CN112934944B - 一种煤基固废用于煤矸石山修复治理的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及煤矸石山生态治理技术领域，更具体而言，涉及一种煤基固废用于煤矸石山修复治理的方法，在煤矸石山体上依次形成排水系统、注浆灭火、封闭隔离、拌矸土覆盖、植被构建过程，将煤基固废贯穿在煤矸石灭火、防复燃及水利设施建设、绿化治理等的众多环节，有效解决问题。以煤基固废为主要原料制备系列材料，用于煤矸石山治理，既节约了天然修复材料，又避免了固废堆积对环境造成的污染以及对土地资源的破坏。

Description

一种煤基固废用于煤矸石山修复治理的方法
技术领域
本发明涉及煤矸石山生态治理技术领域，更具体而言，涉及一种煤基固废用于煤矸石山修复治理的方法。
背景技术
随着煤炭生产能力及经济发展对能源的需求递增，经开采、洗选的煤矸石年排放量呈不断上升趋势，因此长期露天堆积的煤矸石山不仅压占土地，而且极易发生自燃并释放SO2、H2S、CO、NOX等有害气体，雨水淋溶液进入地下水，严重危及周边居民的身体健康，是亟须破解的生态环境保护难题。目前在煤矸石山修复治理的技术方面，中国专利申请号CN102251775A《一种煤矸石山生态修复方法》公开在整理矸石山体后，沟渠之间添加黏土、脱水污泥和煤矸石混合物，种植东南景天；沟渠的煤矸石上添加表层黏土、熟化猪粪和蛭石组成的混合基质，种地棉、紫薇等。降低煤矸石自燃几率，利用脱水污泥变废为宝。专利申请号为CN109328518A《一种煤矿矸石山的生态修复方法》公开了煤矸石山表面覆盖黄土以隔绝空气的方法，采用类壤土基质的喷播方式构建植物营养基质层并进行种子喷播。中国专利申请号为CN108298888A《一种应用于矸石山治理的封闭隔离组合物及其实施办法》公开了一种用封闭隔离组合物治理煤矸石山的方法，该封闭隔离物喷涂完成后其凝固时间受温度、湿度等气候条件影响，影响后续工作。以上均未兼顾配施菌根菌和多孔碳基填料的综合角度考虑改良土壤肥效，以稳定维持土壤有机质成分为植物生长提供适宜条件。
基于此，建立一种以煤基固废为主要原料的煤矸石山修复治理方案，以废治废、变废为宝，是践行两山转化理论、改善生态环境的有效途径。
发明内容
为了克服现有技术中所存在的不足，本发明提供一种煤基固废用于煤矸石山修复治理的方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种煤基固废用于煤矸石山修复治理的方法，包括以下步骤：
S1、排水系统构建：对煤矸石山的堆体进行消减加固，坡度设为20-40°，沿煤矸石山边坡从上而下的排水沟，汇集形成导流渠，通至附近河流或拦截坝中，导流渠向河流的入流口或拦截坝出口设置可渗透反应墙净水系统；
S2、注浆灭火：通过注浆泵将固废基灭火浆液注入发生自燃的煤矸石山内部；
S3、封闭隔离：在注浆灭火处置后的煤矸石山表面浇注铺设固废基胶凝封闭材料，自然养护、固化后，在各分块缝隙中喷涂弹性封闭材料；
S4、拌矸土覆盖：在封闭隔离层表面覆盖拌矸黄土层后进行生态重建；
S5、植被构建：将煤基固废修复材料与菌根菌固体菌剂混合，进行平整后的煤矸石山的绿化和煤矸石山的坡面的绿化。
进一步地，步骤S1中所述可渗透反应墙净水系统由墙体和填料组成；
