碳化粪便污泥（CFS）在制砖中的应用：一种可持续的废物管理新途径

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Deciphering the impact of microplastics (MPs) on Himalayan agricultural soils: Current knowledge and future perspectives

本研究针对粪便污泥（FS）处理难题，提出将其碳化（CFS）后用于制砖的创新方案。研究人员通过将CFS与黏土按不同比例混合，在1000°C下烧制，系统评估了砖块的工程性能与环境安全性。结果表明，16% CFS掺入的砖块在抗压强度（16.54 MPa）、吸水率（16.03%）等关键指标上表现优异，且重金属浸出远低于标准限值。该研究为FS的无害化、资源化处置开辟了新路径，对实现可持续废物管理具有重要意义。

　　

引言：当“废物”遇见“建材”——粪便污泥的华丽转身

在人口激增的今天，一个日益严峻的全球性挑战正悄然逼近——粪便污泥（Fecal Sludge, FS）的处理。据估算，全球约有27亿人依赖现场卫生系统（On-site Sanitation System, OSS）处理排泄物，这一数字预计到2030年将飙升至50亿。在孟加拉国等发展中国家，由于高昂的污水处理系统建设成本，大量未经处理的FS被直接排入环境，不仅污染土壤和水体，更成为霍乱、痢疾等水媒疾病的温床，严重威胁公共卫生安全。

面对这一“烫手山芋”，传统的堆肥、厌氧消化等处理方式虽能实现部分资源化，但往往存在处理周期长、占地面积大、病原体灭活不彻底等问题。因此，寻找一种高效、彻底且可持续的FS处置方案迫在眉睫。

在此背景下，一项发表在《Journal of Hazardous Materials Advances》上的研究，为FS的“归宿”提供了一个颠覆性的答案——将其变废为宝，制成建筑用砖。这项研究由孟加拉国库尔纳工程技术大学（Khulna University of Engineering & Technology, KUET）的研究团队主导，他们创新性地将FS进行碳化处理，并将其作为原料掺入黏土中烧制砖块，不仅成功实现了FS的无害化、减量化，还赋予了其新的经济价值。

核心技术方法：从“污泥”到“砖块”的蜕变之旅

为了验证这一设想的可行性，研究团队设计了一套严谨的实验方案。他们首先从孟加拉国库尔纳市的粪便污泥处理厂（FSTP）收集了原始FS，通过干燥和碳化（330±10°C）处理，将其转化为碳化粪便污泥（Carbonized Fecal Sludge, CFS）。随后，他们将CFS与当地砖厂采集的黏土按0%至20%的不同比例（每2%为一个梯度）进行混合，并添加适量水制成砖坯。这些砖坯在自然条件下干燥后，被送入自动砖厂，在1000°C的高温下进行烧制。

为了全面评估这些“特殊”砖块的性能，研究人员运用了多种先进的分析技术：

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  工程性能测试：依据ASTM和BDS等标准，系统测定了砖块的抗压强度、吸水率、体积密度、表观孔隙率、面积收缩率和烧失量等关键指标。
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  环境安全评估：采用NEN 7345和USEPA 1311两种标准方法，对烧成砖块进行了重金属浸出测试，以评估其环境风险。
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  微观结构与物相分析：利用扫描电子显微镜（SEM）观察砖块的微观形貌，通过X射线荧光光谱（XRF）和X射线衍射（XRD）分析其化学组成和物相结构，并借助能谱仪（EDS）确认元素分布。

研究结果：CFS砖块的“体检报告”

1. 病原体灭活与原料表征

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  结论：碳化处理（CFS）能完全灭活FS中的病原体，使其成为安全的制砖原料。
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  依据：细菌学分析显示，原始FS中检测到粪大肠菌群（1100 MPN/g），而CFS中未检出任何粪大肠菌群、沙门氏菌和蠕虫卵，表明碳化过程有效消除了健康风险。XRF分析进一步证实，CFS和黏土中均含有丰富的SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃等氧化物，这些是形成砖体结构的关键成分。

2. 工程性能评估

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  结论：CFS的掺入会降低砖块的抗压强度，但16%掺量下的砖块仍能满足建筑标准要求，且表现出轻质、低收缩的特性。
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  依据：随着CFS掺量从0%增加至20%，砖块的抗压强度从33.64 MPa线性下降至12.04 MPa。其中，16% CFS掺量的砖块抗压强度为16.54 MPa，符合BDS 208标准中A级砖（3-24 MPa）的要求。同时，该配比砖块的体积密度为1.89 g/cm³，属于轻质砖范畴；面积收缩率为3.32%，远低于8%的限值，表明其尺寸稳定性良好。

3. 孔隙与吸水特性

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  结论：CFS的掺入会增加砖块的孔隙率和吸水率，但16%掺量下的砖块吸水率（16.03%）仍满足标准要求。
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  依据：CFS中的有机物在高温烧成过程中挥发，导致砖体内部形成孔隙。随着CFS掺量增加，砖块的表观孔隙率从28.29%增至39.34%，吸水率从13.77%增至17.52%。16% CFS砖块的吸水率在ASTM C62标准规定的A类砖（≤17%）限值附近，表明其具备一定的耐候性。

4. 环境安全与重金属固化

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  结论：CFS掺入砖块后，重金属被有效固化在砖体基质中，浸出浓度远低于标准限值，环境风险极低。
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  依据：NEN 7345和USEPA 1311浸出测试结果显示，所有CFS掺量砖块浸出液中的Fe、Zn、Cr、Ni、Pb等重金属浓度均远低于标准限值。例如，20% CFS砖块中Cr的浸出浓度仅为0.015 mg/L，远低于NEN 7345标准中的150 mg/L限值。这表明高温烧成过程促进了重金属与硅酸盐基质的结合，有效抑制了其向环境迁移。

5. 微观结构与物相分析

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  结论：CFS与黏土在高温下形成了致密、烧结良好的微观结构，物相以石英（Quartz）为主，结构稳定。
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  依据：SEM图像显示，16% CFS砖块呈现出与纯黏土砖相似的致密、光滑的微观形貌，表明CFS的掺入未对砖体结构造成破坏。XRD图谱证实，砖块的主要物相为石英（SiO₂），CFS的掺入未引入新的有害物相，保证了砖体的化学稳定性。

结论与展望：为“废物”找到“新家”

这项研究成功地将一个令人头疼的环境问题，转化为一个具有实际应用价值的解决方案。通过将碳化粪便污泥（CFS）掺入黏土制砖，研究人员不仅实现了FS的无害化处理，还生产出了符合建筑标准的A级砖块。这些砖块不仅强度达标，而且具有轻质、低收缩的优点，更重要的是，其重金属浸出风险极低，确保了环境安全。

该研究的成功，为全球范围内日益严峻的FS管理难题提供了一条全新的、可持续的出路。它证明了“废物”并非终点，而是可以成为循环经济链条中的宝贵“资源”。未来，随着相关技术的进一步优化和推广，这种“变废为宝”的模式有望在全球范围内得到广泛应用，为构建一个更清洁、更可持续的未来贡献力量。