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一种煤矸石基人造土壤及其制备方法与应用

来源：花匠小妙招时间：2025-08-16 02:51

本发明属于固体废弃物处理，涉及一种人造土壤及其制备方法与应用，具体涉及一种煤矸石基人造土壤及其制备方法与应用。

背景技术：

1、煤矸石是一种在成煤过程中与煤层伴生的含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石，其作为采煤过程排放的固体废弃物，年排放量巨大且利用率较低，长期堆存侵占土地，还会析出有害物质渗透到周围土壤或水体中，从而危害生态环境和人体健康。

2、目前煤矸石的主要处理方法为填埋，此外还有发电、工业提炼化工产品、建材制备等处理方法，但上述方法投资大、生产成本高、伴有二次废弃物产生且消耗煤矸石量较小。由于煤矸石中含有机质、磷、钾及多种微量元素，且具有一定的孔隙度、透气以及保水性，目前已作为原料制备农业用有机复合肥、微生物肥、土壤改良剂等。

3、cn 110999753a公开了一种人工生态基质及其制备方法，将煤矸石粉碎，添加微生物菌剂，与植物来源的有机物堆肥，混合均匀，经一段时间熟化，使煤矸石中利用植物生长的养分得以释放。cn 114773116a公开了一种煤基固废制备土壤修复材料的制备方法及应用，该材料主要由炉渣、煤矸石、粉煤灰、污泥、农作物秸秆、保水剂、稳定剂、生物发酵菌种等，经过混掺、干燥、焙烧、混合发酵等步骤制备。以上发明中煤矸石的应用比例较低，仍然无法满足大量消纳煤矸石存量的目的。

4、人造土壤可以替代天然土壤，广泛应用于土壤改良和生态修复过程，是一种潜在需求量极大的功能材料。开发人造土壤技术可以解决土地资源匮乏的问题，用于农业、生态脆弱区人工植被修复、人造耕地、改良土地、改良草场、荒漠化生态重建、绿化荒山、城市绿化等方面。

5、cn 112167005a提供了一种基于淤泥的人造土壤颗粒的制备方法，将淤泥、无机胶凝材料、植物生长营养质、发泡剂和添加剂进行混料处理，得到第一混合物，将第一混合物和水进行造粒处理，得到基于淤泥的人造土壤颗粒。cn114190130a提供了一种用于治理盐碱地的人造土及其使用方法，用各种大宗煤基固废、荒漠沙以及废弃砂土通过人工手段造成质量良好的人造土，以置换不适宜植物生长的盐碱土或与之混合，形成具有种植能力、保水保肥能力、足够营养物质的土壤结构。上述发明需添加大量水泥或土体作为粘结剂并进行人工造粒，工艺较为复杂，还需添加多种辅料和添加剂，原料成本较高。

6、针对现有技术的不足，需要提供一种高效资源化利用、大量消纳煤矸石且无二次污染的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种煤矸石基人造土壤及其制备方法与应用，通过对煤矸石进行无害化、有效养分活化以及结构重造得到人造土壤，所得人造土壤具有较高的保水性与透气性，含有有机质、大量元素、中微量元素以及植物生长所需的氮磷钾等必须元素，可以替代天然土壤进行土壤改良和生态修复，同时可大量消纳煤矸石与粉煤灰等工业固废，实现了资源化回收利用。

2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种煤矸石基人造土壤的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

4、(1)煤矸石经第一破碎与分选，得到低质煤、建筑骨料以及尾矿；所得尾矿经第二破碎与过筛，得到筛下物；

5、(2)混合第一微生物菌种、第一溶剂以及步骤(1)所得筛下物，培养后依次经洗涤与液固分离，所得固相为活化煤矸石；

6、(3)混合活化粉煤灰与步骤(2)所得活化煤矸石，培养后得到所述煤矸石基人造土壤；

7、所述活化粉煤灰由粉煤灰、碳源、第二微生物菌种以及第二溶剂混合培养得到。

8、由于煤矸石多以原生矿物为主，组成比较复杂，本身活性较低且有效成分少，不可以直接施加入土壤，同时煤矸石的质地粘重，粉碎后结构与透水透气性较差，还含有有害物质，因此，本发明将煤矸石进行无害化、有效养分活化以及结构重造进而制得煤矸石基人造土壤。

