将富含铝的饮用水处理污泥回收利用制备陶瓷膜：制备工艺与环境影响评估

《Process Safety and Environmental Protection》：Recycling aluminum-rich drinking water treatment sludge into ceramic membranes: Fabrication process and environmental impact assessment

铝基饮用水处理污泥经玉米淀粉辅助烧结制备高性能陶瓷膜，优化温度1050℃与淀粉30%浓度获得孔隙率39.5%、水通量13.5 LMH/kPa的膜体，莫来石-石英结构稳定重金属，生命周期评估显示减排42%与35%。

　　

李普|吴坤波|苏文豪|陈志明|芮国芬|彭明国|滕杰

常州市大学城市建设学院，中国常州213164

摘要

在饮用水处理中广泛使用铝基混凝剂会产生富含铝的污泥，这给污泥处理带来了巨大的挑战并带来了环境风险。本研究提出了一种新的资源化方法，将这种废弃物转化为高性能陶瓷膜，从而解决了污泥管理和膜生产成本的问题。通过对污泥的初步全面表征，优化了制备参数，系统评估了烧结温度（900–1200℃）和成孔剂浓度（0–30%玉米淀粉）。最佳条件（在1050℃下烧结，添加30%淀粉）下制备的膜具有39.5%的孔隙率和显著的水渗透性（13.5 LMH/kPa）。微观结构分析表明，淀粉的热解促进了相互连接的多孔网络的形成，而铝硅酸盐基质转变为稳定的莫来石-石英相，有效固定了重金属并提高了过滤效率。生命周期评估显示，与传统膜生产方法相比，该方法显著降低了全球变暖潜力（42%）和初级能源需求（35%），突显了这种可持续方法的创新性和必要性。

引言

混凝是一种常用的水处理工艺，广泛应用于饮用水净化（Cui等人，2020年；Hughes，2001年），通常使用铝基混凝剂去除悬浮固体。然而，这一过程会产生大量富含铝的污泥（García-ávila等人，2025年），其中铝的浓度范围为10%至20%（Ye等人，2021年）。直接将这种污泥填埋不仅浪费了宝贵资源，还可能由于其中含有的重金属和其他有毒物质而带来环境风险（Dronjak等人，2022年；Wang等人，2025年）。

在膜分离技术中，陶瓷膜相比有机聚合物膜具有明显优势，包括更优异的化学稳定性、更高的亲水性和对酸、碱和有机溶剂的更强抵抗力。这些特性延长了其使用寿命（Cheng等人，2024年；Lee等人，2023年），显著降低了更换频率和运营维护成本。然而，相对较高的生产成本限制了陶瓷膜在水和废水处理中的广泛应用。为此，低成本的替代材料如污泥衍生材料、工业副产品和天然矿物作为可持续膜材料受到了越来越多的关注（Gao等人，2024年；Jeong等人，2017年；Zhang等人，2017年）。

许多研究人员尝试使用各种类型的污泥来制备陶瓷膜。例如，Chen等人（2020年）成功地从含有重金属的污泥中制备出了陶瓷膜，证明了烧结过程中形成了稳定的尖晶石结构。后续研究证实，烧结过程有效地将重金属固定在了硅铝酸盐晶体相中，实现了污泥的资源化和重金属的稳定（Fu等人，2022年；Wang等人，2023年）。这些发现共同证明了将污泥转化为功能性陶瓷膜的技术可行性。

饮用水处理污泥（DWTS）的化学成分与传统陶瓷膜原材料相似，使其可以直接转化为陶瓷膜而无需复杂的预处理（Li等人，2025年；Gao等人，2020年）。与传统陶瓷原材料（如高岭土或氧化铝）相比，DWTS具有独特的矿物学特性，有利于陶瓷膜的制备（Lin等人，2020年）。在烧结过程中，污泥中的氧化铝（Al₂O₃）和二氧化硅（SiO₂）发生熔化和氧化还原反应，形成硅铝酸盐晶体相。这些是高温烧结过程中形成莫来石的重要前体。同时，有机物和挥发性化合物分解并氧化，有助于形成稳定的多孔膜微观结构（Choudhury等人，2018年）。

在本研究中，饮用水处理污泥被重新用作陶瓷膜制备的低成本原料，并添加了玉米淀粉作为成孔剂以优化膜微观结构。系统评估了烧结引起的收缩行为，并使用XRD和SEM对烧结后的膜进行了表征。随后评估了膜的过滤性能和重金属浸出行为。此外，还进行了生命周期评估（LCA），以评估膜制备过程的环境可行性。本研究不仅提供了一种可持续的DWTS资源化策略，还展示了一种成本效益高的陶瓷膜生产方法，实现了资源回收和饮用水处理污泥的高价值利用。所开发的基于污泥的陶瓷膜适用于饮用水处理的预处理、工业废水的过滤，以及可能作为微滤/超滤膜的支撑层。其高渗透性和抗污染性能使其特别适合去除悬浮固体和天然有机物。

材料

富含铝的污泥来自中国深圳的龙华饮用水处理厂，通过添加铝基混凝剂进行混凝处理获得。玉米淀粉（成孔剂）购自无锡雅泰联合化工有限公司。腐殖酸（HA）、浓硫酸（H₂SO₄）和硝酸（HNO₃）购自上海阿拉丁生化科技有限公司。氢氧化钠（NaOH）购自中国山东凯源生化有限公司。

污泥的表征

原材料的性质如图2所示。研磨后的污泥粉末（图2a）具有适合陶瓷加工的理想粒径分布。XRD分析（图2b）确认了石英和高岭石为主要晶体相，这两种物质因其热稳定性和改变熔融行为的特性而有利于膜的形成（Muazu和Norhayati，2023年）。图2.c中的SEM图像展示了富含铝的污泥的形态和微观结构。

结论

本研究通过协同利用富含铝的饮用水处理污泥，成功制备出了高性能陶瓷膜。系统优化确定最佳条件为1050℃的烧结温度和30%的淀粉添加量，制备出的膜具有39.5%的表观孔隙率、42.2%的吸水能力和优异的机械性能。烧结过程形成了稳定的莫来石-石英晶体网络，同时控制了淀粉的含量。

作者贡献声明

李普：撰写初稿、进行调查、进行正式分析。吴坤波：进行调查、数据管理。苏文豪：数据管理。陈志明：进行调查。芮国芬：数据管理。彭明国：监督项目、项目管理。滕杰：撰写、审稿与编辑、方法论设计。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52400150和52400069）、江苏省自然科学基金（项目编号：BK20240984）、常州市科技计划-应用基础研究（项目编号：CJ20240050）、常州市领军创新人才引进与培养计划（项目编号：CQ20240126）以及江苏省研究生研究与实践创新计划（项目编号：SJCX25_1678）的财政支持。