大宗工业固废“类土壤化”利用新范式丨中国工程科学

编者按

我国冶金、煤炭、化工等行业每年产生约4×109 t大宗工业固体废物（固废），制约了行业绿色转型。国家鼓励拓宽固废在矿山充填、生态修复、土壤改良等方面的生态化消纳途径，但目前生态化利用研究边界不明确，总体研究进展比较缓慢，亟需全面审视大宗工业固废综合利用现状与生态转型面临的挑战，提出大宗工业固废利用新范式。

中国工程院柴立元院士研究团队在中国工程院院刊《中国工程科学》2025年第3期刊发《大宗工业固废“类土壤化”利用新范式》一文。文章基于研究团队近期提出的“地球宏循环”研究新范式下，进一步提出“类土壤化”新概念，较“生态化利用”更形象、较“土壤化”更全面，从“全固废”生态回填、“半成土”生态修复、“全成土”生态回归三个层次，在环境风险可控的前提下，提出将固废的属性拓展为“类似土壤”属性的新范式，通过构建固废消纳多维感知与路径决策体系，开发障碍因子协调消减技术及结构重构 ‒ 关键生源元素循环技术，建立固废“类土壤化”利用生态安全效应评价技术与标准体系，以期破解固废资源环境约束难题，从而实现从“废弃矿山”“荒芜渣山”到“绿水青山”的转变，达成大宗工业固体废物从自然中来到自然中去的终极目标，助力实施可持续发展战略、“双碳”战略，推进“无废城市”建设。

一、前言

作为全球矿产资源消费大国，我国矿产资源开发已步入深部开采与低品位矿综合利用阶段。随着主要矿山矿石品位的持续下降，低品位矿开发利用过程中的固体废物（固废）产生量持续攀升。以铜矿为例，每生产1 t铜精矿产生的铜尾矿从2000年的128 t增至当前的218 t，尾矿产出率高达98%。我国《大宗工业固体废物综合利用“十二五”规划》中明确提出，大宗工业固废指我国各工业领域在生产活动中年产生量在1×107 t以上、对环境和安全影响较大的固废，主要包括：尾矿、煤矸石、粉煤灰、冶炼渣、工业副产石膏、赤泥。大宗工业固废已成为制约资源开发与环境保护协调发展的关键问题。

当前，我国面临大宗工业固废产生量增加的严峻态势。2023年的统计数据显示，我国大宗工业固废的产生量约为4.234×109 t，同比增长2.34%，历史堆存总量约为6×1010 t。其中尾矿堆存总量已超过2×1010 t，约82%集中于铁矿、铜矿、金矿和磷矿加工领域。在山西、内蒙古等煤炭主产区，煤矸石累积堆存量达7×109 t，并以1.5×108 t/a的速度增长。火力发电行业产生的粉煤灰年积存量约为2×108 t，历史堆存总量突破3×109 t 。大宗工业固废堆存不仅占用大量的土地资源，而且加剧了生态环境风险。

面对如此严峻形势，大宗工业固废的综合利用率却呈现不升反降的异常趋势。2023年，我国大宗工业固废综合利用率为53.32%，下降3.16个百分点，其中尾矿综合利用率仅占30.13%，磷石膏综合利用率达49.9%，但仍离《磷石膏综合利用行动方案》中规定的到2026年磷石膏综合利用率达65%的发展目标有一定距离。针对这一困局，国家政策导向正在发生战略性转变。国家发展和改革委员会等十部委联合出台的《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》中明确指出推进产废行业绿色转型；2024年8月，《自然资源部办公厅关于严守土石料利用政策底线 进一步完善矿山生态修复激励措施的通知》中提到要推动尾矿等采选活动产生的一般矿业固废在生态修复工程中的生态化利用，在严格污染风险管控、符合土壤环境质量要求、确保环境安全的前提下，鼓励用于土壤改良等。

本文立足我国大宗工业固废规模化消纳的重大需求，全面审视大宗工业固废综合利用现状与生态转型面临的挑战，据此提出“类土壤化”利用新范式，讨论大宗工业固废“类土壤化”利用途径及关键技术，为破解固废资源环境约束难题、实现从“废弃矿山”到“绿水青山”的转变提供参考，助力实施可持续发展战略、“双碳”战略，推进“无废城市”建设。