9、首先通过分选处理将煤矸石中高密度、高硬度的原生矿石和低密度、高碳含量的煤分离，分离出去的部分可以分别作为建筑骨料与低质煤加以利用；得到与土壤的物相组成十分接近的尾矿有利于土壤结构的再造，再进一步添加微生物进行活化培养，一方面微生物可以有效降解煤矸石中的多环芳烃等有机有害物质，同时可降解部分大分子有机物，增加煤矸石中的腐植酸含量，同步实现煤矸石的无害化和有效养分活化；另一方面，添加的微生物在培养过程中可产生有机酸，对煤矸石和粉煤灰进行表面活化，使其颗粒表面的羟基含量增加，颗粒间形成氢键作用，增加颗粒间的作用力；同时微生物活化后煤矸石中腐植酸含量增加，其可与煤矸石颗粒以及体系中存在的高价阳离子形成煤矸石颗粒-多价金属-有机质复合体。以上两种作用均可促进原本分散的煤矸石颗粒之间的相互粘结，使其形成近似天然土壤的团粒结构，实现其结构重造，增加其保水保肥、透气等性能。

10、本发明中通过添加活化粉煤灰可以消除煤矸石粘重的问题，并且粉煤灰为经过燃煤高温燃烧后产生的飞灰，活性较煤矸石高，表面官能团较多，更有利于颗粒间的胶结作用形成团粒，粉煤灰也可以起到作为胶凝材料的作用，促进团粒结构的形成。

11、优选地，步骤(1)所述第一破碎后的煤矸石等效直径＜20cm，例如可以是18cm、15cm、13cm、10cm或5cm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

12、优选地，步骤(1)所述第一破碎的装置包括圆锥破、反击式破碎机、颚式破碎机或锤式破碎机中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括圆锥破与反击式破碎机的组合，反击式破碎机、颚式破碎机与锤式破碎机的组合，或圆锥破、反击式破碎机、颚式破碎机与锤式破碎机的组合。

13、优选地，步骤(1)所述分选所用装置包括传送装置、x射线成像定位装置以及高压气喷吹装置。

14、优选地，步骤(1)所述低质煤的烧失量>30％，密度≤2.4g/cm3，发热值>10mj/kg。

15、所述低质煤的烧失量>30％，例如可以是31％、32％、33％、34％或35％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

16、所述低质煤的密度≤2.4g/cm3，例如可以是2.4g/cm3、2.3g/cm3、2.2g/cm3或2.1g/cm3，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

17、所述低质煤的发热值>10mj/kg，例如可以是11mj/kg、12mj/kg或13mj/kg，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

18、优选地，步骤(1)所述建筑骨料的密度≥2.7g/cm3，例如可以是2.7g/cm3、2.8g/cm3、2.9g/cm3或3g/cm3，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

19、优选地，步骤(1)所述尾矿的密度为2.4-2.7g/cm3，例如可以是2.4g/cm3、2.5g/cm3、2.6g/cm3或2.7g/cm3，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

20、优选地，步骤(1)所述过筛的目数为20-200目，例如可以是20目、50目、100目、150目或200目，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

21、优选地，步骤(2)所述筛下物与第一微生物菌种的质量比为1000:(0.1-0.5)，例如可以是1000:0.1、1000:0.2、1000:0.3、1000:0.4或1000:0.5，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

22、优选地，步骤(2)所述第一溶剂包括水。

23、优选地，所述水的用量为所述混合的物质总量的10-60wt％，例如可以是10wt％、20wt％、30wt％、40wt％、50wt％或60wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

24、优选地，步骤(2)所述第一微生物菌种包括细菌和/或真菌，优选为细菌与真菌的组合。

25、优选地，所述细菌与真菌的质量比为(1-4):(4-1)，例如可以是1:4、2:3、3:2或4:1，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

26、优选地，所述细菌包括分枝杆菌、巨大芽孢杆菌、红球菌属细菌或假单胞菌属细菌中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括分枝杆菌与巨大芽孢杆菌的组合，分枝杆菌、巨大芽孢杆菌与红球菌属细菌的组合，或分枝杆菌、巨大芽孢杆菌、红球菌属细菌与假单胞菌属细菌的组合。

27、优选地，所述真菌包括白腐真菌、黄曲霉、棘孢木霉或哈茨木霉中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括白腐真菌与黄曲霉的组合，黄曲霉、棘孢木霉与哈茨木霉的组合，或白腐真菌、黄曲霉、棘孢木霉与哈茨木霉的组合。

28、细菌与真菌的组合中，所述细菌可以活化煤矸石有益元素，真菌可降解多环芳烃，并且微生物具有风化矿物的作用，能够提高其对煤矸石中多环芳烃等有害有机物的降解转化效果，并增加人造土壤中可被植物吸收的大量元素和中微量元素的含量，实现煤矸石的无害化。

