煤矸石活化改性及其充填对复垦土壤质量提升效应研究

Aiming at the low quality of coal-gangue-filling reclaimed soil and heavy metal pollution in coal mining area, a complex activation method referring from chemical industry was used to activate the coal gangue to improve its features and functions, and then leaching test and straw-added test were carried out in order to explore the role of activated coal gangue filling in improving the nutrient conditions and reducing the risk of heavy metal pollution of reclaimed soil , the key points are as follows: (1) to analyze the chemical composition, mineral composition and surface structure characteristics of coal gangue under different activation paths, and to compare the differences of pore structure of the filling layers. (2) to compare the retention ability of filling coal gangue to nutrient and heavy metal elements under different activation paths. (3) to analyze the difference of nutrient content, heavy metal content and microbial community in topsoil after activated coal gangue filled under different activation paths. The expected results would reveal the effect and mechanism of activated coal gangue filling on the quality improvement of reclaimed soil, and find the best activation path, so as to effectively solve the main problems existing in coal gangue filling and reclamation, and provide theoretical support for the safe reuse of coal gangue and the improvement of reclaimed soil quality.

针对煤矿区煤矸石充填后复垦土壤质量偏低和重金属污染问题，本项目借鉴化工领域的复合活化方法，对煤矸石进行活化处理以改良其特性和功能，并结合模拟淋溶试验和秸秆添加试验，探明活化煤矸石充填在改善复垦土壤养分条件和降低重金属污染风险方面的作用，重点研究如下：（1）分析不同活化路径下煤矸石化学成分、矿物组成和表面结构特征，并对比其所构成填充层孔隙结构的差异；（2）对比不同活化路径下煤矸石充填对养分和重金属元素固持能力的差异；（3）分析不同活化路径下煤矸石充填后表土养分含量、重金属含量和微生物群落的差异。预期研究结果能够揭示活化煤矸石充填对复垦土壤质量提升作用和机理，并筛选最佳的活化路径，从而能够有效解决煤矸石充填复垦存在的主要问题，为煤矸石的安全再利用和复垦土壤质量的提升提供理论支撑。

煤矸石是煤炭生产过程中的主要固体废弃物，被广泛应用为沉陷区复垦填充材料，但煤矸石难以实现养分固持，表层养分淋溶至填充层后快速流失，造成充填复垦土壤养分含量偏低并进一步影响耕地产能。因此如何切实有效的改良煤矸石，提升其对养分离子的吸附和解吸能力，成为提升煤矸石充填复垦土壤质量的关键，也是亟待解决的科学难题。本项目按照“机械碾磨—高温煅烧—加钙激发”的路径对煤矸石进行活化处理，得到具有不同颗粒大小、不同激发剂类型和不同激发剂pH改性的7种活化煤矸石，并（1）测试活化煤矸石的化学成分、矿物组成、表面结构等特征，对比不同活化路径下煤矸石物质组成和结构特征差异；（2）通过吸附和解吸试验，揭示不同活化路径下煤矸石对有效磷的吸附和解吸作用；（3）通过油菜盆摘培养试验，阐明不同活化路径下煤矸石充填对复垦土壤质量的提升作用。重要研究结果如下：（1）从煤矸石的角度看，细粒径（<2 mm）活化煤矸石（AS-FCG）对磷酸盐的最大吸附量为11.796 mg/g，分别是中粒径（2-5 mm）活化煤矸石（AS-MCG）和大粒径（5-10 mm）活化煤矸石（AS-LCG）和未活化煤矸石（RCG）最大吸附量的4.41，8.16和73.73倍，且AS-FCG样品吸附的磷酸盐具有更好的缓释效果；（2）从激发剂的角度看，碱性条件下制备的加钙活化煤矸石（Al-CG）磷酸盐吸附和解吸效果优于中性和酸性环境制备的样品，并且以CaCO3为激发剂制备的活化煤矸石磷酸盐吸附和解吸效果优于以CaCl2为激发剂制备的样品；（3）活化煤矸石通过物理吸附、静电吸附、离子交换和化学沉淀过程实现磷酸盐的吸附，其吸附能力的提升与水合硅酸钙和钙矾石的生成有关，新生成物提供了更多的Ca2+、Al3+、-OH和更大的比表面积。通过本项目研究，我们优选出煤矸石最佳活化路径，相比于未活化煤矸石，活化煤矸石充填复垦土壤具有更好的农业生产条件，产生更好的经济和生态效益。