二、大宗工业固废“类土壤化”利用的背景

（一）大宗工业固废资源化利用有限

我国大宗工业固废资源化利用主要包括再选回收和有价元素提取、生产建材及矿山回填等。从利用规模来看，可用于二次再选回收的固废数量有限，以尾矿为例，进一步分选和提取将面临技术壁垒与投资成本高的难题，回收后还会再次排放大量固废；一些冶金渣能提炼出稀贵金属或其他有价元素，但制备高端产品的难度很大，成本过高。对于生产建材，主要是利用固废中SiO2、Al2O3、Fe2O3等组分替代或部分替代黏土作为原料或辅料，但近几年水泥、混凝土等这些可以大量消纳固废的重点建材行业受产能过剩影响，利用的固废量减少，而且随着建材标准的提升，为保证产品性能，固废的掺比降低。我国铁尾矿在高性能混凝土中替代细骨料的最佳比例为30%~50%，主要受限于铁尾矿掺量过高影响材料的流动性、力学性能和施工性能；粉煤灰在混凝土中的掺量通常可以达到胶凝材料质量的15%~50%，提高粉煤灰利用率的关键是攻克大掺量混凝土前期强度不够的难题；脱硫石膏替代天然石膏作为原材料烧制硫铝酸盐水泥熟料时，其用量需控制在20%~35%；钢渣难以利用是由于其活性低的问题；煤矸石在建筑材料领域的综合利用方式主要取决于其矿物组成，存在反应活性不足无法完全替代黏土的问题。因此，寻求大宗工业固废规模化消纳的途径，已成为我国矿产资源可持续开发利用的重要保障。

（二）大宗工业固废规模化消纳困难

目前，矿山回填是消纳工业固废最直接有效的途径之一，但存在充填成本高、输送难度大等问题。尾矿库堆存尾矿固化后表层成土及周边污染土壤改良并实现复垦，既能大规模消纳尾矿，也能缓解尾矿堆积所带来的环境污染风险，又能促进植被恢复和生长，提高尾矿库土壤碳汇量，助力可持续发展战略和“双碳”战略目标的实现，是尾矿综合利用的重要发展方向。煤基固废如煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏等在土壤改良及其修复、环境污染治理等方面的利用也至关重要，但由于煤基固废成分复杂性高、建材化利用等综合利用产品区域供需结构失衡、生态化利用技术仍处早期研发阶段等，尚未形成可规模化消纳的成熟技术。赤泥土壤化修复是其消纳量最大的处理方式，通过稳定化、酸碱调控、生物修复等技术，减轻或消除赤泥的污染和影响，恢复土壤自然生态功能。随着固废消纳尺度的扩大，载体变为生态，系统为整个地球。区域环境容量限制大宗工业固废规模化利用已逐渐成为制约矿区环境保护及冶金、煤炭、化工等行业可持续发展的重大难题，开展固废规模化利用新范式的研究迫在眉睫，这对优化产业布局及矿区生态环境保护具有重要的现实意义。

三、大宗工业固废“类土壤化”利用的基本途径

（一）“类土壤化”概念

尽管大宗工业固废资源化利用与规模化消纳面临双重困境，但传统技术路径的创新突破始终未能有效解决固废基质与自然土壤系统的兼容性问题。在此背景下，国际学术界自20世纪80年代起逐步形成了“类土壤”理论体。1988年，联合国粮食及农业组织等在《世界土壤图图例（修订版）》中首次提出“人为土”概念，并将其定义为：由于人类活动如搬运或搅动表层土壤、挖土或填土、长期增添有机质和连续灌溉等活动，导致原有土壤层次被明显改变或埋藏的土壤。1997年，在莫斯科召开的“人为土发生问题国际会议”，聚焦工业化背景下扰动或堆积土壤（如城郊土壤、矿区废弃地、工业固废堆积区等）的理化性质演变与治理技术，系统探讨了人工造土的理论框架。2006年，第18届国际土壤学大会正式将“技术新成土”列入世界土壤资源参考基准的新增参考土壤组，定义为人工材料含量超过20%且位于地表100 cm范围内的土壤，通过有机 ‒ 无机固废配比调控实现植被适生性与土地利用适配性，其成土过程涵盖风化、沉降、团聚及有机质矿化等机制。这种“以废代土”的转变，有望突破传统资源化路径对原料品质的严苛要求，将固废处置与生态修复需求深度耦合，为破解大宗工业固废规模化利用困局提供新路径。目前，由固废构建人工技术土壤的制备技术主要为堆肥成土和机械混合成土，并大多以多源固废协同制备。该类人造土壤的应用领域主要包括园林绿化、农业、城市绿化、贫瘠土壤修复等。但现行技术体系虽确立了固废成土的理论路径，但主要技术范式仍局限于固废属性向土壤属性的单一转化路径，在路径效率与普适性提升方面亟待突破。

