河泥/海泥陶粒的制備及其對(duì)磷的吸附特性研究*

張興宇 李俊奇,2# 張 偉,3 林 聰 吳允紅 李海燕,3 梁 云

(1.北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；2.北京節(jié)能減排與城鄉(xiāng)可持續(xù)發(fā)展省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100044；3.北京市可持續(xù)城市排水系統(tǒng)構(gòu)建與風(fēng)險(xiǎn)防控工程技術(shù)研究中心，北京 100044；4.北京雨人潤(rùn)科生態(tài)技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100080；5.莊河市城鄉(xiāng)建設(shè)服務(wù)中心，遼寧 大連 116400)

近年來(lái)，我國(guó)在航道疏浚、黑臭水體治理、港口建設(shè)等過(guò)程中產(chǎn)生了大量的河道清淤泥(簡(jiǎn)稱(chēng)河泥)和海洋疏浚泥(簡(jiǎn)稱(chēng)海泥)，其主要處理利用方式包括填埋、海洋傾倒、土地修復(fù)以及制備填方材料、建筑材料和水處理材料[1-5]。河泥和海泥中的本底污染物在利用過(guò)程中容易對(duì)環(huán)境造成二次污染，在利用前需要進(jìn)行深度處理加工，其中燒結(jié)是污染物無(wú)害化處置的有效措施之一[6]，使用河泥或海泥燒結(jié)制備陶粒是一種有前景的淤泥資源化利用途徑。

目前河泥/海泥陶粒主要用于建筑材料和水處理材料中[7-8]。XU等[9]以污水污泥和河泥作為原料制備陶粒，發(fā)現(xiàn)原料成分中(Fe2O3+CaO+MgO)與(SiO2+Al2O3)的質(zhì)量比在0.175～0.200時(shí)陶粒對(duì)重金屬的固定效果最好，用于土木、建筑材料時(shí)安全性高。李秋義等[10]利用青島某海灣淤積海泥燒制出強(qiáng)度高、性能優(yōu)的輕集料混凝土，為海泥資源利用和建筑材料經(jīng)濟(jì)化提供一種新的思路。徐淑紅等[11]使用自制底泥陶粒對(duì)印染廢水進(jìn)行處理，結(jié)果表明底泥陶粒可有效去除污水中的COD、氨氮和色度；海泥在一定條件下也能制備出對(duì)COD、氨氮等具有較好吸附效果的陶粒吸附劑[12]。

固體吸附劑對(duì)磷的吸附方式主要包括物理吸附和化學(xué)吸附兩種[13]，其中化學(xué)吸附是陶粒除磷的主要方式，且陶粒中Fe、Mg、Ca、Al等金屬成分在除磷過(guò)程中起著重要作用[14]。JI等[15]發(fā)現(xiàn)添加Fe可以增加粉煤灰陶粒比表面積和平均孔徑，同時(shí)增加Fe3C和FeC8的粒子豐富度，提高陶粒對(duì)磷的吸附能力；CHENG等[16]以牡蠣殼為添加劑，制備出具有較好磷吸附能力的粉煤灰陶粒，吸附結(jié)果表明，陶粒中Ca-P的反應(yīng)是主要的吸附機(jī)制；高紅杰等[17]以沈陽(yáng)某河底泥為研究對(duì)象，通過(guò)添加Ca、Al等添加劑，制備出高效除磷型陶粒，可作為吸附劑用于城市常規(guī)廢水生物處理中。為解決源頭減排設(shè)施對(duì)徑流雨水中磷的去除效果不穩(wěn)定的問(wèn)題，陶粒也常作為吸附填料應(yīng)用于雨水控制設(shè)施中[18-20]，故較好的除磷能力是陶粒填料選擇的關(guān)鍵參數(shù)。

為探究河泥/海泥陶粒的吸附效果及機(jī)理，以水體中常見(jiàn)TP作為吸附質(zhì)，通過(guò)不同條件下河泥/海泥陶粒對(duì)TP的吸附實(shí)驗(yàn)和相關(guān)表征分析，研究?jī)煞N陶粒吸附特性，為河泥/海泥陶粒在水處理中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1 材料及方法

