KOH活化油页岩生物炭对污泥中Cu、Zn、Ni的稳定化机制及环境风险控制研究

本研究针对污泥土地利用中重金属二次污染难题，创新性地采用KOH浸渍热解油页岩制备生物炭(OS-BC)，通过SEM、BET、FTIR表征证实其具有64.3226 m2/g比表面积的孔隙结构。研究发现30%添加量作用10天可使Cu、Zn、Ni活性态转化率达37.29%-46.72%，通过Visual MINTEQ模拟揭示其通过促进OH?/CO32-生成不溶沉淀的稳定机制，淋溶实验显示重金属累积浸出浓度降低60.3%-80.7%，为油页岩尾矿与污泥协同资源化提供新路径。

　　

在城市化进程加速的背景下，污水处理厂产生的污泥处置已成为困扰环境领域的"老大难"问题。这些富含有机质的污泥本可作为土壤改良剂，但其中潜藏的重金属就像"定时炸弹"——铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)等金属离子会随着雨水迁移，或被作物吸收进入食物链，最终威胁人类健康。传统处理方法要么成本高昂，要么可能造成二次污染，如何经济高效地"锁住"这些重金属，成为突破污泥土地利用瓶颈的关键。

与此同时，另一种工业固体废弃物——油页岩尾矿正以每年近9000万吨的规模在全球堆积。这些因粒径小、含油率低被直接丢弃的采矿副产品，其资源化利用途径亟待拓展。辽宁抚顺矿业集团与沈阳建筑大学的研究团队独辟蹊径，提出"以废治废"的循环经济思路：将富含矿物质的油页岩通过KOH活化热解转化为生物炭(OS-BC)，用于固定污泥中的重金属。

研究人员首先对制备的OS-BC进行多维度表征。扫描电镜(SEM)显示其具有发达的孔隙网络，比表面积测试(BET)测得64.3226 m²/g的比表面积，傅里叶红外光谱(FTIR)检测到丰富的含氧官能团。灰分分析揭示其矿物含量高达72.60%，这为后续重金属稳定化提供了物质基础。通过设置5%-40%的添加梯度和0-20天的作用时间，系统考察了OS-BC对污泥中重金属形态转化的影响。

实验结果显示，当OS-BC添加量达到30%、作用10天时，Cu、Zn、Ni从活性态向稳定态的转化率分别达到37.29%、35.07%和46.72%。X射线衍射(XRD)分析发现，处理后的污泥中出现了新的矿物相，如碱式碳酸铜(Cu₂(OH)₂CO₃)和氢氧化镍(Ni(OH)₂)。通过Visual MINTEQ 3.1软件模拟，研究人员破解了稳定化机制：OS-BC提高了体系中的OH?和CO₃^2-浓度，促使重金属形成难溶性氢氧化物/碳酸盐沉淀，同时通过表面络合和离子交换将其固定在矿物晶格中。

为验证实际环境安全性，团队设计了模拟降雨淋溶实验。数据显示，经OS-BC处理后的污泥，其Cu、Zn、Ni的累积浸出浓度较未处理组分别降低了60.3%、80.7%和79.3%。这种显著的抑制效果表明，重金属的生物可利用性和迁移性得到有效控制，为后续土地利用扫清了环境风险障碍。

该研究的创新性体现在三个方面：首次将油页岩尾矿转化为高效重金属稳定剂，开辟了"采矿废物-环境材料-污泥修复"的跨领域资源化路径；通过多尺度表征结合计算机模拟，阐明了OS-BC介导的"沉淀-矿化-络合"多重稳定化机制；提出的30%添加量+10天作用时间的优化参数，为工程应用提供了直接参考。研究成果不仅为解决污泥土地利用的瓶颈问题提供了新材料，更践行了"无废城市"的建设理念，实现了两种固体废物的协同增值利用。

未来，这种OS-BC材料有望作为土壤改良剂应用于矿山修复、盐碱地改良等领域。但研究者也指出，需要进一步开展田间试验验证长期稳定性，并评估其对土壤微生物群落的影响。该成果为固体废物资源化提供了可复制的技术范式，其"以废治废"的核心思路对处理其他复合污染问题具有启发意义。