赤泥的土壤化改良研究进展

     铝是当今国民经济发展和国防建设中必不可少的战略金属材料，平均每生产1t金属铝要消耗2t氧化铝，而赤泥是氧化铝生产工业排出的污染性固体废弃物，由于氧化铝生产工艺及铝矿石品位不同，每生产1t氧化铝大约附带产生1~2t的赤泥。按照《国家危险废物名录》和《危险废物鉴别标准通则》(GB5085.7—2019)，赤泥为一般性固体废弃物，不属于危险废物。据估计，目前全球赤泥堆存量已超过40亿t，并以每年约1.5亿t的速度增加。我国是氧化铝主要生产国之一，赤泥累计堆存量已达6亿t，并以每年7000万t的速度持续增加。

　　赤泥具有碱性强、盐度高、物理结构不良、营养成分匮乏、含有重金属和放射性元素等极端理化性质，其堆存不仅占用大量土地，还会造成粉尘污染、地下水碱化、土壤板结、动植物死亡或生长发育畸形等，甚至严重威胁人体健康。受堆存场地地理和气候条件等的影响，赤泥堆场还存在溃坝风险，如令人震惊的匈牙利AjkaiTimfoldgyar氧化铝厂赤泥堆场溃坝事件，约有70万m3赤泥流出，造成10人死亡，100多人受伤，40km2土地受到污染。而且溃坝事件带来的生态环境危害是长期的，经过近10年，仍能检测到其危害的存在。我国贵州贵阳、广西靖西、山东聊城等多地也发生过此类事件，给当地生态环境和居民带来严重危害。如何正确、高效、规模化地处置和利用赤泥，以减少其对生态环境和人体健康的威胁，成为国内外学者持续关注的热点问题之一。

　　目前，国内外关于赤泥综合利用的研究主要集中在有价金属提取回收、建筑材料制备、催化剂和环境治理材料制备、路基材料应用等方面。受制于赤泥强碱性、高盐性、成分复杂、粒度小等特性，其综合利用难度大，再加上技术和经济方面的限制，目前赤泥综合利用尚未形成规模。此外，由于赤泥盐碱性高且含有众多重金属离子及放射性元素，其综合利用的潜在环境和安全问题不能忽视，若利用不当，容易带来由点源污染变成面源污染的风险。鉴于上述原因，目前赤泥多继续堆积在堆场，赤泥土壤化改良和堆场生态修复被认为是最有希望解决赤泥问题的方法之一。

一、赤泥的理化性质

     赤泥具有碱性强、盐度高、粒度小、容重大、成分复杂、有机质含量低等特性，其pH为9.7~12.8（平均值为11.3)，电导率为1.4~28.4mS/cm（平均值为7.4mS/cm)，新鲜赤泥中0.005~0.075mm粒组质量约占90%，容重为0.7~1.0g/cm3，赤泥中含有Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Al(OH)^-4、SO₂^-4、CO₂^-3、OH^-等大量离子，其中交换性Na⁺质量分数平均可达69%，还含有As 1.0±0.1mg/kg、Cr 1350±120mg/kg、Cd 1.3±0.1mg/kg、Cu 52±3 mg/kg、Hg 0.3±0mg/kg、Pb 50±8mg/kg、Ni 80±3 mg/kg、Co 16±2 mg/kg、Zn 80±4 mg/kg等金属元素，其中Cr超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》(GB15618—2018)中农用地土壤污染风险管制值，Cd超过了农用地土壤污染风险筛选值。另外，赤泥中还含有Ra 203±35Bq/kg、Th 598±18Bq/kg)、U 350±14Bq/kg等放射性元素，成分非常复杂。赤泥的这些极端性质导致赤泥堆场难以实现自然生态重建，同时也造成其很难被有效利用。

