摘要：六价铬[Cr(VI)]污染土壤的可持续固化/稳定化（Solidification/Stabilization, S/S）具有重要环境价值。本研究提出一种创新的酶–碳酸化活性氧化镁水泥（Enzyme-Carbonated Reactive Magnesia Cement, ECRMC）方法对Cr(VI)污染土壤进行S/S处理，通过系统试验验证了ECRMC处理土体的可行性及性能，重点考察尿素预水解时间（urea pre-hydrolysis time）与活性氧化镁水泥（Reactive Magnesia Cement, RMC）掺量两个关键参数的影响。试验结果表明，ECRMC技术可在提高土体强度的同时降低Cr(VI)浸出毒性：当预水解时间为6 h、RMC掺量25%时，无侧限抗压强度（Unconfined Compressive Strength, UCS）最高达6.96 MPa；预水解24 h、RMC掺量25%时Cr(VI)浸出削减率达97%。6–24 h预水解区间可作为依据"强度优先"或"安全（低浸出）优先"目标驱动的决策范围。ECRMC的S/S性能受尿素预水解时间及RMC掺量共同控制：尿素预水解处理通过避免脲酶在RMC水化产生的高pH环境中失活，显著促进水合碳酸镁（Hydrated Magnesium Carbonates, HMCs）的生成，使UCS提升680%；提高RMC掺量可进一步提升UCS，但同时会降低碳化度（Degree of Carbonation, DC）。微观分析确定主要生成产物为HMCs与水镁石（Brucite, Mg(OH)2），二者通过吸附、共沉淀及物理包裹协同作用，实现力学性能提升与Cr(VI)高效固封。此外，研究人员结合RMC水化与碳化反应路径，揭示了Cr(VI)固定量与DC之间的定量关系，可实现Cr(VI)固定效果的定量评价。本研究为采用ECRMC技术低碳、高效、可持续地进行Cr(VI)污染土壤S/S提供了理论基础与实践指导。
采用酶–碳酸化活性氧化镁水泥（ECRMC）对Cr(VI)污染土壤进行固化/稳定化（S/S）的研究解读
该研究由Min Shi、Dian-Long Wang、Jin-Yu Shi、Wen-Bo Chen、Hai-Long Li、Yue-Suo Yang及Chao-Sheng Tang（南方科技大学环境科学与工程学院）完成，发表于《Journal of Environmental Management》。
研究背景与意义
铬是土壤中常见且危害性大的重金属污染物，尤以Cr(VI)毒性最强——具高溶解性、高迁移性及致癌致突变性，被美国EPA列为优先控制污染物。传统固化/稳定化（S/S）常用波特兰水泥（Portland Cement, PC），但存在Cr(VI)再溶出风险高及生产能耗大、CO2排放高等缺陷。活性氧化镁水泥（Reactive Magnesia Cement, RMC）煅烧温度低（≈750℃ vs. PC的1450℃）、原料可取自海水，具低碳优势，其碳化可生成水合碳酸镁（Hydrated Magnesium Carbonates, HMCs）提升强度与重金属固定效果，但依赖特殊碳化设备限制现场应用。酶诱导碳酸盐沉淀（Enzyme-Induced Carbonate Precipitation, EICP）利用植物源脲酶水解尿素产CO32−生成碳酸盐胶结物，低能耗且环境兼容性好，但单独用于Cr(VI)污染土壤时固定率有限（约75%）、需多次循环且强度增益低。将RMC与EICP耦合形成酶–碳酸化活性氧化镁水泥（Enzyme-Carbonated Reactive Magnesia Cement, ECRMC）——即用植物源脲酶水解尿素产生CO32−使RMC水化产物水镁石（Brucite, Mg(OH)2）碳化成强胶结的HMCs——可互补短板，但RMC水化后产生的高pH会致脲酶失活抑制尿素水解。因此研究人员提出尿素预水解（urea pre-hydrolysis）策略：先在脲酶溶液中将尿素预水解生成CO32−后再与RMC及污染土混合，规避酶失活问题，实现ECRMC对Cr(VI)污染土壤的有效S/S。该方向此前未见报道，本文系统探究其可行性与机理。
主要关键技术方法