1.1 材料準(zhǔn)備

以沿海城市常見(jiàn)廢棄物資源(河泥、海泥、鐵基污泥、貝殼粉)作為陶粒制備原料，其中河泥/海泥是主要原料，鐵基污泥和貝殼粉作為Fe、Ca添加劑。河泥和海泥分別取自大連莊河市鮑碼河與莊河港，兩種材料主要成分都是SiO2和Al2O3，同時(shí)含有部分氧化物；鐵基污泥取自莊河市某污水處理廠，除有機(jī)質(zhì)外，含量最高的成分為Fe2O3；貝殼粉為蜆子殼經(jīng)機(jī)械粉碎后得到，蜆子殼取自莊河市沿海養(yǎng)殖區(qū)，主要成分為CaCO3，具體化學(xué)成分占比見(jiàn)表1。各種材料經(jīng)自然干燥、挑揀、破碎后備用。使用磷酸二氫鉀(KH2PO4，分析純)配制不同濃度的含磷模擬水樣。

表1 陶粒燒制原料的主要化學(xué)成分1)

1.2 河泥/海泥陶粒的制備

根據(jù)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，河泥陶粒的最佳原料配比為河泥∶貝殼粉∶鐵基污泥=15∶1∶4(質(zhì)量比，下同)，海泥陶粒的最佳原料配比為海泥∶貝殼粉∶鐵基污泥=15∶3∶2。河泥/海泥陶粒制備的具體工藝為：(1)將制備材料按最佳配比混合，加水制成粒徑為5～15 mm的橢圓顆粒；(2)橢圓顆粒經(jīng)傳送帶運(yùn)送至回轉(zhuǎn)爐中先預(yù)熱后燒結(jié)，預(yù)熱溫度和時(shí)間分別為350 ℃、20 min，河泥陶粒燒結(jié)溫度和時(shí)間分別為950 ℃、25 min，海泥陶粒燒結(jié)溫度和時(shí)間分別為850 ℃、25 min；(3)燒結(jié)陶粒最后經(jīng)冷卻爐冷卻至室溫后備用。

1.3 重金屬、磷浸出研究

受污染的河泥、污水處理廠污泥中含有Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、Hg、As、Ni等重金屬[21]，在陶粒制備過(guò)程中上述重金屬無(wú)法直接去除，只能遷移和固化。重金屬在特定條件易浸出從而污染環(huán)境，因此研究陶粒的重金屬浸出特征十分必要。依據(jù)《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》(GB 5085.3—2007)和《固體廢物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》(HJ/T 299—2007)中規(guī)定的檢測(cè)方法和浸出方法分析原料和陶粒的重金屬浸出情況。同時(shí)為了更好地分析陶粒對(duì)TP的吸附情況，根據(jù)《水質(zhì) 總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》(GB 11893—89)檢測(cè)浸出水樣中TP含量。

1.4 磷吸附實(shí)驗(yàn)

為考察河泥/海泥陶粒對(duì)TP的吸附性能差異，在相同條件下分別對(duì)河泥陶粒組與海泥陶粒組的TP吸附實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。

1.4.1 陶粒投加量對(duì)磷吸附的影響

取250 mL錐形瓶分別加入200 mL TP為5.0 mg/L的模擬水樣，每個(gè)錐形瓶中分別加入1、2、3、5、7、10 g陶粒，折合陶粒投加量分別為5、10、15、25、35、50 g/L，將錐形瓶置于水浴恒溫振蕩器中，在25 ℃、110 r/min下恒溫振蕩24.0 h，取水樣過(guò)濾，測(cè)定濾液中TP濃度，計(jì)算陶粒對(duì)TP的吸附量。

