簡介：作為一項起源于20世紀(jì)50年代相對陳舊的技術(shù)，固化穩(wěn)定化近年來在中國土壤修復(fù)市場中應(yīng)用廣泛。本文在此背景下提出以下觀點(diǎn)：(1)研發(fā)更高性能和可持續(xù)的修復(fù)材料;(2)重視穩(wěn)定化作用，降低修復(fù)材料的消耗并避免過度修復(fù);(3)跨學(xué)科緊密合作，依托高科技分析方法與模型，提高修復(fù)長期有效性的監(jiān)測和預(yù)測水平。由此，固化穩(wěn)定化技術(shù)有望在未來的土壤修復(fù)市場中展現(xiàn)出更豐富的生命力。

圖1論文發(fā)表截圖

固化/穩(wěn)定化(S/S)技術(shù)主要用來限制危險廢棄物中有害物質(zhì)的釋放，它并不改變有害物質(zhì)的總量，而是通過添加固化和穩(wěn)定材料，降低有害物質(zhì)的可遷移性，從而降低其環(huán)境風(fēng)險。該技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代末期，用于處理淤泥，隨后應(yīng)用到土壤修復(fù)領(lǐng)域并逐漸發(fā)展成美國超級基金項目(注：即美國的場地修復(fù)項目)中應(yīng)用最廣泛的修復(fù)技術(shù)。20世紀(jì)90年代其在加拿大和英國的土壤修復(fù)項目中得到應(yīng)用和推廣，之后又在21世紀(jì)初被法國和荷蘭等地采用。近年來，由于固化/穩(wěn)定化技術(shù)處理后的土壤長期有效性方面的不確定性以及北美和歐洲土壤修復(fù)項目的整體減少，該技術(shù)在以上國家和地區(qū)的應(yīng)用逐漸降低(圖2)。同時，部分國家(如韓國和丹麥)要求修復(fù)時徹底清除土壤中的污染物，也限制了以風(fēng)險管控為主要目的的固化/穩(wěn)定化技術(shù)的發(fā)展。雖然固化/穩(wěn)定化土壤修復(fù)應(yīng)用在世界上絕大多數(shù)國家都呈現(xiàn)衰退的跡象，在中國，該項技術(shù)近年來卻獲得了前所未有的關(guān)注與迅猛的發(fā)展。據(jù)報道，2018年中國的土壤修復(fù)市場規(guī)模已達(dá)29億美元，并且正以每年翻番(基于2017至2018年的數(shù)據(jù))的速度增長，其中固化/穩(wěn)定化在所有的土壤修復(fù)技術(shù)中市場應(yīng)用遙遙領(lǐng)先，占比高達(dá)48.5%。

圖2美國超級基金項目中固化/穩(wěn)定化技術(shù)每年的應(yīng)用次數(shù);WebofScience中固化/穩(wěn)定化相關(guān)論文每年發(fā)表數(shù)量

固化/穩(wěn)定化技術(shù)于上世紀(jì)末和本世紀(jì)初在土壤修復(fù)應(yīng)用中的流行歸因于其修復(fù)周期短、修復(fù)價格低、施工靈活、針對不同類型污染物適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但在具體應(yīng)用時，由于過于強(qiáng)調(diào)實用性和短期內(nèi)的修復(fù)效果，往往忽視了土壤修復(fù)的長期有效性和可持續(xù)性。比如，在野外條件下，硫酸鹽與酸雨會腐蝕波特蘭水泥(注：波特蘭水泥是傳統(tǒng)固化/穩(wěn)定化技術(shù)中使用的主要修復(fù)材料)，而重金屬會與水泥水化產(chǎn)物中的氫氧化鈣反應(yīng)并抑制水泥的水化，這些因素都可能降低固化穩(wěn)定化的長期有效性。一旦固化/穩(wěn)定化失效，則需要進(jìn)行二次修復(fù)，從而大幅增加土壤修復(fù)的全生命周期影響，降低其可持續(xù)性。同時，以波特蘭水泥為主要修復(fù)材料顯著加重整個修復(fù)過程的碳足跡。每生產(chǎn)1噸波特蘭水泥伴隨著大約900千克的CO2排放。1751-2014年間，波特蘭水泥的生產(chǎn)貢獻(xiàn)了全球人為CO2排放的10%。此外，在固化/穩(wěn)定化土壤修復(fù)中，經(jīng)常出現(xiàn)過量使用波特蘭水泥來獲得無意義的遠(yuǎn)高于修復(fù)要求的水泥土強(qiáng)度和污染物穩(wěn)定性，造成修復(fù)材料的浪費(fèi)。使用高性能和可持續(xù)的修復(fù)材料并且確定合理的修復(fù)目標(biāo)有助于避免這類“過度修復(fù)”的問題。

近年來，綠色水泥等膠凝材料越來越受到固化/穩(wěn)定化研究的重視(圖2)。綠色水泥主要由低碳和廉價的修復(fù)材料組成。其中，氧化鎂系綠色水泥不僅有低碳廉價的潛力，而且對酸雨和硫酸鹽侵蝕等環(huán)境影響具有較強(qiáng)的抵抗性。近年來自修復(fù)水泥的發(fā)展也對固化/穩(wěn)定化修復(fù)具有一定的啟示作用。比如某類自修復(fù)水泥在出現(xiàn)裂紋時，包裹了愈合劑的微型膠囊會自動破裂，釋放出可以修復(fù)裂紋的愈合劑，大幅提高水泥的耐久性和土壤-水泥系統(tǒng)的恢復(fù)能力。此外，工業(yè)廢棄物可以作為綠色水泥的組成部分應(yīng)用于固化/穩(wěn)定化修復(fù)，如礦渣、粉煤灰、磷石膏等，非常符合“以廢治廢”的理念，促進(jìn)“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”的發(fā)展。其中最常用的高爐礦渣可以促進(jìn)水泥水化過程中水化硅酸鈣膠體的生成，避免過高的pH增加，從而提高重金屬的穩(wěn)定化和土體強(qiáng)度。