29、优选地，步骤(2)所述培养的温度为20-60℃，例如可以是20℃、30℃、40℃、50℃或60℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

30、优选地，步骤(2)所述培养的时间为10-40天，例如可以是10天、15天、20天、25天、30天、35天或40天，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

31、优选地，步骤(2)所述培养中进行翻动，所述翻动的频率为2-10天/次，例如可以是2天/次、4天/次、6天/次、8天/次或10天/次，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

32、优选地，步骤(2)所述洗涤的液固比为(2-10)l:1kg，例如可以是2l:1kg、4l:1kg、6l:1kg、8l:1kg或10l:1kg，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

33、优选地，步骤(2)所述洗涤包括浆洗或淋洗。

34、优选地，步骤(2)所述洗涤所用洗涤液包括水。

35、优选地，步骤(3)所述活化煤矸石与活化粉煤灰的质量比为(700-999):(1-300)，例如可以是700:300、750:250、800:200、900:100或999:1，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

36、本发明中先将粉煤灰活化后再与活化煤矸石进行混合，由于微生物代谢产生的有机酸量有限，可避免直接混合体系自身稀释了微生物所产有机酸的浓度，从而降低粉煤灰表面羟基的生成量，亦降低了团粒结构形成效果，因此本发明选择将煤矸石和粉煤灰分别活化后再进行混合培养。

37、优选地，步骤(3)所述培养的温度为20-60℃，例如可以是20℃、30℃、40℃、50℃或60℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

38、优选地，步骤(3)所述培养的时间为1-20天，例如可以是1天、5天、10天、15天或20天，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

39、优选地，步骤(3)所述培养中进行翻动，所述翻动的频率为2-10天/次，例如可以是2天/次、4天/次、6天/次、8天/次或10天/次，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

40、优选地，以重量份数计，步骤(3)所述粉煤灰的份数为950-999份，所述碳源的份数为1-50份，所述第二微生物菌种的份数为0.1-0.5份。

41、粉煤灰具有较高的毛管孔隙结构，具有保水的功能，且粉煤灰活性较高，培养中加入粉煤灰更有利于成土过程中形成团粒结构。粉煤灰颗粒表面光滑，使用前先进行活化可增加表面羟基官能团，从而加速人造土中团粒结构的形成。

42、所述粉煤灰的份数为950-999份，例如可以是950份、960份、970份、980份、990份或999份，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

43、所述碳源的份数为1-50份，例如可以是1份、5份、10份、20份、30份、40份或50份，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

44、所述第二微生物菌种的份数为0.1-0.5份，例如可以是0.1份、0.2份、0.3份、0.4份或0.5份，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

45、优选地，步骤(3)所述碳源包括活化煤矸石和/或有机肥，优选为活化煤矸石或活化煤矸石与有机肥的组合。

46、本发明中粉煤灰利用微生物菌种进行活化，需要提供微生物生长所需要的碳源，所述有机肥主要提供微生物生长代谢过程中的碳源，活化煤矸石中一般含有5％-30％的有机物，因此也可以替代或部分替代有机肥。

47、优选地，所述活化煤矸石与有机肥的质量比为(30-49):(1-20)，例如可以是30:20、35:15、40:10、45:5或49:1，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

48、优选地，所述有机肥包括秸秆、牛粪、羊粪、油渣、酒渣、醋渣、药渣或动物皮革中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括秸秆与牛粪的组合，羊粪、油渣与酒渣的组合，油渣、酒渣、醋渣、药渣与动物皮革的组合，或秸秆、牛粪、羊粪、油渣、酒渣、醋渣、药渣与动物皮革的组合。

49、优选地，步骤(3)所述第二微生物菌种包括枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、侧孢芽孢杆菌、解磷解钾菌或固氮菌中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括枯草芽孢杆菌与地衣芽孢杆菌的组合，侧孢芽孢杆菌、解磷解钾菌与固氮菌的组合，枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌与侧孢芽孢杆菌的组合，或枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、侧孢芽孢杆菌、解磷解钾菌与固氮菌的组合，优选为枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌与侧孢芽孢杆菌的组合。

50、将粉煤灰中有益成分活化的第二微生物菌种，在微生物代谢过程中可以产生更多的有机酸，促使粉煤灰表面产生更多的羟基，进而促进其与煤矸石结合时团粒结构的形成，优选的第二微生物菌种的组合，其活化效果更优。

51、优选地，所述枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌与侧孢芽孢杆菌的质量比为(1-3):(1-2):(1-2)，例如可以是1:1:1、2:1:1、3:1:1、1:2:1、1:2:2、2:2:1或3:2:2，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