1.4.2 等溫吸附

取250 mL錐形瓶分別加入200 mL TP為1.5、3.0、5.0、10.0、30.0 mg/L的模擬水樣，再分別加入5 g陶粒，將錐形瓶置于水浴恒溫振蕩器中，調(diào)整水浴溫度分別為15、25、35 ℃，在110 r/min下恒溫振蕩24.0 h，取水樣過(guò)濾，測(cè)定濾液中TP濃度，計(jì)算陶粒對(duì)TP的吸附量。

1.4.3 吸附動(dòng)力學(xué)

取250 mL錐形瓶分別加入200 mL TP為5.0 mg/L的模擬水樣和5 g陶粒，將錐形瓶置于水浴恒溫振蕩器中，在25 ℃、110 r/min下振蕩0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、6.0、9.0、12.0、18.0、24.0、36.0、48.0 h時(shí)取水樣過(guò)濾，測(cè)定濾液TP濃度，計(jì)算陶粒對(duì)TP的吸附量。

1.5 陶粒表征分析

使用SU8020掃描電子顯微鏡(SEM)分析河泥/海泥陶粒表面及內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)；使用Bruker D8 Advance X射線(xiàn)衍射(XRD)儀和Nicolet IS10紅外光譜(FTIR)儀分析河泥/海泥陶粒吸附磷前后的物相組成和官能團(tuán)信息。

2 結(jié)果與分析

2.1 原料及陶粒重金屬、磷浸出情況

不同原料及陶粒的重金屬、TP浸出情況見(jiàn)表2。河泥和海泥浸出液中檢測(cè)出Ni、Zn、TP，其他重金屬均低于檢出限，貝殼粉浸出液中僅檢測(cè)出少量Zn、TP，污水污泥的Cu、Ni、Zn、TP浸出質(zhì)量濃度較高，分別為0.27、0.41、0.24、3.87 mg/L。河泥陶粒和海泥陶粒浸出液中As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg均低于檢出限，其中河泥陶粒浸出液中檢測(cè)出Zn、TP，浸出質(zhì)量濃度分別為0.02、0.03 mg/L，海泥陶粒浸出液中檢測(cè)出Ni、Zn、TP，浸出質(zhì)量濃度分別為0.05、0.03、0.02 mg/L，重金屬浸出濃度和TP浸出濃度遠(yuǎn)小于GB 5085.3—2007和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中Ⅱ類(lèi)水規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，總體優(yōu)于底泥陶粒[22]、污水污泥陶粒[23]的浸出情況。因此，河泥/海泥陶粒在使用過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生重金屬和磷污染。

表2 原料和陶粒浸出液的主要污染物質(zhì)量濃度1)

2.2 陶粒磷吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 陶粒投加量的影響

不同投加量下河泥陶粒與海泥陶粒對(duì)TP的吸附特征見(jiàn)圖1。可以看出，隨著兩種陶粒投加量增大，模擬水樣中TP平衡濃度降低，陶粒對(duì)TP的吸附量減少，陶粒投加量在5～25 g/L時(shí)TP平衡濃度下降速度較快，之后趨于穩(wěn)定，故25 g/L是河泥陶粒和海泥陶粒最佳的設(shè)計(jì)投加量，此時(shí)對(duì)TP的吸附量分別為0.136 1、0.122 5 mg/g。

圖1 不同投加量下河泥陶粒和海泥陶粒對(duì)TP的吸附

2.2.2 等溫吸附結(jié)果

等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，河泥陶粒與海泥陶粒對(duì)TP的飽和吸附量總體均隨著吸附溫度提升而增大，說(shuō)明升溫能促進(jìn)陶粒對(duì)TP的吸附，該吸附過(guò)程為吸熱反應(yīng)。當(dāng)TP初始質(zhì)量濃度為30.0 mg/L時(shí)，15、25、35 ℃下河泥陶粒對(duì)TP的飽和吸附量分別為0.161 7、0.194 5、0.245 5 mg/g，海泥陶粒對(duì)TP的飽和吸附量分別為0.145 5、0.256 4、0.351 9 mg/g。