固化/穩(wěn)定化包含了固化和穩(wěn)定化兩層含義。其中，穩(wěn)定化是指通過化學(xué)反應(yīng)來鈍化污染物，降低其可遷移性和生物有效性。無需固化的穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)為處理中國重金屬和有機(jī)物污染超標(biāo)的約1.35億公頃農(nóng)田提供了可能途徑。一些新型的穩(wěn)定化材料，如生物炭、硫酸亞鐵、雙層金屬氫氧化物(LDHs)、磷灰石、粘土礦物以及基于這些材料的改性功能材料(圖2)，在農(nóng)田的穩(wěn)定化修復(fù)中極有前景。生物炭等材料在穩(wěn)定化土壤污染物的同時，還具有改善土壤結(jié)構(gòu)、肥力、持水力，抑制土壤酸化等功能。此外，這些新型穩(wěn)定化材料還可以與緩釋材料和微生物協(xié)同使用，進(jìn)一步提高修復(fù)的長期有效性。

準(zhǔn)確的預(yù)測土壤修復(fù)的長期有效性，對修復(fù)方案的準(zhǔn)確設(shè)計和修復(fù)材料的選擇至關(guān)重要。目前，在實驗室尺度上基于人工加速老化的長期有效性預(yù)測方法很多，但是缺乏足夠多的現(xiàn)場數(shù)據(jù)來對這些室內(nèi)模型進(jìn)行驗證。且大部分人工加速老化實驗都是定性的，即使定量也大都只預(yù)測一個時間段后的長期有效性(如100年后)，但在這一時間區(qū)間內(nèi)污染物的穩(wěn)定性隨時間的變化不得而知。由于自然環(huán)境持續(xù)非均一的動態(tài)變化，設(shè)計定量且隨時間變化的長期有效性實驗?zāi)Ｐ痛_實非常具有挑戰(zhàn)性。目前的物理、化學(xué)、生物人工加速老化實驗基本都只考慮某單一環(huán)境因子的影響。未來的實驗室老化模型需要考慮如何定量耦合更多的環(huán)境影響因子。必要時，可以結(jié)合計算機(jī)編程和人工智能來確定動態(tài)變化的環(huán)境因子及其影響，如不同溫度下的干濕凍融循環(huán)、降雨頻率、降雨量、凍結(jié)期等;跟氣候變化有關(guān)的預(yù)測也可以耦合進(jìn)去。

固化/穩(wěn)定化土壤修復(fù)的長期有效性還依賴于健全的原位監(jiān)測方案，但這一部分往往在實際應(yīng)用中被忽視?？梢灶A(yù)期，隨著更多長期失效案例的發(fā)現(xiàn)，固化/穩(wěn)定化土壤修復(fù)的原位監(jiān)測會越來越受到重視。技術(shù)創(chuàng)新對于提供精確實時的原位監(jiān)測數(shù)據(jù)至關(guān)重要，研究人員可以從數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)、傳感技術(shù)等方面進(jìn)行跨學(xué)科的合作，以期獲得突破。例如，無線傳感器可以提供土壤強(qiáng)度和變形的實時監(jiān)測數(shù)據(jù);原位X射線熒光光譜儀可以在數(shù)分鐘內(nèi)獲得土壤重金屬的濃度分布情況：如果監(jiān)測到重金屬濃度的降低，可能意味著修復(fù)開始失效;先進(jìn)的微觀、光譜學(xué)、礦物學(xué)層面的分析有助于理解固化/穩(wěn)定化后土壤及污染物狀況的變化、變化途徑以及影響因素，這些分析不僅有助于直接預(yù)測實時修復(fù)效果，還能為熱動力學(xué)和地球化學(xué)建模提供精確數(shù)據(jù)。然而類似的針對固化/穩(wěn)定化修復(fù)后土壤的研究非常有限，這方面的工作亟需環(huán)境化學(xué)家、材料科學(xué)家和工程師的協(xié)同合作。

總而言之，通過研發(fā)更高性能和可持續(xù)的修復(fù)材料、降低修復(fù)材料消耗和避免過度修復(fù)、提高修復(fù)長期有效性的預(yù)測和監(jiān)測水平，固化/穩(wěn)定化技術(shù)有望進(jìn)一步得到提高，從而在土壤修復(fù)中展現(xiàn)新的生命力。以上觀點(diǎn)論文來自清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院侯德義課題組，以“Solidification/StabilizationforSoilRemediation:AnOldTechnologywithNewVitality”為題發(fā)表在環(huán)境領(lǐng)域權(quán)威期刊EnvironmentalScience&Technology(IF=7.149)(2019,53,11615-11617)。清華大學(xué)訪問學(xué)者、加拿大阿爾伯塔大學(xué)沈征濤博士為論文第一作者，侯德義副教授為論文通訊作者，清華大學(xué)訪問學(xué)者、英國格拉斯哥大學(xué)助理教授金飛博士和清華大學(xué)DavidO'Connor博士為論文共同作者。