CN117362124A - 一种煤矸石脱碳除杂制人造黑土的方法 - Google Patents
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Abstract
针对煤炭工业大宗固废煤矸石的成矿条件和煤矸石的矿物质组成特性，通过低能耗无污染的简单的机械分离除杂技术，将煤矸石分离为富集碳屑的物料A料和富集腐殖质并含有大量矿物质微量元素的“干净黑页岩矸石”B料，将A料资源化利用水泥厂资源综合利用、降低实物煤耗或用于火电厂或浮选碳。将天然富集腐殖质并含大量矿物质微量元素的B料（地下形成的原生黑土）通过保水透气改性、禽畜粪便微生物改性、并利用蚯蚓生物持续活化改性等措施转化为人造熟黑土，用于有效逆转土壤贫瘠化，改善土质结构，持续增强土壤肥力，便于石漠化生态修复。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矸石资源综合利用的方法，尤其是涉及一种煤矸石脱碳除杂制人造黑土的方法。
背景技术
众所周知，农林耕地土壤大多是由地壳表层硅铝酸盐矿物类页岩风化而成。而黑土，是肥力最高、最适宜农耕和最具生产潜力的土壤。黑土并非是指黑色的土壤，而是指腐殖质含量很高的土壤，其黑色来源于腐殖质的黑色，由于含有极大量的腐殖质而使土壤呈现出纯黑色。黑土的本质实际上就是在原本的页岩风化形成的黄土层上大量堆积有机质残渣彼此渗透形成腐殖质土层。黑土的形成与特定的气候及地质条件密不可分，世界三大黑土区均分布在北半球北纬47度线周围的第聂伯河、密西西比河、黑龙江流域 ，它的成土条件是夏季气候温和湿润、冬季气候严寒干燥，且地面排水不畅形成上层滞水，每年有机质的积累量超过分解量，植物残渣得以常年沉积腐殖质，大量有机质的堆积使腐殖质层逐年加厚，通常要经历数百年才能形成一厘米厚的腐殖质黑土，历经数万年的腐殖质的积累形成了当今世界三大黑土区的黑土层厚度平均达一米左右（最厚达到了两米）。黑土中腐殖质有机质含量极高，且含有大量植物生长所必须的氮、磷、钾、镁等矿物质元素，肥力极高，且土壤保水性好，有利于植物吸收。黑土经开垦后，土壤水热状况改变，不同程度消除了滞水层，土壤通气性改善，吸热性增高，微生物作用加强，有机质分解加快，养分元素释放较多，土壤有效肥力提高，土壤熟化过程发展变快。
目前,一些耕地土壤肥力下降逾红线,耕地土壤有机质含量平均从6.7%降至1.8%左右,旱地仅为1.2%左右。而土壤以腐殖质为主的有机质是土壤肥力的基础，土壤肥力又是衡量土壤肥沃程度的一个重要指标，是决定农业生产高质量和土壤资源利用可持续的关键因素。耕地有机质的逐步减少，甚至会造成土地退化（沙化、荒漠化及石漠化）。石漠化作为土地退化的主要表现形式，必然会从多方面来影响人们的生产与生活，随着植被的退化和石漠化程度的加强，土层会越来越薄，土壤结构会逐渐恶化，土壤抗蚀性会越来越差，土壤愈发地贫瘠。而这些会直接导致一个严重的后果，就是耕地产出和可耕地面积的减少，同时水土流失造成多种自然灾害，为人们的生产及生活带来严重危害。
而另一方面，煤至今仍为不可或缺的基础化石能源， 煤矸石作为煤业的大宗固废产物，依成矿区地质矿物条件不同，煤矸石主要由硅铝酸盐矿物类页岩、碳酸岩、砂岩、残碳等组成，其中页岩类矸石占比逾八成。众所周知，煤是由植物在高压高压地质条件下缓慢反应形成，但被人们长期忽视了的是，植物经热压反应形成煤的过程中，其中的腐殖质大部分被硅铝酸盐矿物页岩吸纳形成了黑色的页岩，其中的游离的重金属及氟大多被碳的天然吸附作用吸附于纯粹的煤碳块中、或以独立的矿物晶体如砷铁矿磷结石等形式存在，经我们长期的追踪取样分析，页岩矿区的煤形成过程中平均约81.33%的腐殖质存在于黑色的页岩中，在纯粹的煤块中腐殖质占比平均约18.67%；而铅汞砷铬等有害的重金属及氟主要吸附在纯粹的煤炭块中或以独立的矿石存在，重金属总量占比在黑色页岩中平均仅14.31%，而大多数页岩类煤矸石的重金属总含量是在达标安全范围内的。客观地，页岩类矸石易风化遇水膨胀，含有丰富的有机质（大多在15～36%）以及植物生长所需要的氮、磷、钾、锌、铜、硒、锗等多种微量元素，而重金属含量安全，经脱炭除杂属于“干净”类废渣，是一种地下形成的纯天然的潜在的优质“黑土”原料。
正因为长期被人们忽视了煤形成过程中各类化合物的迁移渗透吸附效应、加之农林耕地土壤研究的跨界，致使以煤为主要能源的煤矸石大宗固废资源化利用效果很不如人意，现有的各类煤矸石资源化利用技术途径概述如下：
1、煤矸石用于制建材技术，包括煤矸石用于水泥生料配料、做水泥砼掺合材，掺烧制砖、制陶粒、加水泥制免烧砖/板等，一则消纳量有限，二则致生产易出现工艺状况或产品质量稳定性问题，三则增加了二次污染。