表3 河泥陶粒與海泥陶粒對(duì)TP等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別采用Langmuir等溫吸附方程(見(jiàn)式(1))、Freundlich等溫吸附方程(見(jiàn)式(2))擬合兩種陶粒對(duì)TP的等溫吸附過(guò)程，擬合參數(shù)見(jiàn)表4。河泥陶粒和海泥陶粒對(duì)TP的吸附過(guò)程都與Langmuir等溫吸附曲線(xiàn)更為符合，R2均在0.86以上，說(shuō)明磷被吸附后在兩種陶粒表面均呈現(xiàn)單分子層分布[24]，其中河泥陶粒在15、25、35 ℃下理論最大吸附量分別為0.224 4、0.231 9、0.295 2 mg/g，海泥陶粒則為0.196 4、0.309 9、0.481 3 mg/g。JIANG等[25]通過(guò)等溫吸附實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究了石英砂、頁(yè)巖和生物陶粒的TP吸附能力，測(cè)得3種吸附劑對(duì)TP的最大吸附量分別為0.169 5、0.454 6、0.526 5 mg/g；肖繼波等[26]使用清淤底泥為主要原料制備高效除磷型陶粒，其在30 ℃下對(duì)TP的最大吸附量為0.655 0 mg/g，可見(jiàn)河泥陶粒和海泥陶粒與其他高吸附性能陶粒相比磷吸附效果一般，但河泥陶粒和海泥陶粒制備所用的原料均為城市建設(shè)和生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物，具有資源和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

表4 等溫吸附擬合參數(shù)

(1)

(2)

式中：qe為飽和吸附量，mg/g；Qmax為理論最大吸附量，mg/g；KL為L(zhǎng)angmuir吸附平衡常數(shù)，L/mg；Ce為平衡時(shí)溶液中TP的質(zhì)量濃度，mg/L；KF為Freundlich吸附常數(shù)，mg1-1/n·L1/n/g；n為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，與吸附體系性質(zhì)有關(guān)。

2.2.3 吸附動(dòng)力學(xué)結(jié)果

根據(jù)河泥陶粒和海泥陶粒的TP吸附動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表5)，可將陶粒的TP吸附過(guò)程分為3個(gè)階段，分別為初期快速吸附階段(0～9.0 h)、中期緩速吸附階段(9.0～24.0 h)和后期吸附穩(wěn)定階段(24.0 h后)。在吸附初期，陶粒表面的孔結(jié)構(gòu)中存在大量的吸附點(diǎn)位，吸附速度較快；隨著吸附時(shí)間的增加，吸附點(diǎn)位逐漸飽和，吸附速度也相應(yīng)降低，最終完全飽和后吸附達(dá)到穩(wěn)定。河泥陶粒達(dá)到穩(wěn)定階段的時(shí)間較早，在18.0 h時(shí)TP吸附量已基本趨于穩(wěn)定，為0.127 8 mg/L；海泥陶粒則在24.0 h達(dá)到穩(wěn)定階段，TP吸附量為0.151 7 mg/g。從兩種陶粒磷吸附過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，在吸附中期，河泥陶粒吸附能力優(yōu)于海泥陶粒，但在吸附后期，海泥陶粒飽和吸附量高于河泥陶粒。

表5 不同吸附時(shí)間下河泥陶粒與海泥陶粒對(duì)TP的吸附量

分別采用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型(見(jiàn)式(3))和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型(見(jiàn)式(4))對(duì)河泥陶粒和海泥陶粒的TP吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 吸附動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)

qt=qe×(1-e-k1×t)

(3)

(4)

式中：qt為t時(shí)刻TP吸附量，mg/g；k1為準(zhǔn)一級(jí)吸附速率常數(shù)，h-1；t為吸附時(shí)間，h；k2為準(zhǔn)二級(jí)吸附速率常數(shù)，g/(mg·h)。

由表6可見(jiàn)，河泥陶粒和海泥陶粒的TP吸附數(shù)據(jù)與準(zhǔn)一級(jí)、準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的擬合度均較好，相比而言，準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合效果更好，相關(guān)系數(shù)分別為0.987 7、0.982 0，擬合得到的TP飽和吸附量分別為0.137 0 、0.173 6 mg/g，接近實(shí)驗(yàn)數(shù)值。