所述墙体由固废基多孔砖砌成，所述固废基多孔砖砌制备具体为：将粉煤灰、水泥、石灰、石膏按60-80：5-20：10-15：0-5的质量比例称量，混合均匀，按液固比0.60～0.75加入水搅拌均匀，再加入0.7-3‰铝粉，经20-60℃发泡4-12h，按所需尺寸切割成块，进入隧道窑，通入160-200℃锅炉烟气和蒸汽，养护2-6h制得固废基多孔砖砌；
所述填料由固废基多孔颗粒、铁屑及活性生物质按照(50-60):(10-15):(30-40)的质量比例混合均匀；
所述固废基多孔颗粒为粉煤灰/煤矸石基多孔陶粒、改性粉煤灰、活性焦颗粒的一种或多种组合，粒径为2-8mm；所述活性生物质为木屑、秸秆、稻壳中的一种或多种，将其粉碎至粒径为3-8mm，放进水中常温浸泡一段时间，待其表面生成肉眼可见的微生物团絮即制得活性生物质。
进一步地，所述固废基灭火浆液通用钻孔深层注浆、表层喷浆的方式注入煤矸石山；所述浆液通过渗透和扩散，充填空隙，隔绝氧气，阻断深部区域煤矸石燃烧；步骤S2形成刚柔结合的封闭隔离层将煤矸石山全部覆盖，隔绝空气进路，使煤矸石内部空气耗尽防复燃；
所述固废基灭火浆液由粉煤灰、石灰、水泥的质量配比为(50-80)：(15-25)：(10-25)，水玻璃加量为水泥的3-8％，液固比为0.6-0.8，其中粉煤灰为煤粉炉粉煤灰或循环流化床锅炉粉煤灰；步骤S3中所述固废基胶凝封闭材料由粉煤灰：超细灰：水泥按(6-8)：(1-2)：1的质量配比组成，液固比为(2-3)：10，其中固废基胶凝封闭材料铺设厚度为5-15cm；步骤S3所述的弹性封闭材料由粉料和液料搅拌混匀制成，液料与粉料的质量比为(0.65-0.75)：1；其中，粉料包括粉煤灰、水泥，其质量比为(60-90)：(40-10)；液料包括有机乳液和水；有机乳液与粉料的质量比为(0.1-0.3)：1。
进一步地，所述的拌矸黄土，是指在黄土中加入10～40％的粒度小于10cm的煤矸石碎块；所述拌矸黄土层厚度为30-80cm。
进一步地，步骤S5中所述煤基固废修复材料制备具体为：将煤基固废多孔材料、低阶煤、废弃有机质按照(3-6)：(2-4)：(2-6)的质量比混合，混合过程中添加0.1-0.3％微生物速腐剂，好氧发酵10-30天，在沉化槽中静置沉化7天，经破碎、筛分得到1-8mm的煤基固废修复材料。
进一步地，步骤S5中所述固废基多孔材料，由煤矸石粉40-80％、粉煤灰0-40％、水泥5-20％、脱硫石膏0-10％、石灰0-5％、发泡剂0.7‰-3‰、水组成，液固比0.6-0.8；将煤矸石粉、粉煤灰、脱硫石膏加至造粒机或筛粒器中，水中加入发泡剂，按液固比将水分多次喷入，在造粒机或筛粒器中制成1-8mm的颗粒，放入养护装置中，通入锅炉烟气和蒸汽养护后得到免烧多孔颗粒材料；所述造粒机或筛粒器温度为30-50℃；所述锅炉烟气和蒸汽养护温度为160-200℃，养护时间为2-6h；所述发泡剂为铝粉、双氧水、过硼酸钠中一种。
进一步地，步骤S5中所述菌根菌固体菌剂制备具体为：选用2-5mm的煤基固废多孔材料，加入腐殖质得到培养基质；将已接种过菌根菌孢子的宿主植物种子撒入厚度10-20cm的培养基质中，加入霍格兰氏营养液，保持湿度30-50％，温度20-35℃，培养1-6个月后，菌根菌的活性孢子及菌丝遍布培养基质中，将植物根和培养基一起破碎至小于0.6cm，得到菌根菌固体原菌剂；再将菌根菌固体原菌剂按10-15％的比例应用至新的培养基质中，循环该步骤，得到扩繁的菌根菌固体菌剂。
步骤S5平整后的煤矸石山的绿化中所述煤基固废修复材料与菌根菌固体菌剂质量比为200-500：2-10；煤矸石山的坡面的绿化中每公顷坡面的黄土、煤基固废修复材料、菌根菌固体菌剂与种子的用量配比为：(40t-60t)：(10t-20t)：(1kg-10kg)：(2kg-10kg)，液固比为0.8-1.2。