2、煤矸石直接破碎做路基/回填材料技术，一则浪费了其中可贵的有机质资源和粘土资源，二则存在安全隐患，因为页岩类矸石吸水自然膨胀风化。
3、煤矸石直接破碎后用于配煤，一则浪费了其中可贵的有机质资源和粘土资源，二则客观上降低了燃煤的燃烧性能和燃尽率，三则增加了二次污染。
4、煤矸石提硅提铝或提高岭土提贵金属技术，一则消纳量有限，二则浪费了其中可贵的有机质资源和粘土资源，三则增加了能耗和产生严重的二次污染。
5、煤矸石制复合肥技术，煤矸石制复合肥为当前世界煤矸石资源化利用的先进技术，各国科技工作者对煤矸石制肥进行了多种技术研究，如：CN202211023638.8涉及一种利用煤矸石制备腐殖酸肥的方法，包括以下步骤：a、获取粉状煤矸石作为制备腐殖酸肥的原料；b、获取氧化亚铁酸硫杆菌并将其稀释后喷撒在步骤a中的获取的粉状煤矸石上，且充分搅拌混匀进行生物处理并完成一次发酵处理，形成煤矸石泥；c、将b步骤中形成的煤矸石泥与特定分数的矿源腐殖酸和生物质混匀形成混合物料；d、在步骤c中获得的混合物料中加入复合发酵菌粉剂，多次搅拌混合均匀后，实施常规固体发酵处理并完成二次发酵。CN202110204747.9公开了一种煤矸石矿物肥料及其制备方法。所述肥料是以煤矸石为原料，用运动芽孢杆菌GZU-Bac01处理后制作而成。利用运动芽孢杆菌GZU-Bac01解离释放煤矸石中的不溶性磷、钾、钙、氮等营养成分，将其转化为有效磷、速效钾、交换性钙、水解氮等植物能吸收的营养成分，使得煤矸石得到资源化利用。CN202010818225.3提供了一种煤矸石微生物肥料的制作方法，以煤矸石为原料，用纺锤形赖氨酸芽孢杆菌GZU-Lys01解离处理后制作而成。CN202110989784.5公开了一种煤矸石微生物真菌肥料及其制作方法，肥料组分包括或为用烟曲霉GZT-Asp01处理原料得到的产物；所述原料的主要成分为煤矸石或为煤矸石；所述用烟曲霉GZT-Asp01处理原料的方法是：将原料破碎，将烟曲霉GZT-Asp01配制成菌液；在连续搅拌下，将菌液喷洒在破碎后的原料上，搅拌均匀，定时翻动，控制温度处理，晾干，得到产物。煤矸石微生物真菌肥料使用了烟曲霉GZT-Asp01处理煤矸石，可以有效地使煤矸石中的不溶性的磷、钾、钙、氮等成分转变成有效磷、速效钾、交换性钙、水解氮等植物能吸收的营养成分，实现煤矸石资源化再利用。CN201910098876.7公开了一种以煤矸石为原料制作微生物肥料的方法，是以煤矸石为基础原料，掺杂低品位磷矿，钾矿，用金黄杆菌属GZU-Ch01解离后制作成微生物肥料，利用金黄杆菌属GZU-Ch01解离煤矸石释放其中的有用营养成份。CN201910806578.9公开了一种煤矸石微生物矿物肥料的制作方法，以煤矸石为原料,用嗜麦芽窄食单胞菌GZU-Stm01解离后制作而成。CN201910098301.5本发明公开了一种微生物肥料的制作方法，是以煤矸石为基础原料，掺杂低品位磷矿，钾矿，用藤黄微球菌GZU-Mi02解离后制作成微生物肥料。CN202210746002.X一种活化煤矸石制备硅肥的方法，包括以下步骤：将煤矸石和有机固体废弃物分别进行破碎，得到煤矸石粉料和有机固体废弃物粉料；将煤矸石粉料和有机固体废弃物粉料混合，得到混合料；将所述混合料依次进行热解处理、煅烧和稳定，得到活化物料；将所述活化物料依次进行淬冷和粉碎，得到所述的硅肥。CN202310759814.2公布了一种提高土壤养分含量的煤矸石肥料及其制备方法，其通过破碎筛分、加热、干燥、脱碳等步骤将煤矸石转化为含有多种营养元素的土壤肥料，其煤矸石的脱碳是通过加热实现的，煤矸石化学组分中SiO2和A12O3含量占80％以上，破碎筛分选取直径小于1mm的煤矸石颗粒，加热温度是300℃-800℃，加热时间是30分钟至2小时，干燥温度是80℃-120℃，干燥时间是2小时至6小时，脱碳温度是600℃-900℃，脱碳时间是30分钟至1小时。CN202210151862.9一种基于煤矸石的盐碱地改良生物有机肥及制备方法，利用微生物把煤矸石进行磨粹，一级破碎、烘干、球磨，过0.05mm筛，在地坑式发酵池中添加菌种和发酵剂液，好氧发酵，发酵释放煤矸石中碳、磷、钾、硅、钙、镁养分，混合均匀后，加入经过腐熟的牛羊粪便，按重量百分比70％的煤矸石与30％的牛羊粪便混合成球，加菌种二次发酵，烘干，得到基于煤矸石的有机肥。CN201911390984.8公开了一种基于煤矸石和污泥的生态改良基质制备方法，将煤矸石粉碎，污泥进行堆肥化处理，再添加粉煤灰和耐受重金属的促生微生物菌剂，混合放置2周后得到熟化的生态改良基质。