工业废弃物作为替代衬垫材料的价值化研究综述：从水处理污泥到钢渣的可持续解决方案

为解决传统衬垫材料(CCL/GCL)成本高、资源短缺及环境风险问题，研究人员系统评估了水处理污泥(WS)、生物质灰(BA)、矿业废料(MW)和钢渣(SS)四种工业废弃物的地质工程特性。研究表明，经生物地球化学处理后，这些材料在20-100%掺量下可实现10?9 m/s的渗透系数(k)，形成具有污染物吸附能力的废基地质复合材料。该研究为联合国可持续发展目标(SDG9/11/12)提供了创新实践路径，推动了循环经济发展。

　　

随着全球城市化进程加速，传统衬垫材料如压实粘土衬垫(CCL)和土工合成粘土衬垫(GCL)面临资源短缺、成本高昂及耐久性不足等挑战。据统计，全球每年产生21亿吨固体废弃物，预计205年将增至34亿吨，而矿业和钢铁行业每年分别产生1000亿吨和2.5亿吨废料。这些废弃物若处置不当，将导致土地退化、地下水污染和生态系统破坏。与此同时，联合国可持续发展目标(SDG)要求创新废弃物管理策略，推动资源循环利用。在此背景下，探索工业废弃物作为替代衬垫材料具有重要环境与经济价值。

为系统评估这一课题，研究人员在《Journal of Environmental Management》发表了题为"Valorization of industrial wastes as alternative liner materials: A review"的综述论文。研究团队通过Scopus数据库检索和VOSviewer文献计量分析，筛选了190篇文献（含20篇WS、27篇BA、39篇MW和104篇SS研究），重点考察了材料的渗透性、压实特性、剪切强度等关键参数。研究采用标准地质工程测试方法（包括Proctor压实试验、三轴剪切试验、固结渗透试验等），并结合化学相容性分析和长期耐久性评估。

水处理污泥(WS)的衬垫性能
研究表明，铝基WS(Al-WTS)与土壤以5-20%比例混合时，渗透系数(k)可降至10^?9-10^?10 m/s。其高阳离子交换容量(CEC)和硅铝矿物组成赋予污染物吸附能力，但需注意脱水处理对塑性指数(从670%降至非塑性)的影响。爱尔兰案例显示，纯WS在固结试验中k达10^?11 m/s，但实际工程多采用混合方案以改善施工性能。

生物质灰(BA)的改良作用
稻壳灰(RHA)和甘蔗渣灰(BGA)等BA材料通过火山灰反应提升土壤强度。尼日利亚研究发现，8% RHA掺量可使热带粘土k稳定在10^?9 m/s，且抗干燥开裂性能显著改善。但碱性(pH 9-13)可能影响膨润土的膨胀性能，需通过预处理调节。

矿业废料(MW)的资源化
希腊学者证实，含3%膨润土的火山岩废料k<10^?9 m/s。加拿大团队开发的新型尾矿膏体技术，通过0.5%高吸水性聚合物(SAP)替代膨润土，同样达到规范要求。值得注意的是，赤泥(RM)因含铁氧化物具有重金属固定化潜力，但需评估长期淋溶风险。

钢渣(SS)的工程应用
瑞典实地研究表明，电炉渣(EAFS)与钢包渣(LS)以55:45比例混合后k达10^?12 m/s，满足非危险废物填埋场防渗要求。中国团队发现水洗预处理可降低钢渣中多价阳离子含量，使膨润土-钢渣复合材料的k减少一个数量级。

研究结论指出，四类废弃物中WS和BA更适合作为粘土改良剂（掺量≤20%），MW和SS则可作为主体材料（掺量可达50-100%）。关键挑战在于建立标准化测试方法，并开发多模态复合材料以平衡力学性能与环境安全性。该研究为废弃物管理提供了新范式，通过"以废治废"策略，既缓解了原材料压力，又减少了环境污染，对实现碳中和目标具有双重意义。未来研究应聚焦于：（1）现场长期监测数据采集；（2）复杂化学环境下的材料稳定性；（3）全生命周期经济性评估，以推动技术成果转化。