重金属污染土壤煅烧稳定化技术的优化：生物有效态Zn与Cu的高效固定

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Optimization of calcination and stabilization technology for heavy metal contaminated soil

本研究针对重金属污染土壤修复需求，优化了煅烧与稳定化联合技术。研究人员系统探究了稳定剂类型与剂量、煅烧温度与时间对生物有效态Zn和Cu固定效率的影响，发现骨粉+CaO在100°C煅烧1小时即可使固定率分别达99.89%和98.89%。该技术为重金属污染土壤提供了一种高效、低耗的修复新方法。

　　

随着工业化进程的加速，重金属污染土壤已成为全球性的环境问题。在中国，超过100万公顷的土地受到重金属污染，耕地土壤超标率高达19.4%。锌(Zn)和铜(Cu)作为常见的污染元素，不仅影响植物生长发育，还会通过食物链危及人类健康。当植物叶片中Zn含量超过100-700 mg/kg时，会出现萎黄、生长迟滞等毒性症状；而过量Cu则可能导致DNA损伤，引发异常增殖甚至致癌。面对如此严峻的形势，开发高效、经济的土壤修复技术迫在眉睫。

目前常用的重金属污染场地修复技术包括固化/稳定化、原位阻隔、玻璃化、土壤淋洗/提取、火法回收等。然而，这些技术各有限制：植物修复周期长，原位阻隔存在二次污染风险，玻璃化则工程量大、成本高昂。其中，固化/稳定化修复技术因其成本低、效率高、效果显著等优势，在放射性危险废物和重金属污染场地修复中应用广泛。但该技术也存在明显缺陷：环境条件变化可能导致已固定的重金属重新活化，造成二次污染。

为克服这一难题，南京农业大学资源与环境科学学院的王同心等研究人员在《Ecotoxicology and Environmental Safety》上发表了一项创新研究，将稳定化技术与煅烧技术相结合，探索出了一条高效修复重金属污染土壤的新路径。

关键技术方法

本研究采用实验室模拟污染土壤，通过添加ZnCl₂和CuCl₂·2H₂O溶液制备重金属污染土壤样品，自然老化40天后使用。研究团队设计了三阶段实验：首先比较骨粉、Na₂S等六种稳定剂及其组合在400°C煅烧条件下的效果；随后优化骨粉+CaO(筛选出的最佳稳定剂)的添加比例(1%-15%)；最后系统考察煅烧温度(100-600°C)和时间(0.5-8小时)对固定效率的影响。采用0.05 mol/L EDTA-2Na提取生物有效态重金属，通过ICP-OES测定浓度，计算固定率。

稳定剂类型的优化筛选

研究人员首先比较了六种稳定剂对生物有效态Zn和Cu固定效果的影响。结果显示，不同稳定剂表现出显著差异：骨粉+CaO组合效果最佳，在400°C煅烧0.5-8小时，可使Zn和Cu的固定率分别达到99.46%和97.10%；而单独使用Na₂S或Na₂S+骨粉组合甚至出现负增强效应，即不仅没有促进固定，反而抑制了固定效果。

这一结果颠覆了传统认知——通常认为Na₂S作为还原剂在重金属污染修复中效果显著。研究团队分析认为，Na₂S作为稳定剂只能提供单一结合位点，高温可能导致其形成的结构分解，从而降低固定效果。而骨粉中的羟基磷灰石具有丰富吸附位点，CaO则能提高土壤pH值，促进重金属氢氧化物沉淀，二者协同作用显著提升了固定效率。

稳定剂剂量的精准控制

确定骨粉+CaO为最佳稳定剂后，研究团队进一步探索了添加剂量(1%-15%土壤质量)对固定效果的影响。结果表明，随着稳定剂用量增加，生物有效态Zn和Cu的固定率均呈上升趋势。当添加量从0.8g(10%)增至1.2g(15%)时，Zn的固定率仅提高2.93%，Cu仅提高0.18%，增幅不显著。考虑到成本效益，最终确定10%的添加量为最佳选择，此时Zn和Cu的固定率分别达到94.46%和97.77%，已能满足实际修复需求。

煅烧温度与时间的巧妙平衡

最令人惊喜的发现来自煅烧条件的优化。与传统认知不同，研究团队发现较低温度(100-200°C)反而比高温(400-600°C)更能有效固定重金属。在100°C下煅烧1小时，生物有效态Zn和Cu的固定率分别高达99.89%和98.89%，而与空白对照相比，固定率提升幅度分别达到56.95%和18.56%，协同效应极为显著。

这一反常现象可能源于骨粉中羟基磷灰石的结构特性。过高温度可能导致其晶体结构改变或部分分解，反而降低吸附能力。而CaO在低温下已能充分发挥其提升pH、促进沉淀的作用。此外，研究还发现煅烧时间对固定效果影响不大，延长处理时间并不会显著提高固定率，这进一步降低了技术能耗。

研究结论与重要意义

该研究通过系统优化，确定了重金属污染土壤煅烧稳定化技术的最佳参数：骨粉+CaO(质量比1:1)作为稳定剂，添加量为土壤质量的10%，在100°C下煅烧1小时。在此条件下，生物有效态Zn和Cu的固定率均可达到98%以上。

这项研究的创新之处在于打破了传统高温煅烧的思维定式，发现低温条件下稳定剂能发挥最佳协同效应。这不仅大幅降低了能耗成本，还为重金属污染土壤修复提供了一种更加经济、环保的技术选择。骨粉作为农业副产品，来源广泛、价格低廉，CaO也是常见的工业原料，二者组合具有良好的推广应用前景。

该技术的成功开发，为我国大面积重金属污染土壤的治理提供了新思路，特别是在中轻度污染农田修复方面具有广阔应用前景。未来，研究人员可进一步探索该技术对其他重金属(如Cd、Pb等)的固定效果，以及在实际田间条件下的长期稳定性，推动该技术从实验室走向实地应用。