52、优选地，步骤(3)所述第二溶剂包括水。

53、优选地，所述水的用量为所述混合培养的物质总量的10-60wt％，例如可以是10wt％、20wt％、30wt％、40wt％、50wt％或60wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

54、优选地，步骤(3)所述混合培养的温度为20-60℃，例如可以是20℃、30℃、40℃、50℃或60℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

55、优选地，步骤(3)所述混合培养的时间为10-40天，例如可以是10天、15天、20天、30天或40天，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

56、优选地，步骤(3)所述混合培养中进行翻动，所述翻动的频率为2-10天/次，例如可以是2天/次、4天/次、6天/次、8天/次或10天/次，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

57、优选地，步骤(2)所述混合与步骤(3)所述混合培养的原料中还包括养分。

58、优选地，所述养分包括氮肥和/或磷肥。

59、优选地，步骤(2)所述混合与步骤(3)所述混合培养的原料中碳、氮与磷的质量比为(60-300):(7-10):1，例如可以是60:7:1、100:8:1、150:8.5:1、200:9:1或300:10:1，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

60、作为本发明第一方面所述的制备方法的优选技术方案，所述制备方法包括如下步骤：

61、(1)煤矸石经第一破碎至等效直径＜20cm与分选，得到低质煤、密度≥2.7g/cm3的建筑骨料以及密度为2.4-2.7g/cm3的尾矿；所得尾矿经第二破碎与20-200目过筛，得到筛下物；所述低质煤的烧失量>30％，密度≤2.4g/cm3，发热值>10mj/kg；

62、(2)混合第一微生物菌种、水以及步骤(1)所得筛下物，20-60℃培养10-40天，依次经洗涤与液固分离，所得固相为活化煤矸石；

63、所述筛下物与第一微生物菌种的质量比为1000:(0.1-0.5)；所述水的用量为所述混合的物质总量的10-60wt％；所述培养中进行翻动，所述翻动的频率为2-10天/次；所述洗涤的液固比为(2-10)l:1kg；

64、(3)混合活化粉煤灰与步骤(2)所得活化煤矸石，20-60℃培养1-20天后得到所述煤矸石基人造土壤；所述培养中进行翻动，所述翻动的频率为2-10天/次；所述活化煤矸石与活化粉煤灰的质量比为(700-999):(1-300)；

65、所述活化粉煤灰由粉煤灰950-999份、碳源1-50份、第二微生物菌种0.1-0.5份以及水在20-60℃混合培养10-40天得到；所述碳源包括活化煤矸石和/或有机肥；所述活化煤矸石与有机肥的质量比为(30-49):(1-20)；所述水的用量为所述混合培养的物质总量的10-60wt％；所述混合培养中进行翻动，所述翻动的频率为2-10天/次；

66、步骤(2)所述混合与步骤(3)所述混合培养的原料中还包括氮肥和/或磷肥；所述原料中碳、氮与磷的质量比为(60-300):(7-10):1。

67、第二方面，本发明提供了一种煤矸石基人造土壤，所述煤矸石基人造土壤通过第一方面所述的制备方法制备得到。

68、所述煤矸石基人造土壤具有优良的保水保肥、均衡营养元素功效，同时还具有优异的透水透气性能。

69、第三方面，本发明提供了一种如第二方面所述煤矸石基人造土壤的应用，所述煤矸石基人造土壤用于土壤改良或生态修复领域。

70、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

71、(1)本发明提供的煤矸石基人造土壤的制备方法，通过活化煤矸石有益元素的微生物菌种和可降解多环芳烃的菌种协同作用，使煤矸石中多环芳烃含量降到环境质量标准限值以下，腐植酸含量可达4211mg/kg，使速效氮、磷、钾含量达到植物正常需求量；活化后的粉煤灰，可提高中微量元素含量且加速煤矸石中团粒结构的形成，同时降低了土壤容重，并使水稳性团聚体增加到55％，实现了结构重造，制得了性能良好的人造土壤；

72、(2)本发明制备的人造土壤具有优良的保水保肥、均衡营养元素功效以及优良的透水透气性能，可广泛应用于农田、林地、草原土壤改良或荒漠化治理等生态修复领域，可实现煤矸石和粉煤灰的高附加值利用；

73、(3)本发明以煤矸石和粉煤灰作为主要原料制备人造土壤，煤矸石和粉煤灰在人造土壤中的占比≥95％，原料价廉易得，制备工艺简单，成本低，易于实现大规模生产，为煤矸石和粉煤灰固废的大规模利用开辟了新途径。