二、赤泥土壤化改良的基本机理

     赤泥的高盐碱性、低有机质含量、细颗粒、团聚结构差等性质是限制堆场植被重建和生态修复的主要因子，因此目前国外开展的赤泥土壤化改良主要是借助外在干预手段改善其极端理化性质，目的是降低其pH、电导率，增加颗粒粒度、有机质含量，改良其物理结构，使其逐渐趋近于土壤，以利于生物生存，实现生态恢复和重建，减少其对周边生态环境和居民的危害。同时，通过改良其极端理化性质，促进其规模化利用，能从根本上解决赤泥污染和综合利用的难题。基于赤泥的不同理化性质，结合国内外已开展的研究，赤泥土壤化改良的基本机理可概括为以下方面：

     (1)通过直接添加或间接促进形成有酸、无机酸或酸性物质等方式来降低赤泥pH。采用直接添加酸或酸性物质时，主要利用某种酸性物质直接中和赤泥碱性物质，降低其pH，但酸性物质的添加量不宜过高，否则可能影响赤泥的其他基本性质，而且还要考虑成本及对周边生态环境的影响等问题；采用间接促进酸或酸性物质形成的方式，主要通过添加某种改良剂进行分解、转化或微生物／植物等分泌、转化、代谢、驱动等途径促进酸或酸性物质的形成，达到降低赤泥pH的目的。

     (2)通过钝化、吸附、沉淀、转化、离子交换等方式降低赤泥中Na⁺等盐离子和金属离子的含量及电导率，改良赤泥矿物成分等。

     (3)通过添加改良剂、促进胶结物质形成、增强酶活性等方式促进大团聚体等的形成，增加颗粒粒度、降低容重，改善赤泥物理结构。

     (4)通过添加有机质等方式，提高赤泥营养元素含量，为植物和微生物的生长提供条件。

 

     (5)通过筛选和培植耐性微生物和耐性植物，充分发挥微生物和植物在降低赤泥pH、提高赤泥肥力、降低赤泥容重等方面的作用，改善赤泥理化性质，同时以微生物和植物的生长状况作为赤泥改良效果的表征和评估手段。

三、 赤泥土壤化改良的主要措施

 基于赤泥的基本理化性质特点及改良机理分析，目前已开展的赤泥土壤化改良措施研究主要可概括为表土覆盖、基质改良、植物修复、微生物修复、联合措施改良等，赤泥土壤化改良通常以pH和电导率的降低、有机碳的升高及团聚体结构、孔隙度等物理结构的改善等作为指示性指标。覆盖

　   表土覆盖是将新鲜土壤覆盖到赤泥堆表面，配合植被种植以改善赤泥堆场极端环境的方法一方面，可通过覆土的方式使赤泥堆场表面适合生物生存，发挥植被等对赤泥的改良作用，有效降低赤泥pH。在澳大利亚北部地区的戈夫氧化铝精炼厂赤泥堆场超过20年的植被重建实践中，表土覆盖配合植被种植促进了稳定生态系统的建立和发展，5年内赤泥pH从10.5下降到9.5，约15年后，在覆盖层厚的地方土壤pH保持中性，树、灌木、草等植物生长良好并出现优势植物，但在覆盖层较薄的地方，表层土壤开始盐碱化且植物生长状况较差（植物主要为草类），这可能是由于覆盖层薄的土壤性质受到下层赤泥影响，进而影响植物生长。另一方面，采用表土覆盖并种植植被护坡，可降低坡面的水土流失和扬尘污染，改善赤泥堆场及周边生态环境质量。

     虽然表土覆盖可在一定程度上改良赤泥堆场的极端条件，但这种方法不仅需要大量的土壤，而且耗时长、经济成本高，需要长期监管，还会出现表层土壤盐碱化的问题，需定期补充土壤，所以仅用表土覆盖的方式尚不能妥善解决赤泥堆场的生态环境问题。