（二）“类土壤化”利用新范式

在绿色高质量发展的目标下，国家倡导优先采用更具工业附加值的综合利用方式，坚持规模化利用与高值利用相结合。耦合生态修复与固废处理的充回填措施已被纳入国家标准《一般工业固体废物贮存和填埋污染控制标准》（GB 18599—2020）；鼓励探索尾矿在生态环境治理领域的利用，推动有价金属提取后剩余废渣的规模化利用；要求持续推进煤矸石和粉煤灰在工程建设、塌陷区治理、矿井充填以及盐碱地、沙漠化土地生态修复等领域的利用。因此，在绿色转型的范式重构中，系统解构大宗工业固废的多维度价值具有基础性科学意义，其属性认知的深化是突破传统线性经济模式下“末端消纳”路径依赖，进而建立“资源化 ‒ 功能化 ‒ 生态化”梯级利用范式的前提条件。

近期，中南大学柴立元院士团队提出创新循环模式“地球宏循环”，实施大宗工业固废“从哪里来，到哪里去”的生态回归，实现其大规模消纳与生态处置，重塑生态系统。在此基础上，进一步提出“类土壤化”概念，成为解决大宗固废规模化消纳的有效途径之一，是全面实现难消纳工业固废“地球宏循环”与生态回归的关键。大宗工业固废“类土壤化”具有多目标性的特点，在生态本底、区域环境、社会经济等存在差异的条件下，通过三层次架构（见图1）实现梯度转化：①“全固废”生态回填——保留固废属性进行原位填埋；②“半成土”生态修复——兼具固废与土壤改良剂属性实施修复；③“全成土”生态回归——完成类土壤属性转变实现生态重组。在严格污染风险管控、符合土壤环境质量要求、确保环境安全的前提下，构建了包含“属性保留 ‒ 改良过渡 ‒ 属性重构”的层级化生态转化范式，突破传统单一成土路径的局限性。

图1　大宗工业固废“类土壤化”利用内涵

大宗工业固废在“全固废”矿山回填的利用途径中仍然是一般工业固废，将其用于采坑回填，协同实施生态修复可有效提升固废资源化利用水平、改善生态环境，依靠自然恢复能力，结合必要的人工修复措施，对矿产资源开发造成的生态破坏进行生态修复与综合治理，使矿山地质环境达到稳定、生态环境得以恢复；但固废回填协同生态修复的治理模式推广进展依然缓慢，实际应用案例有限。在“半成土”生态修复的利用途径中，固废的属性是土壤改良剂，固废中的Fe、S、Mn、Ca、Mo、P等微量元素可促进植物生长、强化土壤中微生物菌群的活性和多样性，还可能固化或钝化污染土壤中的重金属，具有土壤改良的应用潜力，但固废消纳量不大。在“全成土”生态回归利用途径中固废的属性接近土壤，与土壤化学成分相似的大宗工业固废，可通过物理、化学和生物调控，结合改善其酸碱度、肥力、物理结构等理化性质，转化为类似土壤的基质，使其在结构和功能上具备类似土壤的理化特性，以达成支撑植被生长、助力土地复垦等生态恢复目的；目前相关研究还处于起步阶段。

不同地域、不同工艺所产生的大宗工业固废成分有所不同（见表1）。大宗工业固废除工业副产石膏外，尾矿、煤矸石、粉煤灰、冶金渣等与土壤的化学成分类似，以SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO为主，具有“全固废”生态回填、“半成土”生态修复、“全成土”生态回归的应用潜力。而工业副产石膏的成分以CaO和SO3为主，与土壤差距较大，不适宜实施“全成土”生态回归，但具有“全固废”生态回填、“半成土”生态修复的应用潜力。值得注意的是，“类土壤化”利用要在严格污染风险管控的基础上，比如尾矿中含有Pb、Zn、Cu、Ni和As等重金属元素及氟化物等化学污染物，“类土壤化”利用的前提是避免重金属超标和氟污染风险，可参考《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）、《绿化种植土壤》（CJ/T 340—2016）等，实现不同用途的利用。

表1　大宗工业固体废物与土壤化学成分的对比表

综上，大宗工业固废的“类土壤化”是指通过全固废”生态回填、“半成土”生态修复、“全成土”生态回归的方式实现大宗工业固废从地球中来到地球中去“宏循环”的终极目标（见图2）。最大限度地使废物融入地球生态系统及环境系统，参与地球环境系统的发展演化，逐步建立地球环境系统新的动态平衡，以达到大宗难消纳工业固废的生态回归。