污泥堆肥的加入能够使煤矸石中惰性养分得到释放，微生物菌剂使污泥及煤矸石中重金属风险得到控制，煤矸石和污泥堆肥混合后基质理化性状、微生物指标得到改善和提升，形成近似土壤的生态改良基质，促进植物的生长，最终实现煤矸石和污泥的资源化利用。CN202211631712.4、公开了一种煤矸石综合利用方法，包括以下步骤：步骤一：对煤矸石第一次粉碎；步骤二：对煤矸石碎块进行再次粉碎；步骤三：将稀释后的生物菌剂喷撒在煤矸石微粒上，煤矸石微粒进行第一次发酵，制成混合物A；步骤四：按比例将动物粪便、动物骨粉、秸秆、尿素、青草、树叶、粉煤灰、复合发酵菌粉剂与混合物A加入进反应容器，并将其搅拌混合均匀，静置使其进行第二次发酵，制成混合物B；步骤五：烘干；步骤六：成球；步骤七：再烘干。CN201510442511.3公开了一种煤矸石炭化营养土的生产方法，其技术方案的要点是，先将煤矸石炭化土的配料搅拌挤压成片状颗粒，炭化处理为煤矸石炭化土，再将煤矸石炭化营养土的配料造粒和灭菌，包装为煤矸石炭化营养土。煤矸石炭化营养土由煤矸石、活性白土废渣、凹凸棒石粘土、膨润土、沸石、粉碎后的废弃物、水沤制后的废弃物、蛭石、磷酸二铵、珍珠岩、硫酸亚铁和高吸水树脂组成。煤矸石炭化营养土中含有大量的氮、磷、钾、有机质和微量元素，是一种营养成份齐全、肥效高、无毒、无菌、无害、无臭味和保水性能好的优质营养土，煤矸石炭化营养土适用于种植花卉和苗木，煤矸石炭化营养土的生产方法适用于生产炭化营养土和营养基质。CN202210247639.4一种改性煤矸石生物有机肥及其制备方法与应用，所述改性煤矸石生物有机肥由包括如下质量份数的组分制备而成：改性煤矸石80～120份、麦麸20～30份、玉米粉20～30份、茶麸12～18份、棉籽粉12～18份、凹凸棒土8～14份和复合菌剂26～36份；通过对煤矸石的煅烧改性，使煤矸石中含有的营养元素能充分释放，并且煅烧后的煤矸石还可以作为有益菌吸附的载体。CN202211253441.3公开了一种基质化煤矸石的制备方法和基于煤矸石的育苗基质，基质化煤矸石的制备包括：将煤矸石粉碎，得到煤矸石颗粒，并将不同粒级的煤矸石颗粒按照一定的比例混合；将生物质与水混合加入到高压水热反应釜中进行水热碳化反应，固液分离后得到固体水热炭和水热溶液；将煤矸石混合颗粒、水热炭和土壤进行充分混合，制备得到基质化煤矸石。将得到的煤矸石基质与水热碳化溶液和少量化学肥料进行混合得到育苗基质。本发明充分利用固体水热炭表面有机质、含氧官能团和含氮官能团，达到提高煤矸石基质养分、保水率和钝化重金属的目的。CN202210048662.0公开了一种煤矸石复合肥的制备方法及产品，其制备步骤为：将酸性磷肥、酸性氮肥和高锰酸钾溶于水中，加入煤矸石颗粒，得到混合物；所得混合物进行微波加热，然后除去水分，制得煤矸石复合肥。CN201310526978.7公开了一种基于煤矸石空心球的保水缓释化肥材料及其制备方法。本发明基于煤矸石空心球的新型保水缓释化肥材料由煤矸石空心球壳层与化肥核层组成。壳层为煤矸石微米级空心球或表面包覆有机包覆材料的煤矸石微米级空心球，核层由化肥材料或同时含有化肥与保水材料的复合材料组成。核层的材料首先溶于水中，通过真空、超声或加压浸渍装载于煤矸石空心球的中空腔中。然后有机包覆材料覆盖在煤矸石空心球的外部，封闭壳层多孔结构，增加缓释效果。现有煤矸石制肥技术及方法多以发酵堆肥、微生物分解或以燃烧、热解、热水解等主要技术处置，其发酵堆肥、二次发酵以及微生物分解制肥等均需要较长周期，成本高，消纳量少且难以推广，且其燃烧、热解及热水解均需要粉磨并以额外热能处置，能耗高，而且上述煤矸石制肥大多对煤矸石中重金属的处置存在欠缺，或产生长远对植物生长的负面影响。
6、煤矸石简易覆土填埋植被技术，即围筑坝堆填煤矸石然后在上面覆土植物绿化，这是近年来环保要求下各煤矿普遍采用的方式，基本的运作模式是煤矿征地，且一般是就近征用耕地或山沟，筑围坝，堆埋煤矸石，大多以30元/吨煤矸石价格请人推土填埋，然后在上面植物。《安全与环境工程》（Vol.30 No.3 May 2023) 中《煤矸石山人工造土造地绿化先导试验研究》对贵州响水煤矿征用农田耕地围筑坝堆存煤矸石山覆土植物的成功经验进行了充分的肯定。该技术方法简单易行，合乎现有环保绿化要求，但一则占用现有耕地，二则浪费了其中可贵的大量的有机质资源和粘土资源，即大量浪费了地下天然形成的黑土资源，三则易造成地下水土污染。
