《Journal of Water Process Engineering》：Low-cost, non-sintered ceramsite derived from oyster shells and waterworks sludge: A sustainable solution for enhanced phosphorus removal
编辑推荐：
基于水处理污泥与牡蛎壳制备的非烧结陶瓷滤料，通过正交实验优化质量比7:3、粒径100目、水泥40g/100g干料、养护5天，实现磷吸附容量14.93mg/g，钙磷沉淀占67.7%，机械强度达0.463MPa（单粒）和1.043MPa（圆柱），成本仅0.15美元/kg。该研究展示了循环经济视角下废料升级为城市雨水管理高效组件的可行性。
Xiaonan Kong|Fangyuan Zhou|Wei Sun|Chen Ma|Hanzeng Chu|Jiayue Luo|Doudou Gao|David Z. Zhu|Pradeep U. Kurup|Huihui Gan|Dingnan Lu
宁波大学土木与环境工程与地理科学学院，中国宁波，315211
摘要
本研究介绍了一种低成本、非烧结的陶粒过滤介质，该介质由两种废弃物制成：污水处理厂污泥（WWS）和牡蛎壳（OS）。这种专为生物滞留系统中的磷去除而设计的材料，将未被充分利用的废弃物转化为高性能、可持续的雨水处理方案。通过正交实验设计，优化了关键制造参数：WWS/OS的质量比（7:3）、粒径（100目）、水泥用量（每100克干混合物40克）和固化时间（5天）。综合表征方法，包括SEM-EDS成像、FTIR光谱、BET表面积分析以及批量吸附实验（动力学和热力学建模）表明，该陶粒的最大磷吸附能力为14.93毫克/克。研究确定磷酸钙沉淀是主要的去除机制，占吸附磷的67.7%。在实际的河流水样测试中，该陶粒能够持续去除54.1–61.2%的溶解磷。重要的是，它具有足够的机械强度，单颗粒和圆柱体的抗压强度分别为0.463兆帕和1.043兆帕，同时重金属浸出量可忽略不计，生产成本极低，仅为0.15美元/千克。这项工作展示了一种可扩展的、符合循环经济理念的策略，将废弃物转化为功能性、环保的基础设施组件，用于城市雨水管理。
引言
低影响开发（LID）是一种可持续的工程方法，模仿自然水文过程来管理雨水径流和控制非点源污染[1]、[2]、[3]。作为最佳管理实践（BMPs）的演变，LID是在传统排水系统难以有效缓解城市洪水、土壤侵蚀和水污染问题时出现的[4]。通过引入生物滞留池、人工湿地和绿色屋顶等设施[5]、[6]、[7]，LID有效减少了雨水径流污染，并在全球城市规划和发展中得到广泛应用[8]、[9]、[10]。然而，随着气候变化和极端降雨事件频率的增加，通过LID系统有效管理富营养化已成为环境工程研究的重点[11]。
富营养化是一个普遍的水环境问题，主要由农业废水、生活污水和工业排放引起[12]。这种现象会刺激藻类过度生长，导致溶解氧大幅减少，进而导致水生生物死亡并破坏水生生态系统[13]。研究表明，磷是导致富营养化的首要因素[14]。此外，饮用水中的过量磷还会引发高磷血症，增加心血管疾病的风险[15]。鉴于过量磷带来的严重生态和健康风险，高效去除磷已成为生物滞留系统的关键性能指标。然而，传统的过滤介质（如河沙和土壤）对溶解磷的控制能力有限，难以满足日益严格的水质要求[16]。因此，优化过滤介质的性能以提高磷去除效率是提升生物滞留池整体效果的关键。
生物滞留系统是LID系统中的关键设施，在管理城市雨水径流中起着核心作用[17]。通过植物、微生物和过滤介质的协同作用，该系统能有效去除雨水径流中的污染物，包括氮、磷、悬浮固体和重金属[18]。其优势包括灵活的土地利用要求、相对较低的建造成本以及能够在现场处理雨水的能力，这些特点使其在城市水资源管理实践中得到广泛应用[19]。值得注意的是，在控制雨水径流的初期冲刷过程中，生物滞留池主要依靠过滤介质来实现即时吸附和沉淀[20]。然而，传统的过滤介质（如河沙和土壤）对溶解营养物质的控制能力有限，难以满足日益严格的水质要求[16]。因此，优化过滤介质的性能是提高生物滞留池整体效率的关键。
