大规模处置利用煤矸石等废弃物并治理石漠化的方法与流程

本发明涉及煤基固废大规模处置和利用以及石漠化治理方法和生态修复技术领域，尤其涉及一种大规模处置利用煤矸石等废弃物并治理石漠化的方法。

背景技术

煤矸石是煤炭采选过程中排出的典型固体废弃物。我国是煤炭生产大国，每年各地排放巨量的煤矸石堆积成山、难以消化，目前已累计堆存煤矸石几十亿吨，规模巨大，堆排量仍然以惊人的速度在增加。煤矸石的堆存不仅大量占用土地，易形成扬尘、水土流失、泥石流、滑坡和崩解等人为灾害，而且严重污染环境，对人们的生活与健康造成了严重影响。目前，我国煤矸石的实际处置利用率较低，亟待大规模处置。粉煤灰和脱硫石膏主要是燃煤电厂排放的细粒固体废弃物，也属于煤基固废，每年排放量巨大，长期堆放不仅占用空间，而且严重污染环境。无论是煤矸石、粉煤灰或脱硫石膏，目前有几十甚至上百种处置利用方法，国家也大力推进其综合处置和利用，其中包括将其制成土壤肥料、无土栽培基质、治理盐碱地、道路应用、制造岩棉、提取有价金属和高值化利用等。然而，由于成本、源汇的匹配性等各种原因，目前无论单一或者综合的处置利用技术，无论是在全国还是局部地区，都未见到真正实现煤矸石、粉煤灰以及脱硫石膏等煤基固废的大规模处置。低成本、大规模的处置技术、途径或应用场景成为解决这些固废治理的瓶颈问题。

石漠化即地表石质荒漠化，是由于各种因素特别是人为因素造成的地表土壤流失、岩石裸漏，呈现荒漠化的景象，不利于甚至难以适合植物生长。地表石漠化特别是重度石漠化的危害非常严重，首先是土地资源的丧失，进而造成水源难以涵养，农业生产条件和生态环境便进一步恶化，形成恶性循环。石漠化地区还容易发生山洪、滑坡和泥石流等地质灾害。这些问题或它们的叠加可能进一步造成人口、生存、能源和贫困等诸多社会问题。此外，石漠化还与当地人民贫困状况高度相关。石漠化在我国分布比较广泛，尤其多发于岩溶地区，例如我国的南方以及西南地区400多个县区均有分布，涉及省份包括广东，广西，贵州，云南等。当前，我国高度重视石漠化的治理，提出了多种方式、多管齐下综合治理石漠化的治理思路。虽然目前取得了积极的治理效果，但一方面，许多已有的治理比较初步，巩固或根治困难；另一方面，许多地方仍然有大量石漠化地表特别是重度石漠化地表难以得到有效治理。因此，大规模治理石漠化仍然是我国许多地区的迫切需求。石漠化的根源在土，根治措施也在土。对于有土的轻度石漠化地表，防治的核心是防止水土流失。对于重度石漠化地表，如果当地有多余的土壤可资利用，可以取土覆盖石漠化地表，然后解决覆土的水土保持的问题。然而，对于我国西南许多山区，缺土是最大的现状，无多余的土可用。对这些地区石漠化的本质就是缺土。关于这些重度石漠化地表的治理，目前尚未见到大规模低成本的造土技术方案和应用实例。

技术实现要素：

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种大规模处置利用煤矸石等废弃物并治理石漠化的方法，具体地说，是针对表土流失严重且范围较大的石漠化地区，若当地或附近土壤稀缺但存在煤矸石、粉煤灰和脱硫石膏等大规模煤基固废时，提供一种既实现石漠化的根本治理，又实现煤矸石等废弃物的大规模甚至彻底处置利用的方法。

