综述：煤基固体废弃物作为土壤改良剂的资源化利用：基于中国循环经济的改性策略、作用机制与环境迁移路径

《Recycling》：Valorization of Coal-Based Solid Wastes as Soil Amendments: A Review of Modifications, Mechanisms, and Environmental Pathways in the Chinese Circular Economy

　　

煤基固体废弃物（coal-based solid wastes, CBSWs）的大量产生已在全球范围内带来严峻环境挑战，与此同时，广泛存在的土壤退化正威胁粮食安全与生态系统稳定。本综述在循环经济框架下，系统评估了将CBSWs——包括煤矸石、粉煤灰、气化渣和脱硫石膏——资源化用作土壤改良剂的技术可行性及农业生态效益。研究人员系统考察了主要CBSWs类型的理化特征，分析了可提升其性能与安全性的改性方法，并评估了其对土壤物理结构、化学性质、养分动态、重金属固定化以及微生物群落的多重影响。文中设专节讨论环境风险，尤其是有毒元素淋溶问题，并提出了从源头筛选到施用后监测的一体化控制策略。当前在气候变化情景下污染物长期稳定性、分子尺度固定化机制以及经济规模化方面仍存在关键知识空缺。未来研究必须优先发展先进低能耗改性技术，开展稳健的长期田间研究，并推动国际法规的协调统一。综述认为，在科学指导的改性和严格风险管理条件下，CBSWs可被转化为安全且多功能的土壤调理剂，从而在应对工业废弃物管理问题的同时，促进全球退化土壤健康的恢复。

1. Introduction

文章开篇指出，煤炭在全球能源体系中仍占据基础性地位，特别是在新兴经济体中，其在发电和工业燃料中的贡献依然显著。伴随煤炭开采、洗选、燃烧及气化过程，大量煤基固体废弃物（CBSWs）持续产生，主要包括煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏和气化渣。文中强调，传统“获取—制造—处置”线性管理模式以露天堆存和填埋为主，不仅占用大量土地资源，还可能引发重金属和可溶盐淋溶、煤矸石自燃及SO₂、CO、H₂S、CO₂、NO_x、CH₄和多环芳烃释放等环境问题。与此同时，全球范围的土壤退化表现为物理退化、化学退化和生物退化，已直接危及农业生产力、水质安全和生态系统服务。文章据此提出，循环经济理念为CBSWs的高值化利用提供了现实路径，即通过将其加工为土壤改良剂，同时缓解工业固废堆存压力与退化土壤修复材料短缺问题。引言进一步指出，现有研究多聚焦单一废弃物类型或单一用途，缺乏覆盖主要CBSWs类型、改性技术、土壤作用机制及环境风险治理的综合性整合，因此本文旨在填补这一系统性综述空白。

2. Methodology

方法学部分说明，本文主要基于Web of Science数据库检索截至2026年的相关研究文献，围绕“coal based solid wastes”“soil”“physical properties”“chemical properties”“environmental risk assessment”“heavy metal immobilization”“physical modification”“chemical modification”“biological modification”“microbial communities”“economy”等主题词开展筛选。研究采用预设纳入与排除标准，并参照PRISMA 2020流程图进行文献甄别。初始检索得到1135条记录，去重后经题名和摘要筛查、会议论文及非英文文献剔除，最终纳入204篇文献用于综述。作者明确说明，本研究并非严格意义上的系统评价或Meta分析，而是借助系统化检索方法提高文献选择的可追溯性与论证稳健性，同时承认潜在发表偏倚仍然存在。

3. Types, Characteristics, and Inherent Suitability of Coal-Based Solid Wastes

本节从类型学与材料本征属性角度分析CBSWs作为土壤改良剂的适用性，指出其理化性质受煤源地质背景、提取工艺以及燃烧或处理技术显著影响，因此不同废弃物在土壤修复中的功能定位存在明显差异。