事实上，至今，每年数十亿吨经漫长时间地下天然形成的高含量腐殖质页岩类煤矸石未经有效处理占用土地堆存或简易覆土填埋，仍在影响大气环境和地下水土资源。面对土地退化，土壤中有机腐殖质逐年降低、土地逐步贫瘠、石漠化严重及大量堆存或简易覆土填埋的历经数十万年天然形成的页岩类矸石“黑土”资源，迫切需要一种突破性的全新的技术思路综合利用方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种可低能耗、无二次污染并能大规模进行煤矸石脱碳除杂并充分利用煤矸石中硅铝酸盐矿物（粘土）、腐殖质和植物营养元素成分制“人造黑土”、解决或改善耕地退化尤其是石漠化问题的方法，真正实现数十万年渗透腐殖质天然形成的“地下黑土”——煤矸石尤其是页岩类煤矸石资源化利用的价值。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种以煤矸石脱碳除杂制人造黑土的方法，包括以下步骤：
S1，煤矸石预分离除杂：根据碳难以生物降解为有机腐殖质，而碳对重金属具有天然吸附特性，煤中重金属或吸附于结晶态块粒状煤碳中或以块状矿石存在的特点，将煤矸石以机械分选预分离为A料、B料，所述A料为煤矸石富集含碳物料，其中包含大部分的小颗粒碳屑煤质化物料以及煤碳自然吸附的大部分重金属杂质；所述B料为原生黑土物料，即煤矸石预分离除杂脱除大部分难以降解且无实际肥效的大部分碳粒，并最大限度地降低可能存在的重金属，得到的较干净的含腐殖质硅铝酸盐矿物页岩类矸石物料；预分离除杂产生的石灰岩、砂岩骨料用于生产建筑砂石，预分离除杂产生的黄铁矿作为专用矿石料；
S2，A料资源化利用：将步骤S1所得A料直接供应或改性加工成节能渣粉后，供应水泥熟料生产线作为原料利用及节省燃煤的材料，或供应火电厂作燃料，或用于浮选碳；
S3，B料资源化利用：以破碎机械将步骤S1所得B料粉碎至1um～1mm 10～70%、1mm～5mm 10～50%、5mm～20mm 10～50%的混合粒径物料，得生黑土，代号命名为C料；
S4，C料制保水防扬尘黑土：以混合机械将步骤3所得C料即生黑土与保水透气剂按100:0.1～15质量比混合均匀，得保水防扬尘黑土，代号命名为D料；
S5，D料制改性黑土：将步骤4所得D料和禽畜粪便废弃物引菌物按C料:禽畜粪便废弃物引菌物以100:0.5～30的质量比混合，得改性黑土，代号命名为E料；
或将液态保水透气剂按比例喷淋在C料上，然后加入禽畜粪便废弃物引菌物混合或铲和，得E料；
或将C料、禽畜粪便废弃物引菌物、保水透气剂一起按100:0.5～30:0.1～15质量比混合，得E料；
S6，E料生物改性制熟黑土：将步骤S5所得改性黑土,即E料经保水透气剂和禽畜粪便废弃物引菌自然陈化熟化，并引入蚯蚓或带蚯蚓粪便土以吞噬生物进行活化改性持续增强黑土的生化透气性，以吞噬生物快速活化转化为熟黑土，代号命名为F料，持续增强/活化及保持改性熟黑土的肥力。
进一步，所述保水透气剂为改性膨润土、蒙脱石矿物粉、海藻酸钠、甲基纤维素、接枝淀粉、羧甲基化淀粉、磷酸酯化淀粉、淀粉黄原酸盐、接枝纤维素、羧甲基化纤维素、羟丙基化纤维素、黄原酸化纤维素、水溶性聚丙烯酸盐、聚乙烯醇、聚氧化烷烃、豆蛋白、丝蛋白、谷蛋白、果胶、藻酸、壳聚糖、肝素及高吸水性树脂中的至少一种。
进一步，所述禽畜粪便废弃物引菌物为自然陈放7天以上的禽畜粪便废弃物，所述禽畜粪便废弃物引菌物优选自然陈化15天以上的鸡鸭鹅猪羊狗牛粪便废弃物。
进一步，步骤S3中，所述生黑土中还配入改性砂粒化磷石膏和/或改性砂粒化电解锰渣；利用砂粒化磷石膏或砂粒化电解锰渣中的磷、硫、铁、钙、镁、锰元素作微量元素肥料；所述改性砂粒化磷石膏/砂粒化电解锰渣指采用重金属固化剂有效固定磷石膏/电解锰渣中的重金属离子，使之不迁移；对磷石膏/电解锰渣重金属固化砂粒化，一则解决了酸性问题和重金属离子的迁移问题，二则可增加人造土的透气性，三则可抑制硫酸根离子对土壤的板结性影响。
进一步，所述改性砂粒化磷石膏/砂粒化电解锰渣配比总量为生黑土即C料质量的1%-35%。
进一步，步骤S4所得改性黑土中，还配入氮肥、磷肥、钾肥、发酵餐厨物、草木灰或生物质粉料中的至少一种。
进一步，步骤S4所得改性黑土中，还配入自然土或烧粘土。
进一步，步骤S4所得改性黑土中，还加入重金属离子固化剂。
进一步，所述重金属离子固化剂包括改性膨润土粉、蒙脱石矿物粉类晶胞层间吸附剂、及黄原酸酯类、二硫代胺基甲酸盐类、丙烯酸类螯合剂中的至少一种，用于固化和吸附及捕捉人造黑土物料中重金属离子形成不溶于水及不易被植物吸收的沉淀物，以清除其中的重金属生物污染物。
针对煤炭工业大宗固废煤矸石的成矿条件和煤矸石的矿物质组成特性，通过低能耗无污染的简单的机械分离除杂技术，将煤矸石分离为富集碳屑的物料 A料和富集腐殖质并含有大量矿物质微量元素的“干净黑页岩矸石”B料，将A料资源化利用水泥厂资源综合利用和降低实物煤耗或用于火电厂作燃料或用于浮选碳。将天然富集腐殖质并含有大量矿物质微量元素的B料（地下形成的原生黑土）通过保水透气改性、禽畜粪便微生物改性、并利用蚯蚓生物持续活化改性等措施转化为人造熟黑土，可用于有效逆转土壤贫瘠化，持续改善土质结构，持续增强土壤肥力，更便于石漠化生态修复。