2.3 陶粒的表征分析

2.3.1 SEM分析

從河泥陶粒表面及內(nèi)部SEM圖像(見(jiàn)圖2)中可以看到，河泥陶粒表面粗糙，存在許多不規(guī)則的中孔結(jié)構(gòu)，這是由于各種原料在高溫下充分燒結(jié)產(chǎn)生氣體，在液相中形成氣泡并不斷膨脹從表面溢出，因此在表面形成較大的孔隙結(jié)構(gòu)。同時(shí)表面有部分團(tuán)狀顆粒物，這是貝殼粉在高溫下生成含Ca的顆粒殘留物。河泥陶粒內(nèi)部也存在部分微孔和中孔結(jié)構(gòu)，但平均孔徑較小，這是由于高溫下產(chǎn)生的大量液相回填了內(nèi)部孔隙，使孔隙縮小。河泥陶粒表面和內(nèi)部存在的不規(guī)則孔隙結(jié)構(gòu)，在磷吸附過(guò)程中可以提供有效的吸附通道和點(diǎn)位。

圖2 河泥陶粒SEM圖(×5 000)

從海泥陶粒表面和內(nèi)部SEM圖(見(jiàn)圖3)中可以看出，相較于河泥陶粒，海泥陶粒表面和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，存在大量微孔結(jié)構(gòu)和團(tuán)狀顆粒物，這是由于海泥陶粒燒結(jié)溫度較低，沒(méi)有形成足夠的液相填充孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)海泥陶粒原料配比中含有更高比例的貝殼粉，在燒結(jié)過(guò)程中形成了更多的含Ca顆粒物。復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)和較高的Ca含量使海泥陶粒存在更多的吸附通道和點(diǎn)位，這也是在靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)中海泥陶粒對(duì)TP的吸附效果優(yōu)于河泥陶粒的主要原因。

圖3 海泥陶粒SEM圖(×5 000)

2.3.2 XRD分析

河泥陶粒和海泥陶粒的XRD圖譜見(jiàn)圖4。可以看出，河泥陶粒和海泥陶粒礦物質(zhì)成分類(lèi)似，主要由鈉長(zhǎng)石((Na0.98Ca0.02)(Al1.02Si2.98O8))、赤鐵礦(Fe2O3)、石英(SiO2)、鈣長(zhǎng)石(CaAl2Si2O8)、白云母(KAl2(AlSi3O10)(OH)2)和微斜長(zhǎng)石(KAlSi3O8)組成，兩種陶粒吸附TP前后XRD特征峰僅出現(xiàn)輕微變化，說(shuō)明TP吸附并不會(huì)產(chǎn)生新的礦物質(zhì)。從特征峰值上可以看出，海泥陶粒中赤鐵礦、鈣長(zhǎng)石含量較河泥陶粒高，這些晶體中含有的Fe3+、Al3+、Ca2+等活性成分可作為T(mén)P吸附的活性點(diǎn)位，且Ca2+與TP吸附相關(guān)性最強(qiáng)[27]。

圖4 河泥陶粒和海泥陶粒的XRD圖譜

2.3.3 FTIR分析

河泥陶粒和海泥陶粒FTIR圖譜見(jiàn)圖5。由圖5(a)可見(jiàn)，吸附前的河泥陶粒在3 435.56、1 628.31、1 078.20、777.38 cm-1處出現(xiàn)吸收峰，分別由—OH伸縮振動(dòng)、水分子中氫鍵的彎曲振動(dòng)、P—O非對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)和Si—O—Si的彎曲振動(dòng)引起[28-29]，其中位于金屬氧化物表面的—OH基團(tuán)是磷吸附過(guò)程中重要的活性吸附點(diǎn)位[30]。吸附前后河泥陶粒的FTIR圖譜吸收峰位置大致相同，吸附后—OH和P—O的吸收峰分別從原來(lái)的3 435.56、1 078.20 cm-1移動(dòng)到3 435.20、1 075.90 cm-1，且峰強(qiáng)變化明顯，說(shuō)明河泥陶粒表面成功吸附了磷，且—OH基團(tuán)參與了吸附過(guò)程。由圖5(b)可見(jiàn)，海泥陶粒的FTIR圖譜與河泥陶粒類(lèi)似，吸附前的海泥陶粒在3 434.53、1 630.51、1 077.54、777.68 cm-1處出現(xiàn)了吸收峰，吸附后的FTIR圖譜中幾處吸收峰的位置出現(xiàn)微小變化，此外1 443.89 cm-1新增一個(gè)含C吸收峰，可能是吸附了空氣中的CO2所致。

