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工业固废协同制备技术土壤研究：以电解锰 residue、赤泥、石膏灰为原料，添加CaO、秸秆和生物炭，通过浸出实验、理化分析及盆栽试验，验证了最优配比（5% CaO+5%生物炭+3%秸秆）下技术土壤的pH值（8.75）、有机质及N/P/K养分显著提升，污染物（NH4+-N、Mn、TP、F-）固定率均超90%，并重建了以假单胞菌、德沃斯氏菌为优势的微生物群落，证实了协同固化、养分重构与微生物生态恢复机制，为多源工业固废安全资源化提供技术路径。
Juanjuan Yin|Qian Zhang|Kai Zhong|Yan Liao|Siting Lu|Junyu Xiang|Xingzhi Pang|Chaolan Zhang
广西大学资源、环境与材料学院，中国南宁
摘要
工业固体废物的大规模积累导致了严重的土地资源浪费和环境风险。本研究提出了一种新策略，利用电解锰渣、红泥和磷石膏，并添加CaO、秸秆和生物炭来共同制备技术土壤。通过浸出实验、物理化学分析及盆栽实验，系统评估了不同改良组合下的污染物固定效果、土壤养分、植物生长情况以及微生物群落的变化。结果表明，在最佳配方（5% CaO + 5% 生物炭 + 3% 秸秆）下，制备的技术土壤pH值为8.75，有机质及可利用的氮（N）、磷（P）、钾（K）养分含量显著提高，达到与农田相当的水平。机制分析显示，CaO协同促进了Mn2+、F-和PO43-转化为稳定的氟化物/磷酸盐矿物相，污染物固定率超过90%。同时，过量的NH4+通过挥发作用被去除，部分以鸟粪石的形式被保留下来，从而保持了土壤中的氮素。此外，秸秆和生物炭的加入优化了土壤结构，并丰富了能够降解有机物的细菌种类（如Pseudomonas、Devosia）。盆栽实验中苏丹草的正常生长证实了该系统生态功能的初步恢复。该方法实现了污染物固定、养分重构及微生态系统的恢复，同时阐明了各组分在复合系统中的作用和协同机制。本研究为多种工业固体废物的协同利用及矿区的生态修复提供了一条可行的技术途径。
引言
工业固体废物的可持续管理是全球面临的主要环境挑战之一。电解锰渣（EMR）、红泥（RM）和磷石膏（PG）是工业生产过程中产生的大量固体废物。这些废物的堆积量持续增加，但其资源利用率普遍较低[1]。EMR、RM和PG分别含有高浓度的可溶性Mn2+/NH4+-N、强碱性/重金属以及可溶性磷/氟化物，通过淋溶或径流可能对土壤、地下水和水体造成污染[2]、[3]、[4]。目前对这些废物的处理方法主要采用传统的单一材料处理方式，如回收有价值金属、用于建筑材料或开发环境修复材料[5]。尽管这些方法实现了部分废物利用，但往往存在经济或技术限制，且无法在系统层面实现多种废物的协同处理和增值利用。
技术土壤是指含有超过20%人工添加物质的表层土壤，通过按特定比例混合有机和无机废物来满足特定的功能或农艺需求[6]、[7]。其制备是废物资源回收的重要途径。这类系统的土壤形成过程依赖于固体废物的内在特性，结合化学调控激活养分、钝化污染物，以及结构改良和生物培养，从而促进自维持土壤生态系统的发育[8]。先前的研究表明，EMR和PG的复合基质可以支持苏丹草的生长[9]，而经过酸碱中和后的RM-PG人工土壤具有丰富的养分和微生物多样性，能够维持黑麦草和小麦等植物的生长[10]。然而，固体废物的复杂组成带来了二次污染风险（如污染物淋溶和养分流失）。为了大规模安全应用，必须确保关键环境指标（如污染物淋溶量和总重金属含量）符合相关法规要求。
尽管已有研究证实了EMR的土壤形成潜力，但其与多种固体废物的协同处理仍面临挑战，例如高浓度的NH4+-N和Mn的存在，以及有机质的严重缺乏。以往的研究常使用MgO来沉淀和固定氨氮，取得了一定效果[11]，但由于其固定能力有限，难以显著降低EMR中的氨氮残留。为解决这些问题，本研究选择了三种材料用于土壤改良：CaO（强碱性钙源）、秸秆（易于获取的外源有机物质）和生物炭（具有多孔结构和稳定的碳框架，有助于有机质和矿物质的保留及养分缓释）。基于此，本研究提出以下假设：在EMR、RM和PG的复合系统中，科学配比的CaO、秸秆和生物炭协同作用可以系统调节基质pH值，促进有机质积累并改善团聚体结构，有效固定污染物，同时保留并缓慢释放植物可利用的养分，从而形成具有生态功能的技术土壤。
因此，本研究系统研究了由EMR、RM和PG制备的技术土壤的基本性质。具体研究目标包括：（1）评估混合多源固体废物及优化改良剂对技术土壤中污染物的固定效果；（2）分析不同改良组合下技术土壤的基本物理化学性质和养分保持特性；（3）验证技术土壤对植物的适用性，探索其建立微生物系统的潜力，并阐明其协同作用机制。研究结果为多种工业固体废物的安全、大规模资源利用和生态修复提供了可行的技术途径和理论支持。
实验材料
实验所用材料（均来自中国广西壮族自治区）经过风干、破碎并筛分至粒径<0.85毫米。所有材料的基本性质见补充表S1和图S1。简要说明如下：EMR的pH值接近中性（7.13），但NH4+–N淋溶量极高（499.03 mg/L），Mn含量为1694.80 mg/L；RM呈强碱性（pH 11.12），富含Cr、Ni、As；PG呈酸性（pH 3.11），TP含量高（83.22 mg/L），氟化物淋溶量也较高（448.47 mg/L）。
为确保
技术土壤基质中的污染物固定效果
与单一原材料相比，添加了CaO、秸秆和生物炭的技术土壤对目标污染物的固定效果显著。NH4+-N、Mn、TP和氟化物的淋溶浓度分别降低了87.21%、98.73%、97.23%和97.70%（图1），超过了EMR和PG二元系统的固定效率[20]。这种初步的固定效果可能归因于RM中的碱性成分引起的沉淀和共沉淀作用。
结论
本研究利用EMR、RM和PG制备了添加了CaO、秸秆和生物炭的技术土壤，研究了污染物固定、养分重构及微生态系统的恢复情况，揭示了污染物稳定化和生态功能恢复的协同机制。这三种固体废物的混合物使NH4+-N、Mn、TP和氟化物的淋溶量分别降低了87.21%、98.73%、97.23%和97.70%。添加5%的CaO后，效果更显著。
作者贡献声明
Siting Lu：方法学设计、数据管理。Junyu Xiang：数据管理。Kai Zhong：撰写、审稿与编辑、数据管理。Yan Liao：实验研究、数据管理。Xingzhi Pang：撰写、审稿与编辑、数据分析、概念构建。Chaolan Zhang：撰写、审稿与编辑、项目监督、资金筹措。Juanjuan Yin：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据管理、方法学设计、实验研究、概念构建。Qian Zhang：
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFD1901300）和广西壮族自治区重点研发计划（GKAB23075115）的支持。
