海藻酸钠和氯化钙用于铜或锌污染疏浚污泥的可持续电渗脱水与稳定化

《Journal of Cleaner Production》：Sustainable electro-osmotic dewatering and stabilization of Cu- or Zn-contaminated dredged sludge with sodium alginate and calcium chloride

　　

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  SA辅助电渗脱水并强化受铜或锌污染的疏浚污泥。
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  含1.0% SA的Z2组使含水率降低22.53个百分点，强度提高11.5倍。
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  CaCl₂增加了电流-水脱耦以及归一化排水能耗。
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  阴极侧沉积物与沉淀辅助强化作用一致。
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  金属保留受条件影响，在酸性浸出条件下对pH敏感。

引言

河流、湖泊和水库的疏浚对于维持水生生态功能和泄洪能力至关重要，但同时也会产生大量高含水率污泥，这些污泥必须经过脱水、稳定化处理后才能安全回用或处置。据不完全统计，中国每年的疏浚污泥产生量超过10亿立方米（Dai等，2025b）。如此巨大的物质流带来了典型的清洁生产挑战：减少污泥体积、避免产生二次废物、提高水和能源效率，以及实现更安全的资源化利用而非简单的末端处置（Yang等，2024；Lv等，2026）。当沉积物中含有Pb、Cd、Cu、Hg和Zn等重金属时，这一挑战进一步加剧（Wang等，2024；Zhang和Shao，2025；Dai等，2025a），因为这些重金属的生物累积性、生态毒性及其在土壤-水界面的复杂迁移增加了填埋和工程利用的相关风险（Wang等，2022；Xu和Baddar，2022；Linnik等，2024）。

现有的污泥处理技术只能部分满足这些耦合的工程和环境要求。机械脱水可以快速减小体积，但受污染的滤饼在回用前可能仍需二次处理（Wang等，2021b）。真空预压法成本相对较低，广泛用于软土地基改良，但排水滤芯易发生堵塞，且该方法在固定重金属或加固深层污泥方面的能力有限（Li等，2023）。基于水泥或石灰的固化/稳定化处理可以提高强度并固定污染物（Ge等，2021；Meng等，2025），但高掺量胶凝材料可能会改变污泥的固有特性，增加材料消耗、隐含能耗和碳排放（Yin等，2025）。因此，更清洁的替代方案应结合脱水、强度提升和污染物稳定化，同时尽量减少添加剂投入和非生产性能耗。

电渗（EO）是一种有前景的电动力学方法，适用于低渗透性、高含水率和受污染土壤，因为直流电场可以同时驱动孔隙水迁移和离子传输（Chen等，2025）。然而，传统电渗常受高能耗、电极腐蚀、界面极化和不均匀加固等问题的制约，尤其是典型的阳极硬化-阴极软化模式（Asavadorndeja和Glawe，2005；Tian等，2021；Zhang等，2026）。此外，简单的电渗脱水不一定能提供稳定的重金属固定效果（Shen等，2025）。对于清洁生产而言，关键问题不仅在于电渗能否排水，更在于电流是否能有效耦合有用的排水和稳定化作用，而不是通过离子传导、焦耳热或界面损耗被耗散。

将电渗与低剂量、环境友好的添加剂结合可以克服这些局限性。海藻酸钠（SA）是一种从褐藻中提取的天然生物聚合物，具有无毒、可生物降解和生物相容性的特点（Cheng等，2025）。其反应性官能团可通过离子交换和络合作用结合重金属离子，同时其凝胶网络可以桥接颗粒并改善土壤骨架（Wang等，2021a）。氯化钙（CaCl₂）可以增加孔隙水导电性，并提供Ca²⁺，其可能与电解产生的OH^?反应生成胶凝产物（Zhang和Hu，2024；Zhang等，2025）。然而，导电性的增加同样可能加剧电极反应、引起沉淀堵塞，并使电流与水流脱耦。因此，SA/CaCl₂辅助电渗工艺的清洁生产价值取决于有效脱水、机械稳定化、能效和长期环境稳定性之间的平衡。

因此，本研究通过两个针对特定污染物的实验室系列实验，研究了SA和CaCl₂辅助电渗。实验设计旨在对电响应、排水、含水率降低、空间承载力发展、能量利用、浸出行为和SEM形貌进行综合评价。特别关注了系列内SA和CaCl₂添加的影响、电流与可测量水去除之间的关系，以及处理过程中脱水和强化的空间变化。观察到的pH演变、浸出行为和微观结构特征进一步结合文献中报道的既有机制进行解释，以考察海藻酸盐相互作用、Ca²⁺相关过程和沉淀的可能作用。基于所得的空间响应模式，进一步考虑分区或分阶段添加剂输送作为后续验证的潜在方向。可持续性从工艺层面进行讨论，重点关注处理性能、能量利用、低添加剂用量、收集水管理以及与放大和成本相关的定性因素。

章节摘要

试验用土

试验用污泥取自中国浙江省某现场。污泥的基本物理性质按照中国国家标准GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》测定，汇总于表1。

天然疏浚污泥通常含有复杂的重金属污染物混合物，难以控制实验变量。为确保试验条件的均匀性和可重复性，采用人工

电流

如图4所示，所有组别的电流在电渗初期相对较高，随后逐渐下降并趋于稳定。初始电流范围为114.271 mA（C0）至455.164 mA（Z3）。两个污染物系列采用了不同的电势梯度（铜污染C系列为0.5 V/cm，锌污染Z系列为1.0 V/cm），这是实验设计的一部分。由于两个系列在污染物类型和初始浓度方面也存在差异，

结论

本研究评估了SA和CaCl₂辅助电渗对受铜或锌污染疏浚污泥的清洁脱水、强化和稳定化效果。主要结论如下：

• (1)
  在Z系列中，Z2（1.0% SA）产生了最大的排水量。其五区平均含水率从45.00%降至22.47%，对应降低22.53个百分点，相对降低50.07%，而其平均承载力为Z0的11.5倍。该

CRediT作者贡献声明

郑凌伟：写作——审阅与编辑，写作——初稿，方法学，概念化。吴国强：写作——初稿，可视化，验证，调查，数据管理。张训立：写作——审阅与编辑，方法学。陈冠宇：可视化，调查，形式分析，数据管理。王恒宇：写作——审阅与编辑，方法学，经费获取，概念化。葛尚奇：写作——审阅与编辑，方法学，形式分析。于元洪

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资助

本研究得到国家自然科学基金（编号52378374和52378372）、浙江省科技计划项目（编号2025E10118）、中国博士后科学基金会博士后项目（编号GZC20240940）、山东省博士后创新人才支持计划（编号SDBX202302007）以及山东省自然科学基金（编号ZR2024QE174）的资助。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的、可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

郑凌伟|吴国强|张训立|陈冠宇|王恒宇|葛尚奇|于元洪|谢欣宇