3.1. Coal Gangue

煤矸石是产量最大的煤基固体废弃物，主要来源于采煤、掘进和洗煤过程。其矿物组成通常以SiO₂和Al₂O₃为主，同时含有Fe₂O₃、CaO、MgO、K₂O及残余碳。文章指出，煤矸石颗粒粗大且形状不规则，在黏重或细质地土壤中可充当物理骨架，降低容重、增强通气与排水并缓解压实。经适当活化后，其黏土矿物组分还能提升土壤团聚性和阳离子交换能力，并作为磷、钾、硅的缓释来源。然而，原始煤矸石活性有益组分浓度低，保水保肥能力有限，且FeS₂氧化可能引发酸性排水，伴随Cr、Pb、Cd等潜在有毒元素风险，因此直接施用受限。文章认为，热活化、机械粉磨、水热处理和微波活化等方法可提升其养分有效性和吸附性能，同时降低环境风险。

3.2. Fly Ash

粉煤灰是燃煤烟气中捕集的细颗粒残余物，也是农业和土壤相关研究中最常见的CBSW类型。其球形颗粒通常粒径为1–100 μm，这一形貌特征使其在粗质土中可填充大孔隙、增强持水性，在黏质土中则可降低容重、提高总孔隙度。多数粉煤灰具有碱性，可作为酸性土壤的低成本石灰调理剂，同时补充Ca和Mg。部分粉煤灰还具有火山灰活性，可在土壤体系中逐步形成水化硅酸钙凝胶（calcium-silicate-hydrate, C-S-H），有助于团聚体长期稳定。其含有B、Mo、Zn等植物所需微量元素，但高施用量下可溶盐尤其是B可能造成植物毒性，As、Se、Mo、Ni、Cr和Cu等元素在碱性且排水良好的环境中还具有较高淋溶迁移潜力。因此，文章认为粉煤灰用于土壤改良前必须开展预处理和风险控制。

3.3. Gasification Slag

气化渣来源于整体煤气化联合循环系统或合成天然气生产过程，其化学组成与粉煤灰明显不同。文章指出，其最突出的特征是5%–40%的残余碳，以多孔、低反应性的焦炭形式存在；无机部分则在气化中熔融形成玻璃态渣体。高度多孔和泡沫状结构赋予其较大的比表面积，可显著增强土壤保水性和通气性，同时提高土壤有机碳含量，并为微生物提供栖息空间。研究综述表明，气化渣能提高土壤微生物量碳、氮、磷及碱性磷酸酶活性，但其碳组分在分解过程中可能暂时固定氮素；此外，气化条件下还可能富集可溶性痕量元素，因此施用前必须进行充分表征与适当处理。

3.4. Desulfurization Gypsum

脱硫石膏即烟气脱硫（flue gas desulfurization, FGD）石膏，是一种高纯度合成副产物。其土壤利用价值主要来自较高溶解度和Ca供应能力。对于高交换性钠百分比的苏打土，石膏释放的Ca²⁺可置换土壤胶体表面的Na⁺，后者再与SO₄^2?形成可淋洗的Na₂SO₄，从而降低交换性钠百分比，促进絮凝、改善团聚结构并增强水分入渗。文章同时指出，FGD石膏还是重要的硫源，能通过促进谷胱甘肽和植物螯合肽生物合成提高作物抗重金属胁迫能力。但其潜在风险在于脱硫过程可能引入Cl^?和Hg等杂质，因此施用前仍需做好元素浓度表征与监测。

4. Modification Methods to Enhance Efficacy and Mitigate Risks

本节系统梳理用于提升CBSWs土壤应用效果并降低风险的改性方法，认为大多数CBSWs未经处理时直接施用并不理想，需通过物理、化学和生物技术激活有益特性、钝化污染物并匹配不同土壤情景。

4.1. Physical Modification

物理改性主要改变粒径、形貌和比表面积，而不直接改变材料基础化学组成。文章指出，机械活化是最基础且最节能的方式，通过破碎与研磨将粗颗粒CBSWs转化为更细粉体，从而显著提高比表面积，暴露更多Si-O和Al-O反应位点，增强与水分、养分和土壤胶体的相互作用，并加快难溶矿物的溶解与养分释放动力学。热活化则通过500–900 °C煅烧诱导有利相变，例如将高岭石脱羟转变为高活性的偏高岭土（metakaolinite），进而提升火山灰活性与土壤结构稳定性，但能耗相对较高。文章还提到微波活化与水热处理等技术，可在较低时间或较优能耗条件下促进活性组分释放，尤其对煤矸石、粉煤灰和气化渣中的养分提取和清洁化肥料制备具有应用潜力。

