《npj Clean Water》：A systematic approach towards a zero-waste water treatment: clay-carbon composite adsorbents made from drinking water treatment sludge
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本研究针对日益严格的水质量标准下活性炭（AC）高环境足迹的难题，创新性地利用给水厂残余污泥（DWTR）制备黏土-碳复合吸附剂。通过自主设计实验室回转炉并结合响应面法（RSM）优化热活化工艺，成功将比表面积提升近十倍（112–201 m2/g），并系统评估其对布洛芬（IB）、咖啡因、双氯芬酸（DCF）和亮蓝FCF（BBF）的吸附性能。结果表明，加热速率（p<0.003）和升温时长（p<0.00002）显著影响吸附容量，现场生产可完全替代活性碳并产生盈余材料，为水处理行业提供低碳循环解决方案。
随着欧盟《饮用水指令》和《城市污水处理指令》对水质标准的不断提升，水处理设施面临双重压力：既要高效去除微量污染物（如药物残留、重金属），又需大幅降低碳排放。活性炭（AC）虽能有效吸附污染物，但其生产依赖化石原料或有限生物质（如椰壳），伴随高能耗和二氧化碳排放。更棘手的是，全球每日产生的给水厂污泥高达万吨，传统处置方式（填埋或焚烧）不仅浪费资源，还加剧环境负担。
在这一背景下，德国杜伊斯堡-埃森大学与塞尔维亚诺维萨德大学的研究团队提出了一种创新思路：将给水厂污泥转化为高性能吸附剂，实现“以废治废”。发表于《npj Clean Water》的这项研究，首次采用实验室回转炉对污泥进行热活化，并通过响应面法（RSM）系统优化工艺参数，为污泥资源化提供了可规模化推广的技术路径。
研究团队通过四个关键技术方法展开工作：
- 1.
材料制备：从德国Roetgen给水厂获取铝基混凝剂处理的脱水污泥（含水率~81%），经干燥、破碎、筛分后，取0.6–2.4 mm颗粒作为原料。
- 2.
热活化设计：使用定制回转炉（300 g/批次），在氮气保护下以200–300°C/h的加热速率升温至350°C预加热，随后根据中心复合设计（CCD）调整加热时长（60–120 min）、蒸汽/氮气比（0–0.2）和高温停留时间（40–80 min），探究参数对吸附剂性能的影响。
- 3.
吸附性能测试：在模型水（BBF，5 mg/L）和实际水体（药物污染物，1 μg/L）中，以30–80 mg/L剂量进行48 h批次吸附实验，通过UV-VIS和GC-MS分析残留浓度。
- 4.
表征与模型构建：利用SEM-EDX、BET比表面积分析、热重分析（TGA）表征材料性质，并通过RSM建立工艺参数与污染物去除率的定量关系模型。
材料理化性质表征
通过SEM-EDX分析发现，原料污泥富含铝、氧、硅等元素，证实其黏土基特性。热活化后，吸附剂的有机含量从原料的48%降至4.5%–23.8%，比表面积从26 m2/g显著提升至112–201 m2/g。RSM模型表明，加热速率、升温时长和蒸汽比例是调控有机含量的关键因素，而高温停留时间影响不显著。
吸附性能测试
所有吸附剂对四种污染物的去除率呈现明显差异，其中16号样品表现最优。尽管有机微污染物（如双氯芬酸）的检测误差较大（16.4%–20.8%），但BBF实验因分光光度法的高精度揭示了清晰规律：较高加热速率（如300°C/h）和较长升温时长（120 min）能显著提升吸附容量。
RSM模型进一步显示，加热速率（p<0.003）和升温时长（p<0.00002）对BBF、布洛芬和咖啡因的去除率具有显著正向影响，而蒸汽添加在低加热强度下可提升性能，但在高强度下会导致微孔结构坍塌（“过活化”）。
零废弃概念验证
以Roetgen水厂为例，每日产生的4.864吨干污泥可制备约2.8吨吸附剂。若按10 mg/L投加量计算，仅需消耗每日吸附剂产量的28%，剩余材料可商业化用于废水处理或废气净化领域。重金属浸出测试显示，除铬轻微超标外，其他指标均符合限值，证明其环境安全性。
结论与展望
本研究通过统计优化热活化工艺，成功将给水厂污泥转化为高效吸附剂，突破了传统活性碳的原料限制和碳足迹瓶颈。黏土-碳复合材料的双重功能（有机污染物吸附和重金属离子交换）使其在复杂水质处理中具有独特优势。尽管当前德国法规限制其直接用于饮用水处理，但该材料在污水处理、垃圾渗滤液净化等场景潜力巨大。未来研究需聚焦孔结构调控机制及重金属协同去除能力，以推动此类低碳吸附剂的工业化应用。