进一步地，所述低阶煤为风化煤、褐煤、煤泥中的一种或多种；所述废弃有机质为农家肥或污泥。
进一步地，平整后的煤矸石山的绿化具体为：覆土平整后的煤矸石山挖坑，每个坑均匀撒入煤基固废修复材料与菌根菌固体菌剂混合物；在坑中植入苗木，扶正后填土至与地面相平，及时浇足水；
煤矸石山的坡面的绿化具体为：将黄土、煤基固废修复材料、菌根菌固体菌剂与种子加水混合制得浆状喷播材料，将浆状喷播材料均匀喷洒于煤矸石山的坡面。
进一步地，所述导流渠的水通过墙体经填料净化后的水进行回用灌溉植被。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
本发明提供了一种煤基固废用于煤矸石山修复治理的方法，针对煤矸石山的特点，将煤基固废贯穿在煤矸石灭火、防复燃及水利设施建设、绿化治理等的众多环节，有效解决问题。本发明采用燃煤电厂排放的粉煤灰为主要原料制备排水系统中的可渗透反应墙的墙体和主要填料、固废基注浆灭火材料；利用多种煤基固废的不同矿物组成和化学组成的差异互补，制备封闭胶凝材料，可直接浇筑铺设在平整后的煤矸石区，将煤矸石区全部封闭隔离，代替日渐稀缺的黄土，成本较低；以煤矸石、粉煤灰等为主的煤基固废修复材料可改善土壤结构，作为营养载体，可以增加土壤有机质，有较强的保水保肥作用，为植物生长提供充足的水分和养分，省去外加土壤肥料的添加，有效降低治理成本。负载在固废基多孔材料上的固体菌根菌可以保持较长时间的活性，相比于液态的菌剂更便于贮存；多孔材料在菌根菌生长过程中，可以为菌根菌菌丝提供安全、适宜的生长空间；反过来，菌根菌分泌的物质可以影响多孔材料的性能，能强化多孔材料与土壤颗粒的作用，从而有潜力促进以多孔材料为核心的土壤团聚体的形成。通过煤基固废多孔载体材料和菌根菌活性之间的构效关系，促进菌根菌生长和植物扎根，实现煤电基地生态脆弱区生态修复。本发明以煤基固废为主要原料制备系列材料，用于煤矸石山治理，既节约了天然修复材料，又避免了固废堆积对环境造成的污染以及对土地资源的破坏。
附图说明
图1为本发明提供的一种煤基固废用于煤矸石山修复治理示意图；
图2为活性秸秆示意图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种煤基固废用于煤矸石山修复治理的方法，包括以下步骤：
S1、排水系统构建：对煤矸石山的堆体进行消减加固，坡度设为20-40°，沿煤矸石山边坡从上而下的排水沟，汇集形成导流渠，通至附近河流或拦截坝中，导流渠向河流的入流口或拦截坝出口设置可渗透反应墙净水系统；
S2、注浆灭火：采用钻孔深层注浆、表层喷浆的方式，用注浆泵将固废基灭火浆液注入发生自燃的煤矸石山内部，浆液铜鼓渗透和扩散，充填空隙，隔绝氧气，阻断深部区域煤矸石燃烧；
S3、封闭隔离：在灭火处置后的煤矸石山表面浇注铺设固废基胶凝封闭材料，自然养护、固化后，在各分块缝隙中喷涂弹性封闭材料，形成刚柔结合的封闭隔离层将煤矸石山全部覆盖，隔绝空气进路，使煤矸石内部空气耗尽防复燃；
S4、拌矸土覆盖：在封闭隔离层表面覆盖拌矸黄土层后进行生态重建；
S5、植被构建：
(1)煤基固废修复材料制备：将煤基固废多孔材料、低阶煤、废弃有机质按照(3-6)：(2-4)：(2-6)的质量比混合，混合过程中添加0.1-0.3％微生物速腐剂，好氧发酵10-30天，在沉化槽中静置沉化7天，经破碎、筛分得到1-8mm的煤基固废修复材料；