圖5 河泥陶粒與海泥陶粒的FTIR圖譜

2.4 成本效益分析

2.4.1 成本分析

為考察兩種陶粒的經(jīng)濟(jì)性，將其與市場(chǎng)上常見(jiàn)的黏土陶粒進(jìn)行成本對(duì)比分析。河泥/海泥陶粒與黏土陶粒制備所需設(shè)備、人力等相同，主要區(qū)別在于原料和工藝上，各種原料的成本及特性見(jiàn)表7。河泥/海泥陶粒是以河泥、海泥、貝殼粉和鐵基污泥等廢棄物為原料制備的新型陶粒，除貝殼粉外，其他原料獲取過(guò)程僅需運(yùn)輸費(fèi)50.00元/t，貝殼粉需要運(yùn)輸費(fèi)和粉碎處理費(fèi)共150.00元/t。以煤作為陶粒煅燒的燃料，黏土陶粒煅燒溫度通常在1 150 ℃左右，本研究河泥陶粒與海泥陶粒的煅燒溫度分別為950、850 ℃，在其他工藝條件相同的條件下，與黏土陶粒相比，制備河泥陶粒與海泥陶粒的煤耗更少。

表7 原料成本及特性

根據(jù)式(5)計(jì)算陶粒制備所需原料總成本，并參考銅川某陶粒生產(chǎn)線(xiàn)的煤耗量及市場(chǎng)上煤的價(jià)格估算陶粒用煤成本，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。經(jīng)計(jì)算，河泥陶粒、海泥陶粒的制備成本分別為195.50、194.03元/t，低于黏土陶粒的262.54元/t，且隨著河泥/海泥陶粒制備技術(shù)的成熟，各種原料處理效率會(huì)不斷提高，成本仍有較大的下降空間。

表8 陶粒制備成本

(5)

式中：Q為陶粒制備所需原料總成本，元/t；M為生產(chǎn)單位質(zhì)量陶粒的干燥原料總質(zhì)量，t/t；m為陶粒制備的原料種類(lèi)總數(shù)；Ai為第i種原料的質(zhì)量與原料總質(zhì)量的比值；Bi為第i種原料的含水率，%；Ci為第i種原料的成本，元/t。

2.4.2 效益分析

(1) 經(jīng)濟(jì)效益

河泥/海泥陶粒的經(jīng)濟(jì)效益分為直接效益和間接效益，直接效益主要是陶粒出售所帶來(lái)的收入，間接效益包括減少河泥/海泥處置所發(fā)生的原料排污費(fèi)與處置費(fèi)等。結(jié)合目前市場(chǎng)陶粒成交價(jià)格調(diào)查結(jié)果和本研究陶粒制備數(shù)據(jù)，河泥/海泥陶粒的出售單價(jià)為400～600元/t；依據(jù)我國(guó)環(huán)境保護(hù)稅稅額和天津某淤泥填埋場(chǎng)填埋成本調(diào)研情況，每生產(chǎn)1 t河泥/海泥陶粒，可節(jié)約環(huán)境保護(hù)稅28.2～59.7元，減少?gòu)U棄物處置費(fèi)343.53～363.63元；根據(jù)河泥/海泥陶粒與黏土陶粒吸磷性能比較，河泥陶粒與海泥陶粒吸附單位質(zhì)量磷所需的成本比黏土陶粒低91.79%～97.27%；對(duì)于原本沒(méi)有陶粒生產(chǎn)單位的城市，河泥/海泥陶粒生產(chǎn)線(xiàn)的落地會(huì)減少本地陶粒應(yīng)用的運(yùn)輸費(fèi)用，以大連莊河市為例，最近的陶粒制品公司距離莊河市政府140 km，陶粒運(yùn)輸成本為53.85元/t，占陶粒價(jià)格8.98%～13.46%，若莊河市能建設(shè)本地陶粒生產(chǎn)線(xiàn)，則可大幅降低陶粒運(yùn)輸成本。

