现场条件下铝土矿残渣生态工程改良技术土壤中钒（V）形态转化与迁移调控的地球化学机制

针对铝土矿残渣（BR）高碱性（pH>9）导致钒（V）等氧阴离子溶解度高、环境污染风险大的问题，研究人员通过长期现场试验，探究有机质（OM）与钙矿物（如过磷酸钙）共改良对BR技术土壤（technosol）中V形态分布及迁移性的影响。结果表明，V主要赋存于赤铁矿残余相，OM-P处理通过不可逆pH中和（降至7.4-9.1）显著降低V溶解度（降幅91-94%），有机-V络合与Fe氧化物吸附协同实现V固定，为BR生态修复提供关键技术支撑。

　　

铝土矿残渣（Bauxite Residue, BR）是氧化铝冶炼过程中产生的强碱性（pH 10-13）副产物，全球年增量达2亿吨，总堆积量已超46亿吨。其高盐碱、低有机质及可溶性金属（如V、Al、As）的特性严重阻碍生态恢复，传统覆土法成本高昂且无法根治污染。其中，五价钒（V(V)）作为氧阴离子（H₂
VO₄
^-
/HVO₄
^2-
）在碱性环境下溶解度极高，1 mg/L即可引发植物根系毒性，匈牙利BR泄漏事件曾导致下游土壤V浓度达1100 mg/kg，引发牲畜死亡。如何通过生态工程将BR转化为功能性技术土壤（technosol），并控制V的迁移风险，成为环境领域亟待解决的难题。

针对这一问题，澳大利亚昆士兰大学联合Rio Tinto公司的研究人员在《Journal of Hazardous Materials》发表研究，通过为期2年的现场渗滤池试验，系统解析了有机质（OM）与钙矿物（过磷酸钙/石膏）共改良对BR中V形态转化与固定机制的影响。研究采用三种不同堆存年限的BR（NP、P3、P5），设置对照（CK）、OM、OM-P（过磷酸钙）、OM-GP（石膏）四组处理，结合连续提取法（Tessier法扩展水溶相）、X射线衍射（XRD）、ICP-MS等技术，揭示了V的地球化学行为调控规律。

3.1 地球化学变化与V分布
研究发现，V总浓度在P3（668 μg/g）和P5（701 μg/g）显著高于老化NP（403 μg/g），86-96%的V赋存于赤铁矿残余相。OM-P处理使水溶性V降低91-94%（NP从2.06降至0.18 μg/g），氧化态（有机结合）V增加至8.2%，碳酸盐结合V因CO₂
驱动方解石沉淀而升高。

3.2 V地球化学行为的关键控制因素
3.2.1 pH不可逆中和
OM-P处理使pH从12.0降至7.4（NP）和9.1（P5），水溶性V与pH显著正相关（r=0.76），碱性条件下OH^-
与VO₄
^3-
竞争吸附位点导致V溶解度升高。

3.2.2 有机质调控
总有机碳（TOC）与有机结合V强相关（r=0.9），OM分解产生的羧基/醇基通过酯键络合V(V)，或将其还原为更稳定的V(IV)-有机复合物。溶解有机碳（DOC）因Ca²⁺
桥接絮凝作用影响微弱。

3.2.3 Fe矿物稳定机制
残余相Fe与V高度耦合（r=0.98），赤铁矿（>20%含量）晶格中V³⁺
（64.0 pm）替代Fe³⁺
（64.5 pm）是主要固定途径。无定形Fe氧化物（AAO提取）虽占比低（0.7-5.1%），但可短期缓冲V释放。

3.3 V迁移性与生物有效性
OM-P处理使易移动态V（EMF=水溶+交换态）占比从4.5%降至0.12%，AB-DTPA提取的生物有效态V仅占总量0.23-0.80%。pH与EMF（r=0.91）及生物有效态（r=0.93）的强相关性证实中和效应主导风险控制。

该研究首次证实，BR生态工程改良可通过三重机制实现V长效固定：①OM-P驱动pH不可逆中和削弱VO₄
^3-
溶解；②OM-V络合构建有机相“陷阱”；③赤铁矿晶格固定提供终极屏障。相较于传统覆土法，该技术使V污染风险降低90%以上，为全球BR绿色修复提供了可规模化应用的解决方案。未来需结合XANES等技术进一步解析根际微区V形态转化规律，并评估土著盐生植物的长期富集风险。