3.2

基质改良

     基质改良是过去国内外研究的热点和焦点，主要是通过向赤泥中添加改良剂以改善其理化性质，关于基质改良的研究主要围绕改良剂的筛选及其对赤泥盐碱性调控、培肥赤泥质量、改善赤泥物理结构等方面的改良效果提升。研究发现，石膏、有机物等在改善赤泥理化性质方面具有较好的作用。

     磷石膏是湿法磷酸工艺产生的固体废弃物，价格低、易获取，常被用做石膏的替代物，用于赤泥的改良。室内研究和场地研究均发现，石膏具有降低赤泥pH和交换性Na⁺含量、提高交换性Ca²⁺含量、改善赤泥团聚体结构等作用，而且其改善效果会长期存在，这主要是由于Ca²⁺可协同空气中的CO₂沉淀赤泥中过量的OH^-等碱性阴离子，从而降低基质中的pH和自由碱含量，石膏的添加向赤泥中引入了大量的Ca²⁺，而Ca²⁺可置换赤泥中的Na⁺，降低可交换Na⁺的含量。在研究和实际应用中使用磷石膏等工业废石膏虽然可以“以废治废”，对改善赤泥理化性质具有较好的效果，具有很好的应用前景，然而它们往往含有一些有害因子（如重金属等），会带来一定的生态环境风险。

 

     有机物也是一种常用的赤泥改良剂，粪肥、生物质、有机堆肥、污泥、锯屑、醋渣、糠醛渣、腐殖质等有机物在过去的研究中常被使用。添加有机物的直接作用体现在明显增加赤泥有机碳，改善其养分条件，促进植物、微生物等的生长。此外，对降低赤泥pH、增加孔隙度、降低容重和颗粒密度、促进大团聚体形成、减小赤泥比表面等也有一定作用，添加比例越高，改善幅度越大。不同有机物对赤泥pH的改善效果存在一定差异，这主要与培养时间、有机物本身性质及复杂程度、分解难度等有关系。以上可以看出，有机物在赤泥土壤化改良和堆场生态修复中具有很好的应用前景，然而有机物加入后需要一定的分解时间才能被植物和微生物利用，且会被不断消耗，需要定期补充，这在一定程度上会增加修复成本，同时有些工业有机废物可能带入一些新的污染因子。

     上述不同改良剂的联合作用效果也得到了国内外研究学者的关注，不同改良剂的联合改良效果优于其单独使用效果，如石膏与蚯蚓粪、家禽粪肥、或菌渣等有机物联合使用均能显著降低赤泥pH、交换性Na⁺含量，增加赤泥养分和植物生物量等，联合作用效果明显高于其单独作用效果,说明当石膏与有机物联合使用时，能充分发挥两者的改良作用，同时还能促进植物和微生物改良作用的发挥，提高对赤泥的改良效果。

 

     除石膏和有机物等改良剂外，海水、卤水、废酸、酸性气体也被研究用于赤泥理化性质的改良。海水中和能降低赤泥pH和交换性Na⁺的含量，改善赤泥物理结构，还能增加Ca、Mg、K等元素的含量，但仅用海水中和赤泥仍无法达到利于植被重建的程度，而且由于远距离的抽水工程会大大增加赤泥处理成本，海水中和仅适用于临海地区，目前仅用于少数氧化铝精炼厂。工业卤水可降低赤泥pH和碱度，但目前关于卤水中和赤泥的方法主要限于实验室研究，改良机理尚不够明确，且其成本较高，还会引入大量的Cl^-，不利于植物和微生物生长。废酸、酸洗废液、酸性飞灰、CO₂和SO₂废气等也被用于中和或部分中和赤泥高碱性，使用废酸、酸洗废液通常用量大、成本高，而且往往会带入其他有毒有害因子，造成二次污染，酸的加入还会增加赤泥中重金属的溶出，影响赤泥的化学成分和物理结构。使用酸性气体进行中和成本较高，且较难操作。