(2) 資源效益

河泥/海泥陶粒制備不僅能有效利用河泥、海泥、貝殼和鐵基污泥等廢棄物，減少淤泥堆場(chǎng)、填埋場(chǎng)等占用的土地資源量，也能減少黏土的開(kāi)挖。以天津某淤泥填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)淤泥日處理能力、占地面積和本研究陶粒制備數(shù)據(jù)測(cè)算，每生產(chǎn)1 t河泥/海泥陶粒，可消耗河泥、海泥等廢棄物1.88～1.99 t，節(jié)約325.38～344.42 m2可利用的土地資源和1.28 t黏土資源。

(3) 環(huán)境效益

與黏土陶粒相比，河泥/海泥陶粒制備既能有效降低傳統(tǒng)淤泥處理技術(shù)對(duì)地下水、土壤、大氣等自然環(huán)境造成二次污染的風(fēng)險(xiǎn)，又能減少耗煤量進(jìn)而降低燃煤產(chǎn)生的CO2排放量。在填埋技術(shù)中，廢棄物產(chǎn)生的滲濾液和填埋氣是造成環(huán)境污染的主要原因，參考文獻(xiàn)[31]中滲濾液處理成本和文獻(xiàn)[32]中填埋氣收集發(fā)電技術(shù)運(yùn)行成本，計(jì)算得到每生產(chǎn)1 t河泥/海泥陶?？蓽p少29.84～31.58元的氣液收集處理成本和0.05～0.07元的COD收集封存成本。

(4) 社會(huì)效益

河泥/海泥陶粒技術(shù)可提高廢棄物資源化利用率，帶動(dòng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的形成；此外，河泥/海泥陶粒豐富了城市發(fā)展中的高效吸附材料種類(lèi)，可廣泛應(yīng)用于海綿城市建設(shè)、水環(huán)境治理和污水處理等方向，對(duì)于城市高質(zhì)量發(fā)展和生活環(huán)境改善有著重要意義。

3 結(jié) 論

(1) 河泥/海泥陶粒浸出液中多種重金屬濃度遠(yuǎn)小于GB 5085.3—2007中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，TP浸出濃度遠(yuǎn)小于GB 3838—2002中規(guī)定的Ⅱ類(lèi)水水質(zhì)要求，可安全用于城市雨、污水處理。

(2) 河泥陶粒與海泥陶粒處理含磷廢水的最佳投加量均為25 g/L，等溫吸附數(shù)據(jù)均更符合Langmuir吸附方程，為單分子層吸附。準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程能更好地?cái)M合河泥陶粒和海泥陶粒對(duì)TP的吸附動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

(3) 河泥/海泥陶粒的主要礦物質(zhì)成分均為石英、赤鐵礦和含Ca、Na、K、Al等金屬的硅酸鹽晶體；陶粒內(nèi)部存在許多不規(guī)則孔結(jié)構(gòu)和顆粒物，可為磷的去除提供吸附通道和點(diǎn)位，海泥陶粒更為復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)和較高的Ca含量是其磷吸附能力較好的重要原因；河泥/海泥陶粒吸附TP前后主要礦物質(zhì)成分不變，表面的—OH基團(tuán)參與了吸附過(guò)程。

(4) 與黏土陶粒相比，河泥/海泥陶粒的制備成本較低，且具有較好的經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境和社會(huì)效益。隨著制備技術(shù)的不斷成熟，河泥/海泥陶粒經(jīng)濟(jì)效益還會(huì)不斷提高。