《Journal of Hazardous Materials》：Characterization and stabilization of carbonized fecal sludge in brick production
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本研究针对粪便污泥(FS)带来的环境与健康风险，创新性地将碳化粪便污泥(CFS)以0%~20%的比例掺入黏土烧制砖块，系统评估了其工程特性与环境安全性。结果表明，16% CFS掺量砖的综合性能最优（抗压强度16.54 MPa、吸水率16.03%），重金属浸出远低于标准限值，且无病原菌残留，为FS资源化提供了一条高效稳定的新途径。
随着全球人口增长和城市化进程加速，粪便污泥（Fecal Sludge, FS）的产生量急剧上升，其不当处置对土壤和水体造成严重污染，并引发霍乱、痢疾等水媒疾病，直接威胁人类健康。在孟加拉国等发展中国家，污水处理设施覆盖不足，大量FS依赖现场卫生系统（如化粪池）临时贮存，长期积存导致病原菌增殖和地下水污染。尽管2017年推出的粪便污泥与污水管理（FSSM）政策要求对FS进行收集、运输、处理和再利用，但传统处理方式（如堆肥、厌氧消化）存在周期长、占地大、污泥减量慢等瓶颈。如何实现FS的无害化、资源化处置，成为环境工程领域的迫切课题。
为此，发表于《Journal of Hazardous Materials》的一项研究提出了一种创新解决方案：将碳化粪便污泥（Carbonized Fecal Sludge, CFS）作为黏土替代材料用于制砖，通过高温焚烧实现FS的彻底稳定化。研究团队以孟加拉国库尔纳地区的FS为原料，经干燥后于330±10°C下碳化3小时制备CFS，再按0%~20%的梯度比例（每2%递增）与黏土混合，在1000°C下烧制成砖，系统评估了其物理力学性能、环境安全性及微观结构特征。
研究采用了多项关键实验技术：通过细菌学分析（APHA 9221E、EPA 1682、UKZN PRG蠕虫卵法）检测FS和CFS的病原体含量；利用X射线荧光光谱（XRF）分析原材料化学组成；采用扫描电镜（SEM）、能谱分析（EDS）和X射线衍射（XRD）表征砖体微观结构与物相；通过原子吸收光谱（AAS）测定重金属浸出浓度（遵循NEN 7345和USEPA 1311标准）；并依ASTM系列标准测试砖块的抗压强度、吸水率、体积密度等工程参数。
3.1 细菌学分析
结果显示，原始FS的粪大肠菌群达1100 MPN/g，超出安全限值（<1000 MPN/g），而CFS中未检出粪大肠菌群、沙门氏菌和蠕虫卵，表明碳化过程可彻底灭活病原体，满足EPA 503标准，为安全 handling 提供了保障。
3.2 原材料表征
CFS的有机质含量（30.14%）显著高于黏土（2.53%），其颗粒粒径分布中>75 μm的粗颗粒占比达45.46%，高于黏土的28.00%。阿太堡界限试验表明，CFS掺量增至20%时，塑性指数从15.33%降至8.72%，属中等塑性硅质黏土，适宜制砖。XRF分析显示CFS富含SiO2（32.72%）、CaO（15.75%）等氧化物，为砖体烧结过程中的键合形成奠定了基础。
3.3 工程性能
3.3.1 抗压强度
CFS掺量从0%增至20%时，砖体抗压强度由33.64 MPa线性下降至12.04 MPa（R2=0.9872）。16% CFS砖强度为16.54 MPa，满足BDS 208标准的A级砖要求（3–24 MPa）。强度下降归因于有机质燃烧后形成的孔隙增多。
3.3.2 吸水性与孔隙率
吸水率随CFS掺量增加从13.77%升至17.52%，16% CFS砖为16.03%，符合ASTM C62的A类砖上限（≤17%）。表观孔隙率由28.29%增至39.34%，与有机质挥发直接相关。
3.3.3 收缩与密度
面积收缩率（2.00%–3.84%）和体积密度（2.10–1.84 g/cm3）均处于标准允许范围，16% CFS砖的密度为1.89 g/cm3，属轻质砖范畴。
3.3.4 环保性能
重金属浸出浓度远低于NEN 7345和USEPA 1311限值，例如20% CFS砖的Zn、Cr、Ni、Pb浸出量最高仅0.119 mg/L、0.015 mg/L、0.010 mg/L和未检出，且砖体无泛碱现象。
3.5 微观结构分析
SEM显示16% CFS砖表面致密、孔隙均匀；XRD证实砖体中石英（SiO2）和赤铁矿（Fe2O3）为主要晶相，CFS掺入未引起相变；DSC分析表明砖体在1000°C下热稳定性良好。
3.8 经济性与可行性
16% CFS砖的单块成本降低0.002美元，且可利用现有砖厂工艺规模化生产。研究建议后续开展长期耐久性测试及生命周期评价（LCA），以评估实际环境效益。
该研究证实，CFS制砖不仅可消纳大量FS，减少环境负荷，还能生产符合建筑标准的轻质砖材，适用于排水工程、地下建筑等非美观场景。这一“以废治废”的策略，为全球FS管理提供了技术可行、环境安全的资源化路径，对实现可持续发展目标（SDG 6）具有重要实践意义。