图 2 大宗工业固废“类土壤化”利用途径

四、大宗工业固废“类土壤化”利用的基本途径

（一）“全固废”生态回填

矿山开采后形成的采空区会引发山体滑坡、塌陷等安全隐患。传统利用水泥作为胶结剂进行采空区胶结充填存在水泥生产能耗高，充填成本大的问题。利用钢渣、粉煤灰等低品质固废开发低成本绿色充填胶凝材料替代水泥，可协同推进矿山采空区生态恢复及固废安全处置。

煤矸石、粉煤灰、钢渣等固废富含SiO2、Al2O3等铝硅酸盐矿相，与水泥组成相似，其本质为玻璃状火山灰，具有长程无序、短程有序结构，玻璃相质量分数达50%~80%。该结构处于热力学介稳态，具有潜在的火山灰活性，一定条件下能够发生水化反应，形成水化硅酸钙、钙矾石等胶凝物。然而，煤矸石、粉煤灰、钢渣等固废铝硅酸盐赋存更为复杂，存在反应活性较低的问题，目前主要采用物理、化学等激发手段进行活化以提高其利用率：① 机械激发包括锤击、磨碎、振动等，不仅能够减小固废粒径、增大比表面积、促进传质、提高水化反应速率，还能够破坏其中玻璃体的致密结构，降低[SiO4]和[A1O4]的聚合度，促进活性Si和Al溶出，增加表面缺陷作为活性位点，提高其水化反应活性。② 热激发通过高温煅烧促进固废中惰性硅铝酸盐和硫酸盐等脱水、脱羟基、分解或晶型转变，随着温度的升高，玻璃体中Si—O和Al—O断裂，发生热解聚，加速玻璃体溶解、聚缩、结晶等水化反应过程，提高水化反应速率。③ 碱激发主要利用氢氧化钠、石灰、电石渣等作为激发剂，遵循溶解 ‒ 聚合反应，利用OH-使玻璃体部分溶解，破坏[SiO4]、[AlO4]四面体结构，使Si—O—Si、Si—O—Al、Al—O—Al键水化断裂，暴露硅羟基等活性基团，并解聚释放出Ca2+、Si(OH)4和Al(OH)4-等，经聚合 ‒ 缩聚过程形成[SiO4]和[AlO4]-

三维立体网状胶凝材料。④ 盐激发通常利用硫酸钠、脱硫石膏、磷石膏等作为激发剂，在碱性条件下游离的SO□

与C—S—H凝胶中SiO

□4-4发生离子置换，Ca2+通过与置换出的SiO□4-4反应形成凝胶矿相；同时，SO□

、Ca2+可与

反应生成强度较高的钙矾石矿相，提高胶凝材料的抗压强度。此外，盐激发通过改变固废表面的电荷及分散性，促进胶凝材料形成。“全固废”制备胶凝材料预计理论周期为7~28天，可实现高抗压强度用于生态回填（见图2）。当前由于固废来源多样，理化性质波动大、激发成本高等原因，粉煤灰、钢渣等固废，大多以掺合料的形式在混凝土中部分替代水泥，消纳量不大，“全固废”制备胶凝材料进行采空区生态回填未实现广泛应用。

（二）“半成土”生态修复

矿山固废及尾砂含硫量高，长期露天堆存，硫化物持续氧化导致堆场酸化，加速Cd、As、Cu等重金属释放迁移，污染周边土壤，并造成土壤酸化板结，Ca、Mg、P等营养元素流失，对矿区生态系统稳定性及居民健康造成威胁。近年来，大宗工业固废展现出重金属固定及土壤基质改良潜力，其就地进行矿山生态修复受到广泛关注。

钢渣、粉煤灰、赤泥、金属尾矿等大宗工业固废通常具有较大的比表面积、丰富的孔隙结构和官能团，通过离子交换吸附、络合、沉淀等作用，将土壤中重金属转化为化学性质更稳定的形态，降低其有效性和迁移性。① 离子交换吸附：钢渣硅酸钙中Ca2+可与重金属阳离子发生离子交换实现吸附固定；Al3+能够同晶取代铝硅酸盐中的Si4+，进一步与重金属阳离子发生离子交换。此外，粉煤灰中包含的残余碳展现出较强的离子交换能力。② 专性吸附：粉煤灰、赤泥、钢渣等固废中Fe2O3、Al2O3、MnO2及其水化物、层状硅酸盐矿物的Al—OH和Si—OH提供专性吸附活性位点，Cd2+等重金属与氧原子间通过共价键形成内圈络合物，将重金属固定到铁铝氧化物／硅酸盐矿物的晶格层间，使重金属从可交换态向铁锰氧化态和残渣态转化。③ 沉淀作用：赤泥、粉煤灰和钢渣等呈碱性，可提高土壤pH，通过溶解 ‒ 再沉淀作用与重金属离子生成氢氧化物沉淀或碳酸盐沉淀。此外，钢渣的施入使土壤呈强还原环境(-130.4 mV)，SO