本发明的有益效果：1、利用本发明，可望有效化解煤矸石因环保压力，征地筑坝简易覆土填埋植被方式所造成的占用有限农田耕地并持续污泥水土的问题；2、可低能耗、无二次污染的高效利用大宗固废煤矸石中的各类矿物组份，包括劣质煤矸石中富集的含碳物料用于水泥厂降低实物煤耗和替代粘土、质地坚硬的石灰岩砂岩硅石部分可作为通用建筑砂石骨料、富含腐殖质和矿物质的页岩矸石——“天然生黑土”制人造黑土，真正做到了变废为宝、物尽其用；3、有效解决了“地上黑土”资源数量十分有限且不可再生的难题，煤矸石预分离除杂可获得有价值的深埋地下数十万年的大量的干净的“生黑土”，通过简单的低成本的保水透气改性、禽畜粪便引菌改性、蚯蚓生物吞噬生化改性可快速转化为适宜耕种的优质“熟黑土”，为退化的农林耕地改良和石漠化土改造为优质农林耕地提供了坚实的技术和物质基础。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
包括以下步骤：
S1，煤矸石预分离除杂：根据碳难以降解为有机腐殖质，而碳对重金属具有天然吸附特性，煤中重金属或吸附于结晶态块粒状煤碳中或以块状矿石存在的特点，将热值720KJ/kg煤矸石以矸石分离机机械分选预分离为A料（即脱碳得到的含碳物料，分离后的含碳物料平均热值1217KJ/kg）、B料（即块粒状含腐殖质的页岩类矸石料并选除可见的块状有害矿物如黄铁矿、砷铁矿），所述A料（含碳物料）为煤矸石富集含碳物料，其中包含大部分的小颗粒碳屑煤质化物料以及煤碳自然吸附的大部分重金属杂质。煤矸石预分离除杂即脱除大部分难以降解且无实际肥效的碳粒、并最大限度地降低可能存在的重金属含量，得到较干净的含腐殖质硅铝酸盐矿物页岩类矸石；预分离除杂产生的石灰岩、砂岩骨料可用于生产建筑砂石，预分离除杂产生的黄铁矿等作为专用矿石料；
S2， A料资源化：步骤S1中，A料为富集的含大量碳屑硅铝酸盐矿物混合物料，改性加工成节能渣粉后供应水泥熟料生产线，按7.2%生料量加入某2800t/d熟料产线，降低水泥窑煤耗约17.3KG/吨熟料，节约电耗3.16度/吨熟料，替代黏土硅质原料约48%；
S3，B料资源化：将B料以二级破碎装置粉碎至1um~1mm（44.5%）、1mm～5mm（32.8%）、5mm～20mm（22.7%）混合粒径物料，得生黑土，即C料；
S4，制保水防扬尘黑土，即E料：以混合机械将生黑土即C料与保水透气剂按100:5.5比例混合均匀，得保水防扬尘黑土，即D料；所述保水透气剂为高吸水性树脂；
S5，制改性黑土：将D料和禽畜粪便废弃物引菌物按C料：禽畜粪便废弃物引菌物以100:25的比例混合，得改性黑土（E料）；所述的禽畜粪便废弃物引菌物为自然陈化15天以上的鸡粪及猪粪便废弃物。
S6，制熟黑土（F料）：所得改性黑土（E料）经保水透气剂和禽畜粪便废弃物引菌自然陈化熟化后，引入蚯蚓以吞噬生物进行活化改性持续增强黑土的生化透气性，以吞噬生物快速活化转化为熟黑土（F料），持续增强/活化及保持改性熟黑土的肥力。
所述熟黑土经过改性15天后，多点取样取平均值测得，有机质含量22.5g/KG，全氮含量0.18%,速效磷2.5mg/kg,速效钾116.8mg/kg，在适当补充磷肥后，基本达到黑土肥力评价肥力标准，其中重金属检测：汞、镉以及镍未检出，砷含量0.32mg/kg，铅含量0.052mg/kg,铬含量0.68mg/kg，远小于国家标准规定要求。
所述熟黑土经过改性45天后，多点取样取平均值测得，有机质含量提升至28.1g/KG,全氮含量稍有减少，速效磷含量达到20.6mg/kg，速效钾到达130mg/KG，蚯蚓量增加，肥力持续保持并略微增强，土壤透气性好，土质得以改善。
实施例2
包括以下步骤：
S1，煤矸石预分离除杂：根据碳难以降解为有机腐殖质，而碳对重金属具有天然吸附特性，煤中重金属或吸附于结晶态块粒状煤碳中或以块状矿石存在的特点，将热值850KJ/kg煤矸石以矸石分离机机械分选预分离为A料（即脱碳得到的含碳物料，分离后的含碳物料平均热值1400KJ/kg）、B料（即块粒状含腐殖质的页岩类矸石料并选除可见的块状有害矿物如黄铁矿、砷铁矿），所述A料（含碳物料）为煤矸石富集含碳物料，其中包含大部分的小颗粒碳屑煤质化物料以及煤碳自然吸附的大部分重金属杂质。煤矸石预分离除杂即脱除大部分难以降解且无实际肥效的碳粒、并最大限度地降低可能存在的重金属含量，得到较干净的含腐殖质硅铝酸盐矿物页岩类矸石；预分离除杂产生的石灰岩、砂岩骨料可用于生产建筑砂石，预分离除杂产生的黄铁矿等可作为专用矿石料；