     以上研究表明，添加改良剂对赤泥pH、盐离子含量、团聚体结构、有机碳含量等理化指标具有较好的改良效果，特别是充分利用不同改良剂的特点进行联合使用时改良效果更明显，这说明添加改良剂是促进赤泥土壤化改良的一种有效手段，具有较好的应用前景，然而一些改良剂存在成本高、用量大、受地域限制、容易带来二次污染风险等问题，在一定程度上限制了其大规模应用。修复

    植物修复主要是通过耐性植物的作用降低赤泥的盐碱度等，使赤泥具备生物生存的基本条件。当前，关于植物对赤泥的改良研究主要集中在耐性植物的筛选及耐性植物对赤泥理化性质的改良效果等方面。

     一些耐盐碱性强的植物对赤泥表现出一定的耐性，并对降低赤泥pH、提高有机碳含量、增加赤泥微生物数量等有一定的作用。紫花苜蓿、罗滋草、黑麦草、三叶草、芦竹、阿拉伯金合欢、阔荚合欢、怪柳、碱蓬、菌草和竹子等植物被发现具有较强的耐盐碱能力，能在赤泥中生存，而且可降低赤泥盐碱性、提高有机碳含量，同时对赤泥中的金属离子等具有一定的吸收能力。耐盐碱性植物可释放有机酸，并刺激微生物代谢产酸，提升根区的CO₂分压，有利于赤泥的碱性调控和生态修复。此外，耐盐碱性植物在赤泥中的定植还能促进赤泥微生物的生长，促进微生物修复作用的发挥。

 

     赤泥土壤化改良的主要目标是使赤泥转化为类土壤或土壤以恢复植被的可持续生长，耐性植物的定植是赤泥土壤化改良情况的重要表征。但由于赤泥的极端理化性质，耐性植物难以在赤泥中大量生长，需对赤泥进行一定的改良或长时间自然风化后，才能引入耐性植物并发挥作用，因此植物修复措施多需与其他措施联合使用。爱尔兰Aughinish氧化铝工厂的赤泥堆场进行的大规模现场修复试验中，添加砂改良赤泥质地和结构、添加石膏降低赤泥pH和交换性Na⁺含量、添加有机质提供养分后，能促进植物的大规模生长，说明通过改良赤泥的极端性质并提供充足的养分后可实现植被的重建，极端的性质和养分匮乏是植被重建的关键限制因素。物修复

    微生物群落在土壤形成、能量转移、养分调动和循环、生态系统稳定等方面发挥着重要作用。当前关于微生物修复赤泥的研究主要围绕耐性微生物的筛选及其对赤泥理化性质改良方面的作用。

      耐盐碱菌株对赤泥的高盐碱环境具有一定的耐受性。近年来，已从赤泥堆场筛选出多株耐性菌株。山东省茌平县赤泥堆场中发现两株耐盐碱菌株—FJAT-44921T和FJAT-44876T，它们均为革兰氏阴性菌，能在高盐碱条件下生存。刘中凯等也从赤泥堆场中筛选出19株耐盐碱菌株，最终选出两株耐性极强、能显著降低赤泥pH、胶结土壤黏粒提高大团聚体含量的耐盐碱菌株。微生物对赤泥理化性质的改良作用主要包括通过代谢产酸、胞外聚合物、CO₂等途径降低赤泥pH，改善赤泥团聚体结构，提高赤泥有机碳含量，促进植物生长等。鉴于耐盐碱菌株在赤泥改良中的作用，微生物改良措施被用到赤泥中。与单一菌株接种相比，拥有较高生物多样性的微生物接种剂更能保证修复效果，SANTINI等在其两项研究中分别将土壤及苏打湖底泥、修复过的赤泥、土壤作为接种剂并配施一定的有机物应用在赤泥生态修复中，证实较高生物多样性的接种剂配以简单的有机物对赤泥理化性质的改良效果更好。张立平将成熟土壤作为微生物接种剂添加至赤泥中，发现加入土壤微生物后赤泥物理结构得到改善，Na⁺进一步释放，添加有机质的处理效果更明显。

