煅烧牡蛎壳粉作为一种可持续的化学絮凝剂替代品，用于提高浊度去除效果：絮凝参数的优化

《Journal of Environmental Management》：Calcined oyster shell powder as a sustainable alternative to chemical coagulants for enhanced turbidity removal: Optimization of coagulation parameters

本研究以煅烧牡蛎壳粉末（OSP）为环保混凝剂，通过全因子设计与响应面法优化投加量、混合速度与时间、沉降时间等因素，对比铝硫酸（alum）的浊度去除效率。实验表明，OSP在1.94 g/L、60分钟沉降及慢速混合（19.82分钟，60 rpm）时达到97.59%去除率，材料表征证实煅烧后CaCO3转化为活性CaO，介孔结构促进混凝，且 OSP可同步提升pH值，减少化学残留，具备经济可持续的水处理潜力。

　　

Wathsala Benthota Pathiranage | Rosamargarita Mendoza | Mohammed Majdoub | Oussama Oulhakem | Hunain Alkhateb | Matteo D’Alessio

密西西比大学土木工程系，Carrier Hall，MS州，38677，美国

摘要

本研究探讨了使用煅烧牡蛎壳粉（OSP）作为硫酸铝（明矾）的可持续替代品来优化混凝-絮凝条件以去除浊度的方法。与以往主要关注藻类、营养物质或金属去除的研究不同，本工作评估了OSP专门去除浊度的能力。通过应用全因子设计并随后采用响应面方法，本研究填补了之前OSP研究中的空白，优化了浊度去除效果，并量化了剂量、混合（时间和速度）以及沉淀条件之间的相互作用效应。使用野火灰制备了浊度约为300 NTU的水样，并在受控实验室条件下进行了罐式实验。明矾在所有条件下均实现了高达99%的浊度去除率，而OSP则在最佳条件下（剂量为1.94克/升，沉淀时间为60分钟，混合速度为60转/分钟）达到了97.59%的去除率。材料表征证实，在煅烧过程中CaCO₃热转化为活性CaO，从而通过释放Ca²⁺和颗粒失稳实现混凝作用。尽管煅烧后表面积减少了50%，OSP仍保持了介孔结构。研究结果表明OSP的性能与明矾相当，并且还具有提高pH值的额外优势，显示出其作为低成本、可持续水处理混凝剂的潜力。

引言

浊度是指液体透明度的降低，这是由于悬浮或胶体颗粒的存在所致（Hannouche等人，2011年）。水和废水中的浊度升高会降低消毒效率，可能通过饮用水摄入或处理后废水的排放和再利用对公共健康和水生生态系统造成威胁。为了减轻这些风险，已经制定了相关法规标准。例如，美国环境保护署（EPA）规定，处理后的饮用水浊度每月95%的样本不得超过0.3 NTU，且不得超过1 NTU（EPA，2024年）。

在水处理（Mahanna等人，2015年；Mazloomi等人，2019年；Soros等人，2019年）和废水处理（Ehteshami等人，2016年；Mohammed，2015年）过程中，通常采用混凝和絮凝、沉淀或过滤方法去除浊度。化学絮凝剂如硫酸铝（明矾）、硫酸铁、碳酸镁和聚合物（例如氯化铝、聚合铝氯酸盐（PAC）被广泛用于有效去除悬浮固体并降低浊度（Hadadi等人，2022年；Kurniawan等人，2022年）。然而，化学絮凝剂存在挑战，因为它们在絮体沉淀后会产生不可生物降解的污泥，并且由于其不可生物降解性，絮凝剂残留物可能随出水排放（Koul等人，2022年；Muthuraman和Sasikala，2014年），同时可能引发健康问题（Koul等人，2022年；Kurniawan等人，2022年；Muthuraman和Sasikala，2014年）。此外，化学混凝（例如明矾）可能导致pH值显著下降，特别是在低碱度水中，因此需要预先添加化学药剂以调节系统，这增加了运营成本和复杂性（Sahu和Chaudhari，2013年）。因此，天然絮凝剂正成为有价值的替代品。

最近，各种天然絮凝剂被研究作为化学絮凝剂的替代品，包括植物基絮凝剂（例如Moringa oleifera（辣木）（Camacho等人，2017年）、Phaseolus vulgaris（普通豆）（Antov等人，2010年）和Opuntia stricta（仙人掌）（Hussain和Haydar，2021年），以及基于海洋贝壳废物的絮凝剂（例如煅烧牡蛎壳粉（OSP）（Huh等人，2016年；Nam等人，2017年）、来自血蛤壳的壳聚糖（Siswoyo等人，2023年）、蟹壳（Vishali等人，2016年）。天然絮凝剂因其能够减少化学残留物和健康风险、具有生物降解性、无毒性和成本效益而受到关注（Nimesha等人，2022年）。

煅烧牡蛎壳粉是一种合适的基于贝壳废物的絮凝剂（Huh等人，2016年；Nam等人，2017年），因为牡蛎壳主要由碳酸钙（CaCO₃组成，煅烧后转化为氧化钙（CaO）。钙离子有助于中和胶体颗粒的电荷并促进絮体形成，从而降低浊度（Dong和Lo，2013年）。煅烧过程在高温（如900°C）下形成多孔结构，增加了表面积，这有助于絮凝剂与颗粒之间的相互作用，促进絮体形成。此外，煅烧牡蛎壳粉还通过恢复碱度来增强混凝效果，并有助于同时去除藻类、磷和有机物质等污染物（Wang等人，2024年）。

