铁、铝等有效成分及少量重金属元素，兼具“资源”和“环境”双重特性以及污染“源”和“汇”双重属性，其资源化利用对生态环境保护和高质量发展具有重要意义。

　　关键词：煤基固废；生态修复；土壤调理剂；解析

　　中国工业固体废弃物一直秉持“减量化、资源化、无害化”的处理原则。例如，《粉煤灰综合利用管理办法（2013）》《煤矸石综合利用管理办法（2015）》积极支持粉煤灰/煤矸石的科学研究、技术开发、先进技术推广和科学普及，重点发展粉煤灰/煤矸石复垦塌陷区等大宗用量和高科技含量、高附加值的实用技术。《“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》（发改环资[2021]381号）也明确推进煤矸石和粉煤灰在塌陷区治理、矿井充填以及盐碱地、沙漠化土地生态修复等领域的利用，为区域煤基固废协同矿山生态修复实践探索提供了政策指引（曹馨等，2022）。从社会–经济–自然复合系统角度出发，能源聚集区针对固废量大面广和矿山生态受损严重的实际，亟需发展多元化的创新措施，形成具有地方特色的适用技术和产业模式，其中煤基固废跨产业、资源化梯级利用成为破题关键（李国政，2019；田超，2022）。有研究发现，煤基固废改性制备的土壤调理剂修复矿山土壤生态环境为矿区复垦土地的高效化治理提供了可能，不仅能够改善矿区困难立地条件（盐碱、沉陷等）的土壤理化性质，同时有助于提升植被的修复效率和质量，达到“以废治废”的目的（孙艺香，2021；宋慧平等，2022）。

　　为此，笔者基于“理论解析–案例研究–协同治理”思路，在系统分析陕西榆林工业固废与矿山生态受损的基础上，引用案例全面解析了煤基固废改性制备土壤调理剂协同矿山生态修复的理论方法支撑。为北方能源型城市煤基固废协同生态修复研究提供科学支撑。

　　一、榆林市工业固废与生态受损特征

　　1.1   煤基固废概况

　　近十年来，榆林市工业固废呈快速增加趋势（图1），2021年排放量5668万t，居全国第四，其中煤基固废主要包括煤矸石和粉煤灰，量大面广的工业固废堆存易于造成堆场周围水、土、气及生物生态系统污染。根据笔者调研，榆林市固废综合利用率低于40%，远远低于国家固废综合利用要求的73%，以及国家固废综合利用率平均值的59%。其次，工业固废综合利用产业规模小，且缺少高附加值综合利用项目。三是工业固废综合利用鼓励支持政策不够，企业主动性不强，市场活力不足，其产业可持续性受到极大挑战。

　　1.2  生态受损特征

　　煤矿开采对土地损毁表现为2个方面：①对土地的挖损和压占，主要涉及采场、排矸场、井场和固废堆放场（胡振琪，2019；卞正富等，2020）。据统计，榆林市采矿活动占用土地面积为4541km2，损毁土地资源面积为1116km2，地面塌陷面积为1001km2。②对地形地貌的破坏，矿山露天开采破坏地形地貌景观面积为18.30km2，固体废弃物堆存占地面积为15.73km2。根据全国第五次荒漠化和沙化监测结果，榆林市目前沙区有2000km2的残破林地亟需改造复壮，1000km2的防护林网亟待更新，中度以上退化草地面积为2400km2。可见，随着能源化工开发强度的增加，土地的挖损和地形地貌的破坏与煤基固体废弃物对土地的压占日益严重，加之区域林草地的自然退化，使得已逆转的土地面临二次沙化风险，亟待探索因地制宜的土壤生态修复路径（况欣宇，2020）。

　　二、煤基固废协同生态修复可行性解析

　　2.1理论解析

　　国内外固废利用的研究侧重固废型建材（Mkahaletal.，2021）、胶凝材料（刘浪等，2021）、土壤改良和吸附材料（李强等，2023）等方面。有研究发现，从固废的处置和利用实践视角，适宜走一条处置无害化+消纳本地化相结合的发展路径（刘艳丽等，2022）。在固废的负面环境效应方面，宋慧平等（2022）对固废为主要基质制备的土壤调理剂及应用进行了全流程重金属安全性评价，发现重金属含量均符合国家标准的限定值。为此，依托矿山成为能源富集区大规模处理一般工业固体废弃物的最佳模式，该模式具有修复生态环境与节省土地资源等优点，为固废的处理提供了新的途径。例如，郑瑞伦等（2023）认为人工技术土壤是利用有机和无机固体废弃物创造的用于种植植物的新土壤。王蒙（2021）发现煤矸石肥料本身的吸附性、粘结性和离子交换性等性质，有利于土壤团聚体的形成。马淑花等（2021）、艾锋等（2023）发现粉煤灰基调理剂可以增加土壤微生物的多样性，促进土壤团聚体的形成，更利于植物的根系呼吸和土壤-植物系统可持续性。

　　2.2技术方法

　　从“植物→煤→煤矸石/粉煤灰”的转化过程可以看出，煤基固废中含有多种植物所需营养元素，可以显著提升土壤的保水保肥能力及微生物群落的丰度（郭莹莹，2022；关冰，2022）。笔者研究发现，典型煤基固废（煤矸石/粉煤灰）的重金属含量均低于国家农用地土壤污染风险管控标准（GB15618-2018）（表1），且许多地区均有煤基固废在生态修复中的探索与应用（表2）。

　　为此，笔者依据土壤学“质地理论”、农学“测土配方”理论和微生物活化技术，对煤基固废进行结构功能、营养功能和环境功能改造后制备土壤生态修复材料（图2）。由于制备的土壤生态修复材料的原料为煤基材料，用于生态修复输入土壤后，有助于土壤肥力的提升，同时有助于植物地下、地上生物量的增加，进一步实现了生态系统碳汇增长目标。

很好的一篇论文