 

     微生物对改良赤泥盐碱性和物理结构等具有一定的作用，但赤泥环境中有机质含量低，性质极端，这会限制微生物的生存与繁殖，影响其活性，降低赤泥改良和生态修复的效果。因此，在使用微生物改良赤泥时应当与其他改良措施联合使用。合措施改良

 不同措施在赤泥土壤化改良中各具特色，作用机理和效果不甚相同，为充分发挥不同措施的优势，联合改良措施被研究和应用在赤泥改良中，研究较多的是基质改良与植物或微生物的联合应用。

 改良剂的加入可改善赤泥理化性质，利于植物和微生物定植；植物和微生物的存在反过来又可加速赤泥改良进程、增强改良效果。向赤泥中添加有机物后可增加赤泥中有机碳含量，促进微生物数量、活性、基础呼吸的显著增加，同时微生物能分泌大量有机酸、无机酸、CO₂及胞外聚合物等，起到中和赤泥pH、胶结赤泥细颗粒、改善赤泥物理结构、改变离子含量、降低赤泥盐度等作用。场地修复也发现石膏、有机质和植被种植等改良方法修复不同年限后，赤泥理化性质明显改善，特别是修复的后几年，说明植物根系系统和微生物群落的发展推动赤泥的土壤发育。经过石膏、有机堆肥、植物修复处理不同年份后的赤泥细菌群落与未经处理的赤泥细菌群落结构存在很大差异，这些微生物可促进赤泥的土壤化过程。对美国铝业公司在西澳大利亚的奎纳纳和平贾拉精炼厂赤泥修复效果进行为期10年的长期监测发现，有机质积累、功能性微生物群落的形成及多种植物物种组合对改变赤泥理化性质和促进养分循环至关重要。

 

 由上可以看出，联合修复措施既可发挥改良剂的作用，又可为植物和微生物的生存提供一定的条件，促进其效用的发挥，不同措施的改良效果叠加甚至放大，会大大加快改良进程，同时可兼顾改良成本、时效性和可行性等问题。此外，植物和微生物的定植是赤泥土壤化的重要表征，植物和微生物的生长状况直接体现赤泥的改良效果。联合修复是赤泥土壤化改良中非常有应用前景的措施。

四、改良过程中存在的生态环境风险

 赤泥滤液中的各类化学成分在堆放过程中会发生渗透和迁移，造成土壤碱化及地下水污染。对赤泥进行改良和生态配置时，要添加不同改良剂，植物种植后，要对其进行灌溉，这将改变堆场赤泥的理化性质、污染物形态、生物指标等，带来潜在风险。

 一方面，不同改良措施会影响赤泥盐离子的迁移。石膏会影响赤泥盐分的迁移和渗透性，增加盐离子的淋洗，随着石膏添加比例的升高，淋洗液中Na⁺、CO₃^2-和SO^2-₄浓度显著增加，Ca²⁺、Mg²⁺浓度随着淋溶时间的推移先降低后逐渐升高。虽然赤泥盐离子的减少会促进赤泥土壤化和植物等的定植，但淋洗出的盐离子会对周边土壤、地下水等产生一定影响，加剧生态环境风险。另一方面，还会对赤泥中重金属元素的稳定性和迁移性产生影响。正常状况下赤泥中的重金属多以残渣态存在，较稳定，当pH降低时，重金属的迁移性明显增强，Al、Cr等重金属的浸出量明显增加。醋渣和糠醛渣可有效抑制赤泥中Al、V、Pb的浸出，却可促进Cu、Mn、Ni和Mo的浸出，其中Mo的最高浸出质量浓度可达29.37mg/L，具有较高的环境风险。重金属元素浸出量的增加会对赤泥堆场周边土壤和地下水等带来污染风险。