全球每年产生超过1000万吨贝壳废物（例如牡蛎壳、蛤壳、扇贝壳和贻贝壳）（Topi? Popovi?等人，2023年）。尽管这些废物具有很高的再利用潜力（Chesapeake Bay Foundation，2024年；Scalia-Bruce，2023年），但仍有大量贝壳废物被丢弃在垃圾填埋场或暴露在环境中，导致污染、促进微生物生长并产生气味，对公共健康构成威胁（Hart，2020年）。随着牡蛎市场的持续增长，回收贝壳废物用于水处理等可持续应用可以带来生态、经济和健康效益。

除了絮凝剂类型外，其他因素也会影响混凝和絮凝过程的效率，包括絮凝剂剂量以及混合过程的强度和持续时间（Bratby，2016年）。形成的絮体沉淀时间对于评估混凝和絮凝过程中的浊度去除效率也至关重要，因为它可以使大絮体从水中沉淀出来，从而产生清澈的水。本研究的目的是通过罐式实验方法，探讨五个关键因素（絮凝剂类型（硫酸铝与OSP）、絮凝剂剂量、混合速度、混合时间和沉淀时间）对浊度去除效率的影响。本研究旨在确定这些因素的最佳组合，以最大化浊度去除效果，并评估用天然替代品（煅烧牡蛎壳粉）替代化学絮凝剂的可行性。尽管之前已有研究探讨了煅烧牡蛎壳粉在去除藻类、减少营养物质和吸附重金属方面的应用，但尚未优化其在高浊度条件下的混凝-絮凝性能。此外，也没有研究在受控的罐式实验条件下直接将OSP与明矾等传统絮凝剂进行比较。此外，本研究结合了XRD和BET分析以及浊度去除效果，还研究了处理过程中的pH值和电导率变化，为OSP作为絮凝剂的行为提供了新的见解。

现有的研究主要依赖于单因素实验或其他设计（例如Taguchi方法（Yen和Li，2015年），并未对关键操作参数之间的统计相互作用进行建模。在本研究中，采用了实验设计（DOE）方法系统地探讨了多个因素及其相互作用，有助于确定最佳浊度去除条件。首先使用全因子设计筛选了五个因素：絮凝剂类型、剂量、混合速度、混合时间和沉淀时间，以确定显著变量。随后应用响应面设计优化这些显著因素，确定最佳浊度去除条件。研究假设OSP可以优化到接近99%的浊度去除率，使其成为明矾的有竞争力的天然替代品，并且所研究的五个因素（絮凝剂类型、剂量、混合时间、混合速度和沉淀时间）对混凝过程中的浊度去除效率有显著影响。

章节摘录

水和絮凝剂

整个研究中使用了去离子水，以消除溶解盐或杂质对混凝过程效率的负面影响。实验中使用了两种絮凝剂：明矾（传统絮凝剂）和OSP（生物废弃物衍生替代品）进行对比分析。硫酸铝八水合物[Al₂(SO₄)₃·18H₂O]从Thermo Scientific购买（目录编号40456500，批次A0442456），纯度≥98%，符合ACS等级（达到或超过）

第一阶段：通过全因子设计进行筛选

全因子实验得到的结果见表S1。每次实验运行包括了五个目标因素水平的组合以及浊度去除效率作为响应变量。表S1还报告了每次运行过程中观察到的pH值和电导率的变化。然而，这些参数未纳入统计分析，因为它们仅用于评估与排放质量相关的潜在变化

限制与建议

应认识到本研究的若干限制，以指导未来的研究和实际应用。尽管本研究使用了合成浊度水以确保高且可控、可重复的条件，但其组成并未完全反映天然水体的复杂性。实际水体通常含有天然有机物（NOM）、可变碱度、多价离子和竞争性胶体，所有这些因素都可能影响絮凝剂的性能。

结论

本研究表明，当操作条件得到优化时，煅烧牡蛎壳粉是一种有效的生物废弃物衍生絮凝剂，其浊度去除效率可与明矾相媲美。全因子设计显示，所有五个研究因素（絮凝剂类型、剂量、混合速度、混合时间和沉淀时间）都对浊度去除有显著影响，并存在显著的相互作用效应。虽然明矾在所有条件下始终能去除约99%的浊度，但OSP表现出更强的

CRediT作者贡献声明

Wathsala Benthota Pathiranage：写作——审稿与编辑、原始草稿撰写、方法论设计、研究实施、数据分析、概念构建。 Rosamargarita Mendoza：写作——审稿与编辑、研究实施。 Mohammed Majdoub：方法论设计、研究实施。 Oussama Oulhakem：方法论设计、研究实施。 Hunain Alkhateb：写作——审稿与编辑、监督、方法论设计、研究实施。 Matteo D’Alessio：写作——审稿与编辑、数据可视化、验证、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究使用的不同材料的表征工作是在密西西比大学石墨烯研究与创新中心进行的。