被还原为S2-，促进重金属形成硫化物沉淀。

在土壤基质改良方面，大宗工业固废主要通过改善土壤理化性质、提高土壤肥力、调节微生物群落结构等作用实现。① 改善土壤理化性质。钢渣、粉煤灰、赤泥等固废含有CaO和MgO等成分，呈碱性，其施入可提升土壤pH，缓解土壤酸化；同时钢渣等固废的高孔隙度将降低土壤容重，增加土壤持水能力和水力传导性能。此外，粉煤灰等在结合重金属形成沉淀的过程中，可促进土壤团聚体形成，改善土壤结构。② 提高土壤肥力。钢渣、粉煤灰、赤泥等固废中含有Fe、Ca、P、Mg、B、Mo等营养元素，能有效改善土壤营养状况，与土壤中的酸性组分反应，使其有效性增强，利于植物吸收。③ 调节土壤微生物群落结构。土壤微生物参与调节土壤结构，影响土壤理化性质与养分组成及转化（如氮素循环）。固废改良剂可调节土壤微生物种群、数量及活性，促进养分转化，改善土壤肥力。研究表明，风化后的煤矸石可提高土壤中固氮菌与氨化细菌的数量；粉煤灰结合有机物通过降低C/N比，改善酶活性及氮磷循环，实现微生物多样性和活性的提升。当前已有研究人员成功构建了多元固废基土壤重金属钝化及基质改良技术，该途径理论周期为7天到3个月（见图2），相关成果已在多个矿山生态修复示范工程中应用，实现了矿山废弃地植被的有效恢复与生态功能的逐步重建，为固废“半成土”生态修复领域的理论拓展与技术革新提供了实践依据与参考范例。

（三）“全成土”生态回归

大宗固废通过一系列物理、化学和生物手段，能够转化为类似土壤的基质，其在成分、结构和功能上具备自然土壤的理化特性和生物学性质，支撑植被生长、助力土地复垦，实现大宗固废大规模消纳及生态化处置。固废“全成土”生态回归涉及复杂且系统的过程，包括固废特殊理化性质改善、矿物风化／转化、土壤有机质形成与固持以及土壤团聚体结构和生态功能发展等关键步骤。① 调理固废特殊理化性质。大宗工业固废因其工业产生过程通常具有极端理化性质，如铝电解产生的阳极赤泥碱性强、盐分含量极高，尾矿中含有浮选药剂导致其具有极端酸碱性和高盐度等。一般通过海水淋洗、石膏中和等方法利用丰富的钙镁离子与固废中OH-、CO◻2-3等发生沉淀反应，降低其碱性；此外，耐性微生物降解外源有机质产酸能够中和赤泥等固废的强碱性，促进碱性矿物风化。对于酸性尾矿主要通过添加石灰中和调控其酸碱度。② 调控土壤有机质形成及固持。土壤有机质是土壤结构与功能的关键，能形成有机质 ‒ 矿物复合体、为微生物提供养分等。成土过程中通过添加外源有机质，在微生物有机质代谢作用下，改善基质营养平衡，为先锋植物定植提供条件。凭借植物的固碳能力以及微生物的碳代谢功能，类土壤基质开始渐渐发育，固氮菌、菌根真菌等微生物群落形成，增加类土壤基质有机质分子多样性，推动新有机质生成与固持。③ 驱动矿物风化／转化。大宗工业固废中富含的原生／次生矿物作为母质矿物（如煤矸石中的高岭石、长石、绿泥石，铁尾矿中的磁铁矿、黑云母等），通过水解、氧化还原及离子交换等方式风化。微生物代谢及植物根系分泌的有机酸通过溶解和络合作用，促进矿物风化。此外，硫氧化菌等具有特殊功能的微生物能够将云母中的Fe2+氧化为Fe3+，促进次生Fe3+矿物形成。次生矿物通常比表面积高，利于形成有机质 ‒ 矿物复合体，促进土壤团聚体发育。④ 改善土壤团聚体结构。团聚体是土壤结构的基本单元，良好的团聚体结构能够调控土养分循环，维持其保水保肥，促进植物生长。随着有机质形成与矿物风化形成次生矿物，在真菌菌丝缠结等微生物作用下有机质与矿物形成复合体并逐渐发育成稳定的土壤团聚体，提高有机质固持量，为生物提供承载空间，促进生物多样性重建。该途径预计理论实现周期为1~6个月（见图2），“全成土”生态回归不仅是解决大宗工业固废大规模消纳的关键，同时也在绿色矿山建设中发挥重要作用。但当前研究处于起步阶段，研究重点主要集中于固废消纳，关注“类土壤”结构与功能的研究较少，导致固废“全成土”生态回归缺少理论指导。

