利用自持续阴燃法由酸性矿山尾矿制备构建型技术土的可行性

《Environmental Research》：Feasibility of self-sustaining smoldering for the preparation of constructed Technosols from acidic mine tailings

　　

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  阴燃将酸性矿山尾矿转化为构建型技术土。
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  阴燃降低了产酸潜力，并提高了养分有效性。
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  阴燃促进了溶解性有机物的腐殖化和黄铁矿的耗竭。
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  尽管砷的移动性增加，但由此产生的技术土促进了黑麦草的生长。

引言

随着快速工业化和经济社会发展，集约化采矿生产产生大量尾矿，并储存于尾矿库中（Li 等，2024）。据估计，全球尾矿总足迹超过 200,000 平方公里，年产量超过 200 亿吨（UNEP，2020）。堆积的尾矿带来了长期污染风险，特别是当它们呈酸性并含有硫化物矿物时，接触水和氧气后会生成酸性矿山排水（Wang 等，2026a）。由此产生的酸性水体 pH 值低、硫酸盐含量高，并可能含有有毒金属，从而破坏邻近环境的生态平衡（Wang 等，2026b）。除了这些场外影响外，尾矿表现出极端的酸性、有机质（OM）和养分缺乏以及物理结构差等问题，阻碍了植物定殖和演替，通常导致地表裸露（Wang 等，2026c；Zornoza 等，2017）。传统修复需要大量表土来重建根区，以支持尾矿景观中植物的定殖和生长（Wu 等，2019b），但这种方法通常受到场内土壤稀缺以及场外开挖和运输成本高企的限制（Wu 等，2019b）。因此，一种能够创造土壤结构以支持植物发育并降低酸性矿山尾矿环境风险的可持续策略至关重要且十分紧迫。

近期，将尾矿工程化为构建型技术土（CTs）已成为一种高效技术，可将尾矿转化为支持场地修复期间植物定殖的类土壤基质（Wu 等，2019a；Yi 等，2021）。技术土被定义为“上层 100 厘米内含有 20% 或更多人为物质（人造物）的土壤”（IUSS，2015）。它们可以通过人为物质的沉积或运输无意形成，也可以通过工程设计有意形成；后者被称为 CTs（Zi 等，2026）。Wu 等（2019a）发现，由添加甘蔗覆盖物和生产菌接种剂的尾矿制备的 CTs 支持了本地和外来植物的存活。Al-Lami 等（2022）表明，由金属尾矿与生物固体和生物炭或腐殖质结合开发的 CTs 可以支持生物能源作物的生长。同样，Morugán-Coronado 等（2021）报告称，在由含黄铁矿的尾矿与生物炭和大理石废渣混合开发的技术土中，皮草披针草 实现了迷迭香 的成功定殖。尽管生态工程尾矿转化为 CT 对场地复垦具有成本效益，但由于上述恶劣的尾矿特性，用于从酸性矿山尾矿制备 CT 的材料和改良剂必须经过精心选择，以满足土壤功能要求，这使得该过程不便且耗时。因此，亟需一种从酸性矿山尾矿制备 CT 的简单高效方法。

热处理长期以来一直被探索为改变矿山尾矿理化性质的一种手段。高温焙烧或烧结可以减少金属移动性并氧化硫化物矿物（Kamariah 等，2022；Wang 等，2019），从而降低酸性矿山排水的生成潜力。然而，传统热技术通常能耗高、操作复杂，且在场地规模上经济上难以承受（Li 等，2023c），限制了其在矿山现场大量尾矿中的广泛应用。在此背景下，阴燃燃烧作为一种新兴的热处理技术，已被引入作为处理废物（包括污水污泥、粪便、油泥、消化物和食物垃圾）的有前景的技术（Fu 等，2024）。一旦点燃，阴燃可以在没有外部能量输入的情况下自行维持，使其比现有技术更具经济优势（Duchesne 等，2020；Song 等，2022）。将自维持阴燃应用于酸性矿山尾矿，在氧化硫化物矿物和中化产酸潜力方面具有特别的前景。最重要的是，当生物质作为替代燃料使用时，产生的生物炭和生物灰可以为处理后的尾矿提供有机碳（C）以及磷（P）和钾（K）等养分（Li 等，2023a, c），从而支持植物生长，这是 CT 应用的主要目的（Zi 等，2026）。然而，使用自维持阴燃从酸性矿山尾矿制备 CT 的可行性仍未经探索。