S2，A料资源化：所述S1中A料为富集的含大量碳屑硅铝酸盐矿物混合物料，改性加工成节能渣粉后供应水泥熟料生产线，按6%生料量加入某5500t/d熟料产线，可降低水泥窑煤耗约26.1KG/吨熟料，节约电耗2.2度/吨熟料，替代黏土硅质原料约50%；
S3，B料资源化（制生黑土C料）：以二级破碎装置将脱除大部分碳粒并除杂的B料粉碎至1um~1mm（52.2%）、1mm～5mm（34.1%）、5mm～20mm（13.7%）混合粒径物料，得生黑土（C料）；
S4，制保水防扬尘黑土（D料）：以混合机械将生黑土（C料）与保水透气剂按100:6.5比例混合均匀，得保水防扬尘黑土（D料）；所述保水透气剂为蒙脱石矿物粉；
S5，制改性黑土（E料）：将D料和禽畜粪便废弃物引菌物按C料：禽畜粪便废弃物引菌物：改性砂粒化磷石膏以100:18：25的比例混合，得改性黑土（E料）；所述的禽畜粪便废弃物引菌物为自然陈化10天以上的鸡粪及牛粪便废弃物；
S6，制熟黑土（F料）：所得改性黑土（E料）经保水透气剂和禽畜粪便废弃物引菌自然陈化熟化后，引入蚯蚓以吞噬生物进行活化改性持续增强黑土的生化透气性，以吞噬生物快速活化转化为熟黑土（F料），持续增强/活化及保持改性熟黑土的肥力。
所述的熟黑土经过改性15天后，多点取样取平均值测得，有机质含量19.5g/KG，全氮含量0.16%,速效磷25.2mg/kg,速效钾175.8mg/kg，基本达到黑土肥力评价肥力标准，其中重金属检测：汞、镉以及镍未检出，砷含量0.25mg/kg，铅含量0.044mg/kg,铬含量0.35mg/kg，远小于国家标准规定要求。
所述的熟黑土经过改性60天后，多点取样取平均值测得，有机质含量提升至28.1g/KG,全氮含量0.17%，速效磷含量达到25.9mg/kg，速效钾到达183.6mg/KG，蚯蚓量增加，肥力持续保持，土壤透气性好，土质得以改善。
实施例3
包括以下步骤：
S1，煤矸石预分离除杂：根据碳难以降解为有机腐殖质，而碳对重金属具有天然吸附特性，煤中重金属或吸附于结晶态块粒状煤碳中或以块状矿石存在的特点，将热值1350KJ/kg煤矸石以矸石分离机机械分选预分离为A料（即脱碳得到的含碳物料，分离后的含碳物料平均热值2630KJ/kg）、B料（即块粒状含腐殖质的页岩类矸石料并选除可见的块状有害矿物如黄铁矿、砷铁矿），所述A料（含碳物料）为煤矸石富集含碳物料，其中包含大部分的小颗粒碳屑煤质化物料以及煤碳自然吸附的大部分重金属杂质。煤矸石预分离除杂即脱除大部分难以降解且无实际肥效的碳粒、并最大限度地降低可能存在的重金属含量，得到较干净的含腐殖质硅铝酸盐矿物页岩类矸石；预分离除杂产生的石灰岩、砂岩骨料可用于生产建筑砂石，预分离除杂产生的黄铁矿等可作为专用矿石料；
S2，A料资源化：所述步骤S1所得A料为富集的含大量碳屑硅铝酸盐矿物混合物料，改性加工成节能渣粉后供应火电厂作为燃料发电；
S3，B料资源化（制生黑土C料）：以二级破碎装置将脱除大部分碳粒并除杂的B料粉碎至1um~1mm（20.3%）、1mm～5mm（47.1%）、5mm～20mm（32.6%）混合粒径物料，得生黑土（C料）；
S4，保水防扬尘黑土（D料）：以混合机械将生黑土（C料）与保水透气剂按100:8.5比例混合均匀，得保水防扬尘黑土（D料）；所述的保水透气剂为改性膨润土；
S5, 制改性黑土（E料）：将D料和禽畜粪便废弃物引菌物按C料:禽畜粪便废弃物引菌物：改性砂粒化磷石膏以100:9.5：20的比例混合，得改性黑土（E料）；所述的禽畜粪便废弃物引菌物为自然陈化12天以上的鸭粪及羊粪便废弃物；
S6，制熟黑土（F料）：所得改性黑土（E料）经保水透气剂和禽畜粪便废弃物引菌自然陈化熟化后，引入蚯蚓以吞噬生物进行活化改性持续增强黑土的生化透气性，以吞噬生物快速活化转化为熟黑土（F料），持续增强/活化及保持改性熟黑土的肥力。
所述的熟黑土经过改性15天后，多点取样取平均值测得，有机质含量25.2g/KG，全氮含量0.17%,速效磷18.2mg/kg,速效钾169.3mg/kg基本达到黑土肥力评价肥力标准，其中重金属检测：汞、镉以及镍未检出，砷含量0.22mg/kg，铅含量0.082mg/kg,铬含量0.43mg/kg，远小于国家标准规定要求。
所述的熟黑土经过改性120天后，多点取样取平均值测得，有机质含量提升至27.3g/KG,全氮含量稍有增加，速效磷含量达到25.9mg/kg，速效钾到达178.6mg/KG，蚯蚓量增加，肥力持续增强。
实施例4
包括以下步骤：