本发明的目的是这样实现的：

将煤基固废的大规模处置与石漠化治理相结合，利用煤矸石、粉煤灰和脱硫石膏等煤基固废及/或当地原有的碎石、岩石磨细制造人工土并覆盖于石漠化地表，达到大规模处置这些固体废弃物并实现石漠化治理一举两得的目的。为尽可能降低成本，在技术措施上应尽量减少工作环节，尽可能减少对废弃物的加工改造。

具体地说，本方法的技术方案包括下列步骤：

①确定候选治理场地：对拟治理的石漠化地表用途进行评估，对土壤质地（粒径构成）以及覆盖土层的数量、形式提出需求；

②矸石分选：对堆放的煤矸石按照粒径分选，将矸石细粒组、中粒组以及粗

粒组（包括块石或碎石）从中分离出来，各备造土之用；粒组的划分可根据实际需要或经验积累进行确定，可用其中的一组或多组；

③矸石破碎：当既有煤矸石中细粒组或中粒组占比或绝对数量不足造土占比要求或用量需求时，将粗粒组煤矸石破碎成细粒组或中粒组；

以上两步是针对现有矸石堆，为处理将来新产生的煤矸石，可在洗煤厂生产环节增加对煤矸石的破碎、分选要求，可较低成本直接按需形成细粒组、中粒组以及粗粒组煤矸石；

④粒料预处理：根据化验分析结果，将矸石、粉煤灰、脱硫石膏粒料中的重金属等有害物质进行预处理；

⑤通过混拌制作人工级配混合土；通过以上环节得到的混合土称为“生土”；综合考虑人工级配土的目标用途，确定人工土的质地，即确定矸石、粉煤灰、脱硫石膏以及有机垃圾的用料组成、粒径组成，然后通过混拌制作人工级配混合土；

为保证混合均匀并提高效率，应设专门混料装置；在混料初期各物料组分需保持干燥状态，即先进行干混；在混匀后，为防止粉尘，适当喷水雾加湿，加湿量以混料不形成板结为原则；

矸石土粒径较大，作为生土的粗骨架，确保孔隙性，粉煤灰和脱硫石膏为细粒土，拌和在一起形成良好级配；考虑到煤矸石后续的自然崩解，在初期可提高粗粒径含量；此外，在此环节，也可将土壤肥料以适当的比例参与掺混，起到肥化生土的作用。

⑥石漠化地表预处理：首先确定候选治理场地，然后针对该场地进行“查漏补缺”和预处理，排除地面漏水通道，或对这类通道进行封堵、防渗处理；为防止土壤滑动，可设置拦土设施；为防止雨季遇水过量导致堆土流失，可设置排水设施；