因此，本研究假设阴燃可以作为从酸性矿山尾矿制备支持有根植物生长的 CT 的一种高效且可持续的策略，具体通过以下方式实现：1）通过氧化硫化物矿物降低酸性矿山尾矿的产酸潜力；2）通过形成生物炭和生物灰增加有机 C 和养分含量；3）通过阴燃释放的热量改变尾矿的物理结构。在本研究中，探讨了使用生物质作为阴燃的替代燃料从酸性矿山尾矿制备 CT 的潜力。首先，评估了关键场地特定参数对阴燃特性的影响。接下来，研究了阴燃对产酸潜力及 CT 中重金属相关环境风险的影响。此外，考察了 CT 的理化特性、溶解性有机质（DOM）和植被恢复潜力——这些是土地利用的关键指标——对阴燃的响应。进一步分析了阴燃对酸性矿山尾矿中主要矿物改性的影响，这是将尾矿转化为类土壤基质的关键步骤。本研究推进了阴燃的应用，并为从酸性矿山尾矿制备 CT 提供了一种有前景的工程方法。

章节摘要

样品与化学试剂

酸性矿山尾矿样品采集自中国云南省德宏州梁河县一处废弃矿区（24°55′34′′ N, 98°15′22′′ E）。该地区位于高黎贡山和腾冲火山的一个支脉，海拔 2,243–2,394 米，属南亚热带季风气候。该场地的锡矿开采持续了大约 30 年，直到 1999 年露天开采停止。由于历史上的尾矿沉积和贫瘠的

阴燃

含水量、生物质粒径、生物质比例和气流等实验因素——在现实条件下影响阴燃的典型变量——可以影响与 CT 性能相关的阴燃特性（Li 等，2023b 和 c）。然而，仅选择了酸性矿山尾矿与 WS 之比以及气流速率来研究它们对阴燃特性的影响（表 1），因为这些参数允许操作人员通过选择来调控

结论

本研究首次将生物质燃料的自维持阴燃应用于从酸性矿山尾矿制备 CT。适当的尾矿与 WS 之比（3:1–6:1）和气流速率（0.2–0.9 m³/h）能够维持自维持阴燃，同时调节反应温度和速率。阴燃通过矿物氧化以及碱性灰分和生物炭的掺入，有效降低了尾矿的产酸潜力并提高了中化能力。增加

CRediT 作者贡献声明

赵群：写作 – 审阅与编辑、调查研究、形式分析。吴张倩：可视化、软件。王茂涵：写作 – 初稿、方法学、数据整理、概念化。王小雨：验证、形式分析。马松泽：调查研究、概念化。魏松浩：资源、数据整理。陈学波：验证、软件。胡学伟：写作 – 审阅与编辑、资金获取。黄建红：写作 – 审阅与编辑、资源。杨浩：写作 – 审阅与

未引用参考文献

IUSS Working Group WRB，2015；U.S. Environmental Protection Agency，1992。

利益冲突声明

? 作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能被视为影响本论文中报告的工作。

致谢

本工作由中国国家重点研发计划（2023YFC3708103）、云南省基础研究计划项目（202401BE070001-044）和云南省重大科技专项（202302AB080010）资助。作者还感谢匿名审稿人和编辑，他们的有益建议和启发性的意见提高了稿件的质量。

Maohan Wang|Zhangqian Wu|Qun Zhao|Xuebo Chen|Songhao Wei|Songze Ma|Xiaoyu Wang|Jie Li|Hao Yang|Jianhong Huang|Xuewei Hu|Senlin Tian