S1，煤矸石预分离除杂：根据碳难以降解为有机腐殖质，而碳对重金属具有天然吸附特性，煤中重金属或吸附于结晶态块粒状煤碳中或以块状矿石存在的特点，将热值1300KJ/kg煤矸石以矸石分离机机械分选预分离为A料（即脱碳得到的含碳物料，分离后的含碳物料平均热值2270KJ/kg）、B料（即块粒状含腐殖质的页岩类矸石料并选除可见的块状有害矿物如黄铁矿、砷铁矿），所述A料（含碳物料）为煤矸石富集含碳物料，其中包含大部分的小颗粒碳屑煤质化物料以及煤碳自然吸附的大部分重金属杂质。煤矸石预分离除杂即脱除大部分难以降解且无实际肥效的碳粒、并最大限度地降低可能存在的重金属含量，得到较干净的含腐殖质硅铝酸盐矿物页岩类矸石；预分离除杂产生的石灰岩、砂岩骨料可用于生产建筑砂石，预分离除杂产生的黄铁矿等可作为专用矿石料；
S2，A料资源化：步骤S1中A料为富集的含大量碳屑硅铝酸盐矿物混合物料，直接用于煤浮选；
S3，B料资源化（制生黑土C料）：以二级破碎装置将脱除大部分碳粒并除杂的B料粉碎至1um~1mm（28.2%）、1mm～5mm（42.1%）、5mm～20mm（29.7%）混合粒径物料，得生黑土（C料）；
S4，制改性黑土（E料）：将步骤S3所得生黑土（C料）、禽畜粪便废弃物引菌物、保水透气剂、改性砂粒磷石膏、改性电解锰渣按100:20:10:15:5的比例混合，得改性黑土（E料）；所述的保水透气剂为羧甲基化淀粉、磷酸酯化淀粉；所述的禽畜粪便废弃物引菌物为自然陈化15天以上的羊粪及鸭粪便废弃物；
S5，制熟黑土（F料）：将步骤S4所得改性黑土（E料）经保水透气剂和禽畜粪便废弃物引菌自然陈化熟化后，引入蚯蚓以吞噬生物进行活化改性持续增强黑土的生化透气性，以吞噬生物快速活化转化为熟黑土（F料），持续增强/活化及保持改性熟黑土的肥力。
所述的熟黑土经过改性15天后，多点取样取平均值测得，有机质含量26.5g/KG，全氮含量0.18%,速效磷18.1mg/kg,速效钾123.5mg/kg基本达到黑土肥力评价肥力标准，其中重金属检测：汞、镉以及镍未检出，砷含量0.12mg/kg，铅含量0.052mg/kg,铬含量0.88mg/kg，远小于国家标准规定要求。
所述的熟黑土经过改性240天后，多点取样取平均值测得，有机质含量提升至28.1g/KG,全氮含量0.19%，速效磷含量达到22.9mg/kg，速效钾到达183.6mg/KG，肥力持续保持并略微增强，土质得以改善。
实施例5
包括以下步骤：
S1，煤矸石预分离除杂：根据碳难以降解为有机腐殖质，而碳对重金属具有天然吸附特性，煤中重金属或吸附于结晶态块粒状煤碳中或以块状矿石存在的特点，将热值1500KJ/kg煤矸石以矸石分离机机械分选预分离为A料（即脱碳得到的含碳物料，分离后的含碳物料平均热值2800KJ/kg）、B料（即块粒状含腐殖质的页岩类矸石料并选除可见的块状有害矿物如黄铁矿、砷铁矿），所述A料（含碳物料）为煤矸石富集含碳物料，其中包含大部分的小颗粒碳屑煤质化物料以及煤碳自然吸附的大部分重金属杂质。煤矸石预分离除杂即脱除大部分难以降解且无实际肥效的碳粒、并最大限度地降低可能存在的重金属含量，得到较干净的含腐殖质硅铝酸盐矿物页岩类矸石；预分离除杂产生的石灰岩、砂岩骨料可用于生产建筑砂石，预分离除杂产生的黄铁矿等可作为专用矿石料；
S2，A料资源化：所述S1中A料为富集的含大量碳屑硅铝酸盐矿物混合物料，直接用于火电厂发电；
S3，B料资源化（制生黑土C料）：以二级破碎装置将脱除大部分碳粒并除杂的B料粉碎至1um~1mm（62.2%）、1mm～5mm（24.1%）、5mm～20mm（13.7%）混合粒径物料，得生黑土（C料）；
S4，制改性黑土（E料）：将液态保水透气剂按8%比例喷淋在生黑土C料上，然后加入生黑土C料量约20%的禽畜粪便废弃物引菌物以及生黑土C料量约10的改性砂粒磷石膏混合，得改性黑土（E料）；所述的保水透气剂为水溶性聚丙烯酸盐；所述的禽畜粪便废弃物引菌物为自然陈化10天以上的牛粪便废弃物。
S5，制熟黑土（F料）：所得改性黑土（E料）经保水透气剂和禽畜粪便废弃物引菌自然陈化熟化后，引入蚯蚓以吞噬生物进行活化改性持续增强黑土的生化透气性，以吞噬生物快速活化转化为熟黑土（F料），持续增强/活化及保持改性熟黑土的肥力。
所述的熟黑土经过改性15天后，多点取样取平均值测得，有机质含量32.5g/KG，全氮含量0.16%,速效磷20.2mg/kg,速效钾175.8mg/kg基本达到黑土肥力评价低肥力标准，其中重金属检测：汞、镉以及镍未检出，砷含量0.42mg/kg，铅含量0.022mg/kg,铬含量0.79mg/kg，远小于国家标准规定要求。
所述的熟黑土经过改性360天后，多点取样取平均值测得，有机质含量提升至28.1g/KG,全氮含量基本不变，速效磷含量达到22.9mg/kg，速效钾到达183.6mg/KG，肥力持续保持稳定。
Claims (10)
