本文发表于《Journal of Environmental Management》第308卷（2022年），题为《Ceramsite Production Using Water Treatment Residue as Main Ingredient: The Key Affecting Factors Identification》。该研究由Changhui Wang、Chenghao Huang、Huacheng Xu、Nannan Yuan、Xin Liu、Leilei Bai、Xiaosong He和Rui Liu等作者共同完成，研究机构包括中国科学院南京地理与湖泊研究所、南京信息职业技术学院、南京林业大学、中国环境科学研究院等。
饮用水处理残渣（Drinking Water Treatment Residue, DWTR）是饮用水生产过程中不可避免的副产品。传统上，DWTR被视为无害材料，但其处理成本高昂，每年在全球范围内耗费数百万美元。因此，DWTR的回收利用逐渐受到科学界的关注。DWTR含有较高的铝和铁元素，这些元素赋予其较强的吸附能力，能够吸附环境中的重金属、有机污染物和磷酸盐等。近年来，许多研究尝试将DWTR颗粒化为陶粒（ceramsite），以促进其在过滤处理系统中的回收利用，特别是在人工湿地等水环境修复中的应用。
本研究旨在探讨以DWTR为主要原料生产陶粒的关键影响因素。通过使用五种不同的DWTR样品，结合粘土作为辅助材料，研究烧结温度、DWTR与粘土的比例、烧结时间和颗粒直径等参数对陶粒性能的影响，并探讨DWTR的化学成分如何影响陶粒的生产过程。
研究分为两个主要阶段：陶粒生产和陶粒性能评估。首先，研究人员从北京、南京、苏州和杭州的水处理厂收集了五种不同的DWTR样品，并将其与粘土混合制备原料。随后，通过手工造粒、烘干和烧结等步骤制备陶粒。烧结温度范围为500°C至1000°C，DWTR与粘土的比例为5:5至9:1，颗粒直径为5至15毫米，烧结时间为5至60分钟。
陶粒的性能评估包括基本物理性质（如抗压强度、堆积密度、烧失量等）和化学性质（如元素组成、晶体结构等）的分析。此外，研究还通过毒性特征浸出程序（Toxicity Characteristic Leaching Procedure, TCLP）评估了陶粒中重金属的浸出特性，并通过吸附实验测试了陶粒对镉（Cd）、铜（Cu）和铅（Pb）的吸附能力。
研究结果表明，烧结温度是影响陶粒性能的关键参数。随着烧结温度的升高，DWTR中的硅（Si）和铝（Al）结晶化增强，促进了SiO2和CaAl2Si2O8晶体的形成，从而提高了陶粒的抗压强度。不同DWTR制备的陶粒具有不同的性能，主要归因于DWTR中Si、钾（K）、铁（Fe）和烧失量的差异。在原料制备过程中，所有DWTR都需要额外补充Si并稀释烧失量，而某些DWTR可能需要补充K和稀释Fe。
毒性浸出实验表明，尽管烧结处理增加了铜（Cu）的浸出，但DWTR基陶粒仍被认定为无害材料。此外，烧结处理还降低了钡（Ba）、铍（Be）、镉（Cd）和铬（Cr）的浸出性。DWTR基陶粒具有较高的比表面积（22.1–50.5 m²/g），能够有效吸附溶液中的Cd、Cu和Pb。
本研究证明了DWTR作为主要原料生产陶粒的可行性。烧结温度通过调节SiO2和CaAl2Si2O8晶体的形成显著影响陶粒的性能。研究还发现，不同DWTR制备的陶粒具有不同的性能，主要受DWTR中Si、K、Fe和烧失量的影响。在所有DWTR中，补充Si和稀释烧失量是必要的，而某些DWTR可能需要额外补充K和稀释Fe。
DWTR基陶粒被证明是无害材料，且烧结处理降低了某些重金属的浸出性。此外，DWTR基陶粒具有较高的比表面积和吸附能力，能够有效吸附水中的重金属。总体而言，本研究为DWTR的回收利用提供了理论支持，展示了其在环境修复中的潜在应用价值。
尽管本研究展示了DWTR基陶粒的潜力，但仍需进一步研究其在复杂环境条件下的吸附性能，特别是温度、有机物和离子强度等因素对吸附能力的影响。此外，如何优化DWTR基陶粒的生产工艺以满足不同应用需求也是未来研究的重点。