五、大宗工业固废“类土壤化”利用的关键技术

大宗工业固废“类土壤化”利用的关键技术着眼于大规模、低成本、绿色消纳。该技术的基础是类土壤固废含有大量的氧化铝、二氧化硅、氧化铁等无机矿物，与天然土壤高度相似。然而，生成固废的原矿石结构和元素组成特征、生产工艺中酸／碱、高温等因素，造成固废中存在高酸／碱、痕量重金属等障碍因子，有机质缺乏，生源元素缺乏或释放难，固废矿物结构风化难等瓶颈问题，亟需在基础理论和技术层面实现有效突破。

（一）大宗工业固废“类土壤化”消纳多维感知与路径决策体系

（1）固废时空分布：针对大宗固废堆存分散、产生源不明等难题，利用高分遥感亚米级空间分辨率、高辐射精度和高定位精度的优势，以及大数据高效数据处理效率，突破高光谱遥感与干涉合成孔径雷达技术融合的固废堆场动态监测技术，研发基于多源异构数据的固废特征解译算法，研发高分遥感与大数据结合的固废堆场及产生源自动识别技术，明确区域内大宗固废时空分布特征；重点攻关亚像元分解算法在固废组分反演中的应用，构建具有自主知识产权的固废光谱特征数据库，建立大宗工业固废“类土壤化”消纳智慧决策系统的立体化数据感知层。

（2）资源／环境属性判别：针对大宗固废成分杂、物相多等特点，借助机器学习强大的复杂数据处理和预测能力，开发基于机器联邦学习的大宗固废资源属性和环境性快速鉴定识别技术，实现大宗固废土壤化利用潜能评估。

（3）应用场景与匹配技术：针对大宗固废应用场景复杂、受限地物要素多等问题，基于自然语言处理和深度学习算法，抽取固废特征、环境地质、技术经济、目标场景、政策法规、案例经验等多元信息，利用“场景 ‒ 技术 ‒ 效益”三维决策树算法，构建“像素 ‒ 基元 ‒ 目标 ‒ 场景”多层次化固废消纳路径决策系统，攻克多目标约束下的动态优化决策难题，构建大宗工业固废“类土壤化”消纳智慧决策系统的智能分析决策层，实现大宗工业固废“类土壤化”逐级分类消纳路径的科学决策。

（二）大宗工业固废“类土壤化”利用障碍因子协调消减技术

（1）痕量重金属等障碍因子：基于“以废治废”的原则，建立“钝化 ‒ 相变”双机制调控路径，突破传统钝化剂单向稳定化局限。开发基于机器学习的高匹配度固废复配算法，建立固废界面多相反应热力学模型，优选复配多源固废。依据大宗固废优势矿相组成与结构，研发基于量子化学计算的矿物表面配位模型，研制优选环保绿色的物相相变表界面诱导剂，开发表界面诱导主控物相仿天然矿物定向转化固化重金属技术，实现As、Cd等亚稳态重金属的晶格固定。

（2）高酸／碱等障碍因子：利用微生物/植物持续产生酸／碱，以及地源矿物缓释酸／碱的特性，基于“化学 ‒ 生物 ‒ 矿物”三位一体调控理论，开发工业固废制备缓释调理剂的方法，突破生物 ‒ 化学强化脱盐技术，研制具有自修复功能的pH缓冲复合材料，开发化学 ‒ 生物耦合酸／碱类土壤化酸碱平衡调控技术，实现土壤化系统pH的动态平衡，为大宗工业固废“类土壤化”安全利用奠定基础。