4.2. Chemical Modification

化学改性通过改变表面化学、促进养分溶出或固定污染物来提升CBSWs功能。碱活化利用NaOH、KOH等破坏硅铝骨架，生成活性硅酸盐和铝酸盐单体；酸活化则借助H₂SO₄、HCl或H₃PO₄溶出Al³⁺、Ca²⁺、Fe³⁺等金属离子，形成富硅多孔结构，并可通过磷酸盐沉淀机制固定重金属。文章特别强调，磷酸盐、铁氧化物和有机稳定剂等添加剂可显著增强CBSWs对Pb²⁺、Cd²⁺、Zn²⁺和Cu²⁺等阳离子重金属的吸附、络合与包埋能力。不过，作者也指出化学改性试剂成本通常明显高于物理改性，工业规模推广面临经济约束。

4.3. Biological Modification

生物改性被认为是与生态过程高度一致的可持续途径。文章介绍，堆肥化通过将煤矸石或粉煤灰与畜禽粪便、污泥、农业残体等有机废弃物共混，在好氧微生物作用下实现有机质降解、矿物风化、病原体削减与腐殖化，最终形成富含腐殖质的稳定有机—矿物复合物。蚯蚓堆肥（vermicomposting）则进一步借助蚯蚓消化系统与共生微生物强化有机质和矿物颗粒转化，提升硝态氮和有效磷水平，并改善孔隙结构和微生物多样性。微生物浸出或生物活化则利用硅酸盐溶解菌、解磷菌、嗜酸菌或嗜碱菌等直接作用于CBSW基质，释放养分或去除重金属。综合比较后，文章认为机械粉磨结合生物活化可能是在大规模条件下兼顾成本、能耗与效果的最现实路径。

5. Effects on Soil Properties

本节讨论改性CBSWs对土壤物理、化学和生物性质的系统影响，强调有效土壤改良应体现三类效应的协同。

5.1. Physical Property Improvements

在物理性质方面，粉煤灰、气化渣和煤矸石可通过重塑土壤孔隙结构来降低容重、提高孔隙度和增强持水能力。粉煤灰球形颗粒具有“滚珠效应”，有助于改善土壤质地；气化渣的高孔隙度则特别适合提高粗质土的保水能力。文章指出，合理配比的煤矸石—粉煤灰混合物可使饱和导水率接近天然土壤水平，从而优化水分入渗并减少地表径流。

5.2. Chemical Property Improvements

在化学性质方面，CBSWs可同时缓解酸化、盐碱化、养分缺乏和重金属污染。粉煤灰中的CaO和MgO具有持续石灰化效应，FGD石膏则通过Ca²⁺/Na⁺交换改善盐碱土。CBSWs还可作为缓释矿质养分库，向土壤逐步释放P、K、Ca、Mg、Fe及Si等元素，并通过提高阳离子交换能力减少NH₄⁺和K⁺淋失。对于重金属固定化，文章总结了吸附、离子交换、磷酸盐沉淀、氢氧化物或碳酸盐沉淀以及Fe、Mn氧化物表面配位等多重机制，并进一步引入电子穿梭视角，指出腐殖质可作为电子传递介体，促进Cr(VI)向Cr(III)、U(VI)向U(IV)等还原转化，从而实现比单纯吸附更稳定的污染物形态改变。

5.3. Biological Property Improvements

在生物性质方面，改性CBSWs通过改善通气、水分和养分环境，促进微生物群落恢复和功能增强。文章指出，加入CBSWs后土壤细菌多样性通常提高，Proteobacteria等富养型类群相对丰度增加，而Acidobacteria等寡营养型类群下降，反映出土壤向较高肥力状态演替。同时，固氮、硝化、解磷及丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi, AMF）等功能群得到富集，增强植物对P和Zn等低迁移性元素的吸收。土壤酶活性方面，脲酶、磷酸酶、β-葡萄糖苷酶和脱氢酶等关键酶活性在适宜施用条件下普遍升高，说明CBSWs并非直接提供酶，而是通过改善土壤环境来刺激原生微生物代谢并提升养分循环效率。