1.一种以煤矸石脱碳除杂制人造黑土的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，煤矸石预分离除杂：根据碳难以生物降解为有机腐殖质，而碳对重金属具有天然吸附特性，煤中重金属或吸附于结晶态块粒状煤碳中或以块状矿石存在的特点，将煤矸石以机械分选预分离为A料、B料，所述A料为煤矸石富集含碳物料，其中包含大部分的小颗粒碳屑煤质化物料以及煤碳自然吸附的大部分重金属杂质；所述B料为原生黑土物料，即煤矸石预分离除杂脱除大部分难以降解且无实际肥效的大部分碳粒，并最大限度地降低可能存在的重金属，得到的较干净的含腐殖质硅铝酸盐矿物页岩类矸石物料；预分离除杂产生的石灰岩、砂岩骨料用于生产建筑砂石，预分离除杂产生的黄铁矿作为专用矿石料；
S2，A料资源化利用：将步骤S1所得A料直接供应或改性加工成节能渣粉后，供应水泥熟料生产线作为原料利用及节省燃煤的材料，或供应火电厂作燃料，或用于浮选碳；
S3，B料资源化利用：以破碎机械将步骤S1所得B料粉碎至1um～1mm 10～70%、1mm～5mm10～50%、5mm～20mm 10～50%的混合粒径物料，得生黑土，代号命名为C料；
S4，C料制保水防扬尘黑土：以混合机械将步骤S3所得C料即生黑土与保水透气剂按100:0.1～15质量比混合均匀，得保水防扬尘黑土，代号命名为D料；
S5，D料改性黑土，将步骤S4所得D料和禽畜粪便废弃物引菌物按C料:禽畜粪便废弃物引菌物以100:0.5～30的质量比混合，得改性黑土，所述改性黑土代号命名为E料；
S6，E料生物改性制熟黑土：将步骤S5所得改性黑土,即E料经保水透气剂和禽畜粪便废弃物引菌自然陈化熟化，并引入蚯蚓或带蚯蚓粪便土以吞噬生物进行活化改性持续增强黑土的生化透气性，以吞噬生物快速活化转化为熟黑土，所述熟黑土代号命名为F料，持续增强/活化及保持改性熟黑土的肥力。
2.根据权利要求1所述的一种以煤矸石脱碳除杂制人造黑土的方法，其特征在于：S4及S5过程中直接制改性黑土E料的方法如下：将液态保水透气剂按比例喷淋在C料上，然后加入禽畜粪便废弃物引菌物混合或铲和，得E料；
或将C料、禽畜粪便废弃物引菌物、保水透气剂一起按100:0.5～30:0.1～15质量比混合，得E料。
3.根据权利要求1或2所述的一种以煤矸石脱碳除杂制人造黑土的方法，其特征在于，所述保水透气剂为改性膨润土、蒙脱石矿物粉、海藻酸钠、甲基纤维素、接枝淀粉、羧甲基化淀粉、磷酸酯化淀粉、淀粉黄原酸盐、接枝纤维素、羧甲基化纤维素、羟丙基化纤维素、黄原酸化纤维素、水溶性聚丙烯酸盐、聚乙烯醇、聚氧化烷烃、豆蛋白、丝蛋白、谷蛋白、果胶、藻酸、壳聚糖、肝素及高吸水性树脂中的至少一种。
4.根据权利要求1或2所述的一种以煤矸石脱碳除杂制人造黑土的方法，其特征在于，所述禽畜粪便废弃物引菌物为自然陈放7天以上的禽畜粪便废弃物，所述禽畜粪便废弃物引菌物优选自然陈化15天以上的鸡鸭鹅猪羊狗牛粪便废弃物。
5.根据权利要求1或2所述的一种以煤矸石脱碳除杂制人造黑土的方法，其特征在于，步骤S3所得生黑土中，配入改性砂粒化磷石膏、和/或改性砂粒化电解锰渣；利用砂粒化磷石膏或砂粒化电解锰渣中的磷、硫、铁、钙、镁、锰元素作微量元素肥料。
6.根据权利要求5所述的一种以煤矸石脱碳除杂制人造黑土的方法，其特征在于，所述改性砂粒化磷石膏/砂粒化电解锰渣配比总量为生黑土即C料质量的1%-35%。
7.根据权利要求1或2所述的一种以煤矸石脱碳除杂制人造黑土的方法，其特征在于，步骤S4所得改性黑土中，还配入氮肥、磷肥、钾肥、发酵餐厨物、草木灰或生物质粉料中的至少一种。
8.根据权利要求1或2所述的一种以煤矸石脱碳除杂制人造黑土的方法，其特征在于，步骤S4改性黑土中，还配入自然土或烧粘土。
9.根据权利要求1或2所述的一种以煤矸石脱碳除杂制人造黑土的方法，其特征在于，步骤S4所得改性黑土中，还加入专用重金属离子固化剂。
10.根据权利要求9所述的一种以煤矸石脱碳除杂制人造黑土的方法，其特征在于，所述重金属离子固化剂包括改性膨润土粉、蒙脱石矿物粉类晶胞层间吸附剂、及黄原酸酯类、二硫代胺基甲酸盐类、丙烯酸类螯合剂中的至少一种，用于固化和吸附及捕捉人造黑土物料中重金属离子形成不溶于水及不易被植物吸收的沉淀物，以清除其中的重金属生物污染物。
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| CN117862195A (zh) * | 2024-03-12 | 2024-04-12 | 山西青联农业科技有限公司 | 一种利用异位解矿生物发酵床进行铁尾矿土壤化的方法 |
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