(2)菌根菌固体菌剂制备：选用2-5mm的煤基固废多孔材料，加入腐殖质得到培养基质；将已接种过菌根菌孢子的宿主植物种子撒入厚度10-20cm的培养基质中，加入霍格兰氏营养液，保持湿度30-50％，温度20-35℃，培养1-6个月后，菌根菌的活性孢子及菌丝遍布培养基质中，将植物根和培养基一起破碎至小于0.6cm，得到菌根菌固体原菌剂；再将菌根菌固体原菌剂按10-15％的比例应用至新的培养基质中，循环该步骤，得到扩繁的菌根菌固体菌剂；
(3)煤矸石山修复：将(1)中制备的煤基固废修复材料与(2)中制备的菌根菌固体菌剂混合，用于煤矸石山的修复。
如图1所示，图中1为煤矸石，2为封闭材料，3为拌矸土层，4为注浆灭火；5为种子，6为煤基固废修复材料与菌根菌固体菌剂，7为苗木。
进一步地，所述可渗透反应墙净水系统由墙体和填料组成；
所述墙体由固废基多孔砖砌成，所述固废基多孔砖砌制备具体为：将粉煤灰、水泥、石灰、石膏按60-80：5-20：10-15：0-5的质量比例称量，混合均匀，按液固比0.60～0.75加入水搅拌均匀，再加入0.7-3‰铝粉，经20-60℃发泡4-12h，按所需尺寸切割成块，进入隧道窑，通入160-200℃锅炉烟气和蒸汽，养护2-6h制得固废基多孔砖砌；
所述填料由固废基多孔颗粒、铁屑及活性生物质按照(50-60):(10-15):(30-40)的质量比例混合均匀。
进一步地，所述固废基多孔颗粒为粉煤灰/煤矸石基多孔陶粒、改性粉煤灰、活性焦颗粒的一种或多种组合，粒径为2-8mm；所述活性生物质为木屑、秸秆、稻壳中的一种或多种，将其粉碎至粒径为3-8mm，放进水中常温浸泡一段时间，待其表面生成肉眼可见的微生物团絮即制得活性生物质，如图2所示；将煤矸石淋溶原水通过可渗透反应墙净化，净化前后的水质检测数据如表1所示，净化水可以达到《农田灌溉水质标准》(GB5084-2005-旱作)的灌溉用水标准
表1净化前后水质检测对比(单位：mg/L)
Figure BDA0002921924520000051
步骤S2中所述固废基灭火浆液由粉煤灰、石灰、水泥的质量配比为(50-80)：(15-25)：(10-25)，水玻璃加量为水泥的3-8％，液固比为0.6-0.8，其中粉煤灰为煤粉炉粉煤灰或循环流化床锅炉粉煤灰；步骤S3中所述固废基胶凝封闭材料由粉煤灰：超细灰：水泥按(6-8)：(1-2)：1的质量配比组成，液固比为(2-3)：10，其中固废基胶凝封闭材料铺设厚度为5-15cm；步骤S3所述的弹性封闭材料由粉料和液料搅拌混匀制成，液料与粉料的质量比为(0.65-0.75)：1；其中，粉料包括粉煤灰、水泥，其质量比为(60-90)：(40-10)；液料包括有机乳液和水；有机乳液与粉料的质量比为(0.1-0.3)：1。
进一步地，所述的拌矸黄土，是指在黄土中加入10～40％的粒度小于10cm的煤矸石碎块；所述拌矸黄土层厚度为30-80cm。
进一步地，所述固废基多孔材料，由煤矸石粉40-80％、粉煤灰0-40％、水泥5-20％、脱硫石膏0-10％、石灰0-5％、发泡剂0.7‰-3‰、水组成，液固比0.6-0.8；将煤矸石粉、粉煤灰、脱硫石膏加至造粒机或筛粒器中，水中加入发泡剂，按液固比将水分多次喷入，在造粒机或筛粒器中制成1-8mm的颗粒，放入养护装置中，通入锅炉烟气和蒸汽养护后得到免烧多孔颗粒材料；所述造粒机或筛粒器温度为30-50℃；所述锅炉烟气和蒸汽养护温度为160-200℃，养护时间为2-6h；所述发泡剂为铝粉、双氧水、过硼酸钠中一种。