研究人员采集河南某铬渣堆存区表层Cr(VI)污染土（Cr(VI)含量605 mg/kg）配制试样，设置不同RMC掺量（如20%、25%）及尿素预水解时间梯度（0–24 h），对比不加预水解只靠RMC水化的对照组。ECRMC处理液由尿素+植物源脲酶溶液预水解给定时间后，与RMC及污染土拌合制样，标准养护至测试龄期。宏观测试包括无侧限抗压强度（Unconfined Compressive Strength, UCS）测定、毒性浸出（TCLP/浸出毒性）测试Cr(VI)浸出浓度；计算碳化度（Degree of Carbonation, DC）。微观表征采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜–能谱（SEM-EDS）、热重分析（TGA）鉴定产物物相（Brucite、Nesquehonite、Dypingite、Hydromagnesite等HMCs）及形貌；基于反应路径推导Cr(VI)固定量与DC的定量关系模型。
研究结果
Unconfined compressive strength（无侧限抗压强度）
对照样（仅RMC水化，无预水解）UCS仅为0.20 MPa（20% RMC）和0.23 MPa（25% RMC）。ECRMC处理后UCS显著提升，延长预水解时间及提高RMC掺量均有助于强度增长；25% RMC掺量下预水解6 h取得最大UCS达6.96 MPa，较对照提升约680%，表明预水解避免脲酶失活并促进HMCs生成是强度大幅升高的主因。过高RMC虽继续略增UCS但会降低DC。
Feasibility of ECRMC solidified/stabilized Cr(VI)-contaminated soil（ECRMC固化/稳定化Cr(VI)污染土的可行性）
ECRMC可有效实现Cr(VI)污染土S/S。预水解24 h、25% RMC时Cr(VI)浸出削减率达97%。6–24 h预水解区间可根据工程目标选择：6 h左右偏重强度优先，24 h左右偏重浸出安全优先。S/S性能受预水解时间与RMC掺量共同调控，延长预水解与提高RMC均有利于UCS与Cr(VI)固定。微观证实生成Brucite及HMCs（三水碳酸镁Nesquehonite、五水碱式碳酸镁Dypingite、四水碳镁石Hydromagnesite等），通过吸附、共沉淀及物理包裹三重协同机制固封Cr(VI)。结合RMC水化/碳化反应路径建立Cr(VI)固定量与DC的非线性定量关系，可定量评估固定效果。
Conclusions（结论翻译）
本研究系统探讨了酶–碳酸化活性氧化镁水泥（ECRMC）用于Cr(VI)污染土壤S/S的应用潜力，凸显了向低碳生态友好修复转型的方向。阐明了预水解时间与RMC掺量对力学与化学性能的影响，揭示了S/S机理，并建立非线性关系描述Cr(VI)固定与ECRMC产物间的关联。主要结论如下：（1）ECRMC技术可显著提升污染土强度并降低Cr(VI)浸出，最大UCS为6.96 MPa（6 h预水解，25% RMC），Cr(VI)浸出削减率最高达97%（24 h预水解，25% RMC）；（2）6–24 h尿素预水解区间为按强度优先或安全优先的目标驱动决策范围；（3）尿素预水解通过防止脲酶在高pH下失活而大幅促进HMCs生成，使UCS提高680%，增加RMC掺量进一步提高UCS但降低DC；（4）主要产物为HMCs与水镁石，通过吸附、共沉淀及物理封装协同实现强度增强与Cr(VI)固定；（5）建立了Cr(VI)固定量与碳化度（DC）的定量关系，可定量评价Cr(VI)固定效果。本研究为ECRMC技术低碳、高效、可持续地S/S处理Cr(VI)污染土壤提供了全面理论基础与实践指导。
讨论总结
研究人员指出，ECRMC耦合了RMC低碳胶凝材料与EICP植物源酶的优势，尿素预水解策略解决了RMC高pH致脲酶失活的关键瓶颈，使原位碳酸根供给充足从而促进Brucite碳化为胶结性强的HMCs。生成的HMCs与水镁石通过物理包裹、表面吸附及可能的共沉淀/离子置换将Cr(VI)锁定于基体中，同时大幅提升土体强度。建立的Cr(VI)固定量–DC定量模型为工程设计与效果评估提供了可量化依据。相比PC基S/S，ECRMC具更低碳排放且RMC具大气CO2封存潜力，契合绿色可持续修复理念。未来可进一步探究长期耐久性、不同pH与复杂多重金属共存下的适用性等。