6. Environmental and Agronomic Risk Assessment and Management

文章指出，CBSWs作为土壤改良剂的潜在收益必须结合全生命周期风险评估加以审视，并建立主动性管理框架。

6.1. Leaching and Mobility of Contaminants

最关键风险是As、Se、Mo、B、Cd和Pb等潜在有毒元素的长期淋溶与迁移。文中综述表明，极端降雨情景可显著加快污染物向深层土壤和地下水迁移，且Pb和Cd风险尤其突出。重金属的生物富集与食物链转移也是重要风险路径，长期食用受污染作物可能造成肾毒性、神经毒性和致癌风险。文章同时强调，元素迁移行为高度依赖其化学形态、土壤pH和氧化还原条件，因此必须开展长期淋洗与原位监测研究。

6.2. Agronomic and Ecological Toxicity

农业与生态毒性方面，未风化CBSWs中的高浓度可溶盐、活性Al、Fe、Mn以及重金属污染可抑制植物生长、扰动微生物和土壤动物群落，严重时甚至导致完全失去植被定居能力。但文献也显示，在载体土壤、腐殖酸、聚丙烯酰胺、沸石粉和FeSO₄·7H₂O等配合调控下，微生物群落结构和养分循环能力可得到明显改善，说明毒性风险并非不可控，而取决于前处理与施用策略。

6.3. Radiological Concerns

辐射风险部分指出，煤及其副产物天然含有²³⁸U、²³²Th、²²⁶Ra及其衰变产物。燃烧后这些核素在粉煤灰中可能富集，因此需通过γ能谱等手段进行放射学表征。尽管部分研究发现粉煤灰中核素活度较原煤及背景值升高，但煤矸石案例的人体年有效剂量当量仍低于自然本底辐射水平。文章据此认为，在多数农业修复情境下，辐射风险相较于重金属淋溶和生物累积风险通常处于较低等级，但仍不应忽略源头检测。

6.4. Integrated Safety-Control and Management Framework

基于上述风险，文章提出了多重屏障式一体化安全控制与管理框架。其核心包括：施用前对每批CBSW进行强制性源头表征，检测总量和可淋溶PTEs、B含量、盐度及放射性核素活度；根据材料特性选择适宜改性路径；施用后持续监测土壤化学性质、肥力参数、水质、污染物淋溶、作物组织中PTEs与核素以及重金属生物有效态变化。作者强调，监测数据应反馈至适应性管理决策中，以动态调整施用量、辅助手段或土地利用方式。

7. Challenges, Knowledge Gaps, and Future Perspectives

文章最后总结了CBSWs土壤利用的关键瓶颈。首先，不同原料煤和工艺条件造成CBSWs显著异质性，增加了改性标准化与产品质量控制难度。其次，在气候变化驱动的洪涝和干旱交替情景下，已固定污染物的长期稳定性仍缺乏充分约束。再次，先进改性技术的能耗、药剂成本与运输成本仍限制其规模化应用，供应链、市场体系、公众接受度及“废物污名化”同样构成现实障碍。未来研究应重点利用X射线吸收近边结构（X-ray absorption near-edge structure, XANES）、扩展X射线吸收精细结构（extended X-ray absorption fine structure, EXAFS）等同步辐射技术揭示分子尺度固定化机制，开展跨气候区、跨作物体系的长期大田试验，并将CBSWs与生物炭、消化污泥等废物流构建协同复合材料。同时，需发展全生命周期评价与技术经济分析，完善“废弃物终止属性”判据、产品标准、监管沙盒与公私合作机制，从而将CBSWs资源化纳入区域工业—生态共生体系，并探索其与土壤碳汇市场对接的可能性。

8. Conclusions

结论部分认为，CBSWs由环境负担向土壤改良资源的转化具有现实潜力，但其可行性高度依赖具体材料类型、改性方式和施用场景。经物理、化学和生物改性后，这些异质性废弃物可在一定程度上改善土壤结构、调节pH、补充养分、固定中等程度重金属并促进微生物活性。然而，由于成分波动和污染物存在，必须实施严格表征、定制化处理和全过程风险管理。未来只有在低能耗、低成本改性技术突破、长期跨学科证据积累以及配套政策和市场机制逐步健全的基础上，CBSWs作为土壤修复材料的循环经济路径才可能实现更广泛和更安全的应用。