进一步地，所述煤矸石山的修复具体包括平整后的矸石山的绿化和煤矸石山的坡面的绿化；
所述平整后的煤矸石山的绿化具体为：覆土平整后的煤矸石山挖坑，每个坑均匀撒入S1制备的煤基固废修复材料200g-500g与S2制备的菌根菌固体菌剂2g-10g；在坑中植入苗木，扶正后填土至与地面相平，及时浇足水；
所述煤矸石山的坡面的绿化具体为：将黄土、煤基固废修复材料、菌根菌固体菌剂与种子加水混合制得浆状喷播材料，将浆状喷播材料均匀喷洒于煤矸石山的坡面；每公顷坡面的黄土、煤基固废修复材料、菌根菌固体菌剂与种子的用量配比为：(40t-60t)：(10t-20t)：(1kg-10kg)：(2kg-10kg)，液固比为0.8-1.2。
进一步地，所述低阶煤为风化煤、褐煤、煤泥中的一种或多种；所述废弃有机质为农家肥或污泥。
进一步地，所述导流渠的水通过墙体经填料净化后的水进行回用灌溉植被。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种煤基固废用于煤矸石山修复治理的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、排水系统构建：对煤矸石山的堆体进行消减加固，坡度设为20-40°，沿煤矸石山边坡从上而下的排水沟，汇集形成导流渠，通至附近河流或拦截坝中，导流渠向河流的入流口或拦截坝出口设置可渗透反应墙净水系统；
S2、注浆灭火：通过注浆泵将固废基灭火浆液注入发生自燃的煤矸石山内部；
S3、封闭隔离：在注浆灭火处置后的煤矸石山表面浇注铺设固废基胶凝封闭材料，自然养护、固化后，在各分块缝隙中喷涂弹性封闭材料；
S4、拌矸土覆盖：在封闭隔离层表面覆盖拌矸黄土层后进行生态重建；
S5、植被构建：将煤基固废修复材料与菌根菌固体菌剂混合，进行平整后的煤矸石山的绿化和煤矸石山的坡面的绿化；
步骤S5中所述煤基固废修复材料制备方法：将煤基固废多孔材料、低阶煤、废弃有机质按照(3-6)：(2-4)：(2-6)的质量比混合，混合过程中添加0.1-0.3%微生物速腐剂，好氧发酵10-30天，在沉化槽中静置沉化7天，经破碎、筛分得到1-8mm的煤基固废修复材料；
所述菌根菌固体菌剂制备方法：选用2-5mm的煤基固废多孔材料，加入腐殖质得到培养基质；将已接种过菌根菌孢子的宿主植物种子撒入厚度10-20cm的培养基质中，加入霍格兰氏营养液，保持湿度30-50%，温度20-35℃，培养1-6个月后，菌根菌的活性孢子及菌丝遍布培养基质中，将植物根和培养基一起破碎至小于0.6cm，得到菌根菌固体原菌剂；再将菌根菌固体原菌剂按10-15%的比例应用至新的培养基质中，循环该步骤，得到扩繁的菌根菌固体菌剂；
所述煤基固废多孔材料由煤矸石粉40-80%、粉煤灰0-40%、水泥5-20%、脱硫石膏0-10%、石灰0-5%、发泡剂0.7‰-3‰、水组成，液固比0.6-0.8；将煤矸石粉、粉煤灰、脱硫石膏加至造粒机或筛粒器中，水中加入发泡剂，按液固比将水分多次喷入，在造粒机或筛粒器中制成1-8mm的颗粒，放入养护装置中，通入锅炉烟气和蒸汽养护后得到免烧多孔颗粒材料；所述造粒机或筛粒器温度为30-50℃；所述锅炉烟气和蒸汽养护温度为160-200℃，养护时间为2-6h；所述发泡剂为铝粉、双氧水、过硼酸钠中一种；
所述S5的步骤中，平整后的煤矸石山的绿化是指：覆土平整后的煤矸石山挖坑，每个坑均匀撒入煤基固废修复材料与菌根菌固体菌剂混合物；在坑中植入苗木，扶正后填土至与地面相平，及时浇足水；