⑦生土覆盖：将生土覆盖于石漠化场地地表；为防止风吹扬尘，用纱网或薄膜覆盖土表并用石块压覆防止风吹；

⑧施水：对覆土进行人工或自然降雨施水；

通过以上诸步所得地表覆盖层的养分较少、肥力较弱，可起到蓄水保水的作用；

⑨熟化：将上述覆盖的土层自然放置，让水分和土壤结构充分渗透、作用和变形，形成结构稳定的土层；

⑩肥化：在人工土熟化的基础上进一步开展耕种利用，需对表层土壤改良，包括对表层耕种土层进行耕翻、疏松并施肥。

本发明具有下列优点和积极效果：

①本发明尽量利用了材料的原始状态和自然条件，人工改造环节少，成本低；

②可大规模消除煤基固废，彻底治理煤矸石大规模堆放问题，解除安全和环境污染隐患；

③实现石漠化地区彻底的生态治理，可恢复绿地青山，进一步实现复耕复垦和农业种植，增加经济效益甚至起到脱贫致富的作用；

④可与其他有机废弃物结合利用，从而进一步带动其他废弃物的治理；

⑤可在一个地区形成生态循环经济。

附图说明

图1是石漠化地表局部覆土结构；

图2是人工级配混合土材料及其结构；

图3是石漠化地表大范围覆土结果实例剖面；

图中：

1—地面；

2—粗级配层[粗粒煤矸石+粉煤灰]；

3—中级配层[中粒煤矸石+（粉煤灰+脱硫石膏）]；

4—细级配层[细粒煤矸石+（粉煤灰+脱硫石膏）]；

5—脱硫石膏；

6—细粒煤矸石；

7—中粒煤矸石；

8—粗粒（含块状）煤矸石；

9—原有块石；

10—粉煤灰；

11—其他岩石或有机废弃物磨细形成的粒料；

12—原地表；

13—粗级配土层；

14—中级配土层；

15—细级配土层；

16—地面原有巨形石块；

17—挡土设施；

18—排水孔；

19—截汇水沟。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、环境特点：

某地区为煤炭基地，长期堆存大量煤矸石亟待处置，同时，区内有多家电厂产出粉煤灰和脱硫石膏；经检验，该地煤矸石、粉煤灰和脱硫石膏不含重金属等有害物质；同时，该地存在重度石漠化区域，且为山地地形，地表有大量裸露石块，急需开展石漠化治理并开展农业生产，开展此技术的试点。

二、结合该地环境特点使用本方法如下：

1、实施步骤①

对石漠化地表用途评估，确定候选治理场地；治理方希望地表处置后能起到储水作用，表层土壤可种植生态草以便起到生态护坡的作用；评估设计后确定覆盖层采用三层级配土层，设计如图1所示，自上而下为：

地面1，粗级配层[粗粒煤矸石+粉煤灰]2，中级配层[中粒煤矸石+（粉煤灰+脱硫石膏）]3，细级配层[细粒煤矸石+（粉煤灰+脱硫石膏）]4；

级配土层的平均粒径递增，表层按照壤土质的搭配物料粒径。

2、针对选定的矸石堆场，实施步骤②

根据现场观察期矸石的粒径分布实际情况，并考虑候选场地的未来农业种植用途，将矸石筛分为三组，即细粒组（定为直径<2mm），中粒组（范围定为2mm<直径<5mm），剩下的直径>5mm的皆是粗粒组（包括块石或碎石）；由于矸石经过长期堆放，多处于风化破碎状态，故不实施步骤③的矸石破碎；与此同时，平行开展步骤⑥，通过现场勘测，未发现地面存在裂缝等漏水通道，无需开展现场地面堵漏处理。

3、对当地的粉煤灰、煤矸石和脱硫石膏进行化学分析，未发现存在重金属等有害物质，无需进行预处理，实施步骤⑤，通过混拌制作人工级配混合土，图2所示为人工级配混合土材料及其结构示意图；

包括：脱硫石膏5、细粒煤矸石6、中粒煤矸石7、粗粒（含块状）煤矸石、原有块石9、粉煤灰10、其他岩石或有机废弃物磨细形成的粒料11；

第1土层不在分选现场预先混配，而是直接将步骤②分选出来的粗粒组煤矸石运到目标地表直接堆铺，同时洒20%的粉煤灰；

第2土层在分选破碎现场直接混配，按照矸石粗中粒组：细粒组：粉煤灰=5：2：3的质量比例干混配置；

第3土层为表土层，该层将用于种草护坡，参照壤土的质地确定粒径配比，矸石细粒组作为主料，质量比例在50%，以粉煤灰作为细颗粒组，质量占比30%,脱硫石膏为辅料,质量占比20%此外，有机垃圾质量占比按10%，设专门混料装置将其在干燥状态下进行充分混合。

4、开展步骤⑦，图3是地表大范围覆土结果实例剖面，由于地表坡度较大、覆土厚度较高，在覆土坡脚处设置了挡土设施17，由于斜坡较长，利用原有石头墙16作为中间挡土设施，为了防止较大降雨引起土壤流动与土层滑动，在坡脚底部（包括挡土设施底部）设置排水孔18，将多余水量引汇至截水沟中排走。

5、开展步骤⑧，由于当地降雨丰富，采用自然降雨施水。

6、开展步骤⑨，然而交给使用方开展步骤⑩肥化并使用。