 

 由上可看出，虽然有些措施对赤泥土壤化改良具有较好的促进作用，但在改良过程中会引起赤泥中盐离子、微量金属等向周边环境的迁移，带来一定的生态环境风险。在研究和选用改良措施时除关注改良效果外，还应注重评估和控制其潜在生态环境风险。此外，在进行赤泥堆场生态修复和土壤化改良时会对赤泥堆场原状带来一定程度的干扰，影响赤泥堆场稳定性，因此应当严格落实水土保持措施，在做好护坡工程等基础上进行赤泥的土壤化改良，避免水土流失或赤泥堆场溃坝事件等。

五、 结论与展望

1.赤泥具有碱性强、盐度高、营养匮乏、结构不良等极端理化性质，先锋植物和微生物难以定植，资源化利用效率低，综合利用难度大，赤泥的堆存不仅污染生态环境，而且会对居民健康产生潜在影响。通过赤泥改良实现赤泥堆场的植被复垦和生态恢复对于环境污染防治具有重要意义，当前的改良措施对赤泥极端理化性质具有一定的作用，但也存在一些问题，限制了其大规模使用：

 ①表土覆盖配合植被种植可改善赤泥pH等理化性质，减少水土流失和扬尘污染，但其具有耗时长、需要新鲜土壤量大、成本高、需要长期监管和补充土壤等特点，适用性受到限制。

 ②基质改良可改善赤泥理化性质，促进植物和微生物的生长，石膏和有机物在促进赤泥土壤化改良方面具有很大前景，海水、卤水、废酸、酸性气体等对改善赤泥理化性质也有一定作用，但这些方法研究和应用相对较少。基质改良剂虽然可改善赤泥理化性质，促进其土壤化，但部分方法仍存在改良机理不明确、技术不成熟、成本较高、存在二次污染风险等问题，限制了大规模使用。

 ③一些耐性植物和微生物具有较好的耐盐碱性，能在赤泥中生存，反映和表征赤泥的土壤化改良程度，同时可通过代谢产酸和分泌物等方式改善赤泥pH、有机质含量、物理结构等，但极端理化性质和养分匮乏是影响生物重建的关键因素，需配合改良剂对赤泥极端性质进行改良并提供充足养分或经过漫长自然风化后方能实现植物和微生物的良好生长。

 ④不同改良措施的联合使用能取长补短，增强改良效果，加快改良进程，常用的联合措施有改良剂与植物／微生物联合使用等。一方面，可调控赤泥碱性，改善植物和微生物生存条件，为植物与微生物提供营养物质；另一方面，植物和微生物的存在也可增强改良效果，是较理想和有效的改良措施，但其用量、比例、工艺流程等尚不够明晰。

2. 赤泥土壤化改良研究已取得了一定成果，但目前大规模应用还较少，仍存在一些问题尚待解决，未来的研究工作建议从以下方面开展：

 ①加强不同基质改良剂改良机理和时间变化规律研究，揭示影响改良效果的关键因素及不同影响因素间的耦合作用及作用机制，加强不同改良措施的配合施用，控制用量和比例，降低成本，增加其适用范围。

 ②加强不同改良措施及其联合使用的技术和工艺研究，确定技术参数，优化工艺流程，扩大使用范围，简化操作流程。

 ③重视植物和微生物的改良作用，致力于研究赤泥极端性质的改善和养分的提高，促进植物和微生物的定植，进一步明晰植物和微生物的作用机制，识别其功能发挥的主要过程和影响因素，促进植被和微生物的大规模生长，发挥植物和微生物对赤泥的改良作用。

 ④加强赤泥改良和赤泥堆场生态重建的潜在生态环境风险研究和监测，明确不同改良措施对赤泥盐离子、微量金属离子形态和迁移特征等的影响，评估不同措施的潜在生态环境和健康风险，结合改良效果，对改良措施进行不断改进。