（三）大宗工业固废“类土壤化”结构重构 ‒ 关键生源元素循环技术

（1）“全固废”生态回填。① 胶凝材料：针对大宗工业固废结构松散、粒径小、力学性能差等问题，利用固废中活性硅铝等胶凝成分，突破传统硅酸盐水泥体系束缚，建立“化学激发 ‒ 矿物重构”双驱动材料创制路径，开发多源固废活性硅铝成分适配性评价系统，研制基于晶相调控的复合激发剂体系，建立胶凝材料反应动力学模型与耐久性预测方法，构建固废基地质聚合物胶凝材料设计体系。② 充填块预制件：依据大宗工业固废“类土壤化”利用场景地形地貌、水位地质等要求，利用增材制造等先进制造技术，攻克“结构仿生 ‒ 梯度强化”协同成型技术瓶颈，建立基于数字孪生的地质参数逆向建模平台，开发固废浆体触变调控与层间黏结增强剂，研制矿山坑井环境专用增材制造装备系统，开发固废充填致密预制体快速制备技术，实现千米级深井复杂应力场适配。③ 充填协调固碳技术：面向我国“双碳”目标，通过激发固废基充填致密预制体中碳化活性组分，创建“物理封存 ‒ 化学矿化”碳捕获机制，开发多金属离子协同催化矿化反应装置，构建充填体孔隙网络CO2扩散动力学模型，研发地下矿山（溶洞）固废生态充填协同矿化固碳技术，研制地下环境原位监测与碳汇计量系统，形成涵盖“固废活化→智能建造→碳汇增益”的完整技术链条，实现大宗工业固废“全固废”生态回填。

（2）“半成土”生态修复和“全成土”生态回归。① 仿土壤组成配置：以土壤矿物组成和结构为目标，揭示“矿物相态定向重构 ‒ 微界面反应调控”协同作用机制，开发基于XRD-Rietveld全谱拟合的固废矿物类土壤相似度评价系统，研制多元固废协同匹配算法，构建重金属形态迁移的热力学预测模型，开发多源固废仿土壤组成配置技术体系。② 类土壤结构重建：攻克“微应力场诱导 ‒ 胞外聚合物分泌”耦合作用技术瓶颈，开发高压辊磨 ‒ 超声空化联用预处理装备，研发微生物耦合机械力强化风化的固废类土壤化结构快速重构技术，构建固废矿物风化进程原位监测平台。③ 营养元素循环：针对固废中营养缺乏、所含营养元素释放难等问题，创建“微生物有机酸螯合活化 ‒ 纳米载体缓释”双效调控模式，构建基于代谢组学的功能微生物强化难利用营养元素溶释平台，研制多孔生物炭／腐殖酸复合缓释体，研选地源性速生植物，模拟近自然植物群从配置结构，开发生物 ‒ 化学联合驱动的关键生源元素循环技术。发育形成基于大宗工业固废“类土壤化”的自维持生态系统，为我国大宗工业固废生态利用提供“废转土 ‒ 土育生”的全新解决方案，实现大宗工业固废“半成土”生态修复和“全成土”生态回归的可持续发展。

（四）大宗固废“类土壤化”利用生态安全效应评价技术与标准体系

（1）生态安全效应评价平台：针对大宗固废“类土壤化”利用场景多样，以及固废土壤化利用生态安全评价缺乏的现状，突破传统单物种毒性评估局限，构建“微宇宙 ‒ 中宇宙 ‒ 野外”三级联动的全场景验证平台，开发基于微流控芯片的多级生物集成培养系统，研制野外原位生物膜动态监测平台，建立土壤剖面多参数耦合传输模型，开发整合多级生物物种的固废“类土壤化”利用多维度生态模拟验证体系，实现多种典型固废基质生态效应全景模拟。

（2）生态阈值动态推导框架：创建“剂量效应 ‒ 时空异质”双维度修正算法，攻克阈值场景适配难题，构建涵盖“基因表达 ‒ 酶活性 ‒ 种群动态”三级指标的毒性终点生态效应数据库，开发基于贝叶斯网络场景匹配度阈值自适应推导系统，建立重金属形态转化与生物有效性关联模型，整合个体水平及野外生物群落水平生态毒性效应数据，构建场景特异性大宗固废“类土壤化”利用生态阈值动态推导框架。

（3）生态安全效应评价技术：研制原位重金属离子选择性传感器，开发基于深度学习的生态风险图谱生成系统，集合多源数据，构建大宗工业固废“类土壤化”利用生态安全知识图谱，研发融合传感器技术、大数据技术、人工智能等先进技术的生态安全效应高精度评价技术，实现“多源异构数据融合 ‒ 风险态势实时预警”技术突破。