煤矸石山的坡面的绿化是指：将拌矸黄土、煤基固废修复材料、菌根菌固体菌剂与种子加水混合制得浆状喷播材料，将浆状喷播材料均匀喷洒于煤矸石山的坡面。
2.根据权利要求1所述的一种煤基固废用于煤矸石山修复治理的方法，其特征在于：步骤S1中所述可渗透反应墙净水系统由墙体和填料组成；
所述墙体由固废基多孔砖砌成，所述固废基多孔砖制备具体为：将粉煤灰、水泥、石灰、石膏按60-80：5-20：10-15：0-5的质量比例称量，混合均匀，按液固比0.60～0.75加入水搅拌均匀，再加入0.7-3‰铝粉，经20-60℃发泡4-12h，按所需尺寸切割成块，进入隧道窑，通入160-200℃锅炉烟气和蒸汽，养护2-6h制得固废基多孔砖；
所述填料由固废基多孔颗粒、铁屑及活性生物质按照(50-60)：(10-15)：(30-40)的质量比例混合均匀；
所述固废基多孔颗粒为粉煤灰/煤矸石基多孔陶粒、改性粉煤灰、活性焦颗粒的一种或多种组合，粒径为2-8mm；所述活性生物质为木屑、秸秆、稻壳中的一种或多种，将其粉碎至粒径为3-8mm，放进水中常温浸泡一段时间，待其表面生成肉眼可见的微生物团絮即制得活性生物质。
3.根据权利要求1所述的一种煤基固废用于煤矸石山修复治理的方法，其特征在于：所述固废基灭火浆液通过钻孔深层注浆、表层喷浆的方式注入煤矸石山；所述固废基灭火浆液通过渗透和扩散，充填空隙，隔绝氧气，阻断深部区域煤矸石燃烧；步骤S3形成刚柔结合的封闭隔离层将煤矸石山全部覆盖，隔绝空气进路，使煤矸石内部空气耗尽防复燃；
所述固废基灭火浆液由粉煤灰、石灰、水泥的质量配比为(50-80)：(15-25)：(10-25)，水玻璃加量为水泥的3-8%，液固比为0.6-0.8，其中粉煤灰为煤粉炉粉煤灰或循环流化床锅炉粉煤灰；步骤S3中所述固废基胶凝封闭材料由粉煤灰：超细灰：水泥按(6-8)：(1-2)：1的质量配比组成，液固比为(2-3)：10，其中固废基胶凝封闭材料铺设厚度为5-15cm；步骤S3所述的弹性封闭材料由粉料和液料搅拌混匀制成，液料与粉料的质量比为(0.65-0.75)：1；其中，粉料包括粉煤灰、水泥，其质量比为(60-90)：(40-10)；液料包括有机乳液和水；有机乳液与粉料的质量比为(0.1-0.3)：1。
4.根据权利要求1所述的一种煤基固废用于煤矸石山修复治理的方法，其特征在于：所述拌矸黄土层厚度为30-80cm，拌矸黄土是指在黄土中加入10-40％的粒度小于10cm的煤矸石碎块；。
5.根据权利要求1所述的一种煤基固废用于煤矸石山修复治理的方法，其特征在于：步骤S5平整后的煤矸石山的绿化中所述煤基固废修复材料与菌根菌固体菌剂质量比为200-500：2-10；煤矸石山的坡面的绿化中每公顷坡面的拌矸黄土、煤基固废修复材料、菌根菌固体菌剂与种子的用量配比为：(40t-60t)：(10t-20t)：(1kg-10kg)：(2kg-10kg)，液固比为0.8-1.2。
6.根据权利要求1所述的一种煤基固废用于煤矸石山修复治理的方法，其特征在于：所述低阶煤为风化煤、褐煤、煤泥中的一种或多种；所述废弃有机质为农家肥或污泥。
7.根据权利要求1所述的一种煤基固废用于煤矸石山修复治理的方法，其特征在于：所述导流渠的水通过可渗透反应墙净水系统经填料净化后的水进行回用灌溉植被。
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