最近的研究越来越多地关注替代过滤材料，这些材料主要分为三类：天然材料[21]、工业副产品[22]和合成材料[23]。此外，多项研究证明了各种过滤介质在实际应用中的有效性。例如，Duan等人[24]报告称，添加污水处理厂污泥的生物滞留系统促进了微生物群落的发展和污染控制。类似地，关于农业废弃物与黄铁矿组合的研究显示，在化学需氧量（COD）去除和微生物多样性方面有显著改进[25]、[26]。这些创新的过滤介质完全符合LID原则，即分散式处理和源头控制，有效支持了流域层面的可持续雨水管理。然而，根据我们的初步实验结果，大多数先前报道的过滤介质存在各种问题，包括机械强度不足、潜在的二次污染和吸附能力有限。更重要的是，对于许多天然材料来说，实现高度均匀的粒径具有挑战性，这增加了堵塞的风险并缩短了其使用寿命[27]。
以陶粒形式制造过滤介质为克服上述挑战提供了一种有前景的策略。例如，Li等人[28]优化了用于磷去除的固体废弃物陶粒，在1100°C烧结条件下，其破碎和磨损率显著降低至0.35%，同时表现出高磷吸附能力（1.85毫克/克），并且在9次循环后仅损失4.99%的吸附能力，从而显著降低了水生环境中的富营养化风险。Wu等人[29]使用回收的富铁/钙粉煤灰合成了多孔的非烧结陶粒。所得材料具有3.0至5.0兆帕的增强机械强度和1.344毫克/克的快速初始吸附率，显示出其在环境修复应用中的潜力。此外，基于陶粒的过滤介质还具有其他优势，如可控的粒径分布，可防止堵塞，并且可以结合工业副产品，从而降低原材料成本[30]。值得注意的是，烧结陶粒主要通过形成晶体相来获得机械强度，而非烧结陶粒则通过胶凝材料获得结构完整性[31]。相比之下，非烧结陶粒通过减少碳排放和避免向大气中释放SO2和NOx，展现出更环保的特性[32]，使其成为LID应用的更可持续选择。
本研究提出了一种创新方法，通过使用两种废弃物（污水处理厂污泥WWS和牡蛎壳OS）并加入水泥来制备非烧结陶粒，以提高生物滞留系统中的磷去除效果。采用正交实验设计优化了组成，实现了抗压强度和高磷吸附能力之间的平衡。使用扫描电子显微镜（SEM）、能量分散X射线光谱（EDS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）系统地表征了所得陶粒的微观结构和表面官能团。通过动力学和热力学吸附实验评估了磷去除性能和背后的机制。这项工作展示了将两种废弃物成功转化为功能性、机械稳定的吸附剂的过程，为雨水管理中的营养物质去除提供了可持续的解决方案。
材料
污水处理厂污泥（WWS）是姚江水处理厂混凝和沉淀过程的副产品。牡蛎壳（OS）是从当地海鲜市场收集的废弃物。波特兰水泥（PO 42.5级）从当地建筑材料供应商处购买。所有原材料均来自中国宁波。在托盘化之前，WWS和OS都经过了预处理。具体来说，WWS被破碎成小块，在105°C下干燥12小时，然后...
陶粒的优化
正交实验（表S1–2）显示，不同陶粒配方在抗压强度和静态磷吸附能力方面存在显著差异，表明这些参数对最终性能有明显影响。对于抗压强度，固化时间（因素D）的影响最为显著（p < 0.05），在多个组中7天的固化时间时强度达到峰值（第3组：0.463兆帕；第4组：0.399兆帕），而在较短的固化时间内强度显著下降（见图2）。
结论与未来展望
本研究证明，经过优化的非烧结陶粒（WWS与OS的比例为7:3，OS粒径为100目，水泥用量为40克/100克，固化时间为5天）在合成溶液中具有14.93毫克/克的磷吸附能力，同时保持0.463兆帕的抗压强度和1.043兆帕的圆柱体抗压强度。该材料能够去除含有1.14–2.28毫克/升总磷的天然河水中的大约60%的磷，证实了其实际效果。
作者贡献声明
Xiaonan Kong：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。Fangyuan Zhou：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化。Wei Sun：方法论、调查、数据整理。Chen Ma：撰写 – 审稿与编辑、验证、调查、方法论。Hanzeng Chu：验证、监督、方法论。Jiayue Luo：验证、监督、方法论。Doudou Gao：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
浙江省自然科学基金（LMS26E090008）、宁波市青年领军人才项目（2024QL038）以及国家重点研发计划（2022YFC3203200）。本文中的任何观点、发现、结论或建议均为研究人员个人观点，并不一定反映资助机构的立场。