（4）生态安全效应标准体系：建立“过程控制 ‒ 效果评价 ‒ 风险管控”三位一体标准框架，制定重金属形态分级控制技术规范，编制大宗工业固废“类土壤化”利用效果量化评价指南，构建基于区块链的固废利用全过程追溯系统，建立跨行业多场景固废“类土壤化”安全利用标准体系，从而形成“模拟验证 ‒ 阈值推导 ‒ 智能评估 ‒ 标准引领”四维技术体系，实现标准与规范对大宗固废“类土壤化”利用生态安全的引领作用。

六、结语

本研究基于“地球宏循环”理论框架，创新提出“类土壤化”利用新范式，通过整合“全固废生态回填 ‒ 半成土生态改良 ‒ 全成土生态重构”三级递进体系，构建了“属性保留 ‒ 改良过渡 ‒ 属性重构”的梯度生态转化路径，重点突破固废消纳多维感知与路径决策体系，开发障碍因子协调消减技术与结构重构 ‒ 关键生源元素循环技术，同步建立生态安全效应评价技术与标准体系。该模式通过强化固废资源与生态环境的协同调控机制，旨在突破传统固废处置的资源环境瓶颈，实现从“废弃矿山”到“绿水青山”的转变。

未来研究需着力突破“类土壤化”技术的科学原理与工程适配难题。基础研究应破解固废基质在人工加速属性转化过程中的矿物演化规律与微生物驱动机制，构建“物质迁移 ‒ 结构重组 ‒ 功能表达”的多尺度耦合模型。技术开发需集成智能决策系统，融合深度学习、人工智能、数字孪生等先进技术，实现固废“组分精准识别 ‒ 转化路径精细优化 ‒ 生态风险快速预警”的动态调控。同时应创新“固废消纳 ‒ 土地修复 ‒ 碳汇增益”多维价值模式，探索生态银行等市场化模式，推动技术规模化应用。通过跨学科协同创新与政策技术双轮驱动，形成可推广的固废“地球宏循环”新模式，为大宗工业固废规模化消纳提供系统解决方案。

桑干河·第十二届粉煤灰及脱硫石膏处理与利用技术交流大会将于8月14-16日在山西朔州举办，作为为煤基固废领域最具标志性和影响力的年度会议，将对煤基固废在土壤改良中的应用、推广进行重点研讨，并遴选了多项前沿科技成果和先进实用技术在会议期间发布、展示和对接，会议期间还将围绕热点、重点议题举办专题座谈等多种形式的互动交流活动。

诚邀各位专家学者、业界同仁共聚塞上绿洲，共襄盛举，共谋发展！

煤基固废制备土壤改良剂精彩报告预览

1. 煤矸石分质全量化利用技术与示范
2. ——中国科学院过程工程研究所马淑花研究员
3. 煤基固废新型土壤改良剂在盐碱地和荒漠化治理中的应用
4. ——内蒙古农业大学 郭泽宇 教授
5. 脱硫石膏改良盐碱地技术及其应用
6. ——石河子大学 张凤华 教授
7. 煤基固废资源利用技术及应用
8. ——山西大学 郭彦霞 教授
9. 粉煤灰高值化利用协调矿山环境修复技术创新
10. ——西北大学 谢婉丽 教授
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文章来源：中国工程科学

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由建筑材料工业技术情报研究所、朔州市人民政府、山西省工业和信息化厅联合举办的桑干河·第十二届粉煤灰及脱硫石膏处理与利用技术交流大会拟定于8月14-16日在山西朔州召开。

作为煤基固废领域最具标志性和影响力的年度会议，朔州会议已连续举办十一届，累计吸引近万人次参会，其中包括千余位院士专家、百余所高校科研机构以及来自煤基固废上下游产业的企业代表，成为煤基固废处理利用领域开展学术技术交流、技术产品展览、促进政产学研用融合发展的重要平台。

经过几个月筹备，组委会已邀请到数十个精彩专家报告，将在会上分享煤基固废在矿山充填回填、道路工程、生态修复、农业应用、新材料等领域的研究应用；遴选了煤基固废处置利用领域的30余项前沿科技成果和先进实用技术在会议期间发布、展示和对接；50余家技术装备展商将在会上展示各自技术装备和利废产品。会议期间还将围绕行业热点、重点议题举办专题座谈等多种形式的互动交流活动。

联系人：潘栋 18810191728（微信同）

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