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1.1  DWTR金属析出风险分析

DWTR能否作为一种可回收的固体废物取决于它自身的污染风险评价。如图1所示，金属是其主要的无机成分，因此DWTR风险分析主要是金属释放风险分析。表1列出了6种来自不同给水厂的DWTR中各种金属的含量。

注：图中分析所用DWTR取自武汉市黄陂区给水厂

图1 DWTR能谱分析

表1 6种来自不同给水厂的DWTR中各种金属的含量

注:6种DWTR分别来自北京（BJ-DWTR）、包头（BT-DWTR）、广州（GZ1-DWTR，GZ2-DWTR）、杭州（HZ-DWTR）和兰州（LZ-DWTR）。

由于DWTR主要来源于絮凝剂残泥，而大多数给水厂絮凝剂中的主要金属元素为铝（Al），因此DWTR中铝含量较高，所以关于DWTR中铝的毒性研究是当前的研究热点之一。而大多数研究表明DWTR中的铝对其应用的环境没有显著的负面影响。BABATUNDE等构建了以DWTR为基质的人工湿地并研究了铝的毒性释放，结果表明DWTR中的铝在水中的释放量很低，介于0.02~0.06 mg/L，始终低于一般监管限定值0.2 mg/L（GB 5749-2006）。OLADEJI等在DWTR修复的土壤上种植百喜草（Paspalum notatum）和黑麦草（Lolium perenne），发现两种植物体内均没有出现铝的富集现象。GALLIMORE等将pH分别为7.0和7.6的两种DWTR添加到弱碱性土壤中，试验过程中并未发现地表径流中铝的含量增加。总结上述研究发现，DWTR中铝的环境毒害风险低的原因可能有以下两点：（1）由于给水处理的过程中，铝盐主要是先水解，然后通过絮凝作用去除水中的杂质，所以DWTR中铝的存在形式主要是水解态和有机络合态，而不是对环境产生较大风险的离子态；（2）DWTR对环境酸碱度调节能力较强，使得DWTR中的铝不会轻易发生形态上的转换，从而能够保持一个相对稳定的状态。

由表1可知，DWTR除了含铝之外，还富含铁、钙、镁、锰，同时也含有一定量的砷、钡、铍、镉、钴、铬、铜、钼、镍、铅、锶、钒和锌，其中大部分重金属在DWTR中都能保持在一个相对稳定的形态。由于给水厂原水水质较好，DWTR中重金属含量一般比较低，因此，DWTR属于较为安全的固体废物。TISHALL等通过重金属元素浸出试验分析了多种来源的DWTR中重金属的浸出量，结果表明，浸出液中所检测到的重金属浓度都远远低于相应的规范值。YUAN等研究发现，将DWTR掺杂于土壤中，大部分金属仍然以稳定的形态存在，金属的释放在pH 6~9和厌氧的环境下都能保持较低的水平，但有少量金属（如锰）的活性比较高，存在一定释放风险。虽然不同地区给水处理采用的工艺可能有差异，DWTR的成分会略有不同，并且在特定处理条件下DWTR中少部分金属活性会有所增加，但是当前的研究并没有明确指出DWTR中含有的金属会在应用时大量释放出来从而对环境产生威胁。DWTR中存在少部分金属活性较高的情况应当被重点关注。

1.2 DWTR生态风险分析

1.2.1 DWTR对于浮游动植物的毒性分析

DWTR作为一种给水厂的废弃副产物，要想回收利用于土地、农田、湿地、湖泊等生态系统，它的生态风险也是必须要考虑的因素之一。袁楠楠等分析了来自不同国家的DWTR中的Al、As、Cd、Fe等重金属的形态分布特征，发现这些DWTR中大部分金属都是以稳定的残渣态存在，几乎无生态风险。YUAN等将小球藻分别加入DWTR的提取液和DWTR修复的沉积物中，证实了DWTR对小球藻（Chlorella vulgaris）的生长产生了抑制作用，但是研究发现这种抑制作用是由于DWTR吸收了提取液中的磷从而影响了小球藻生长，并不是DWTR对小球藻产生了直接毒性作用。YUAN等开展了DWTR对费氏弧菌（Aliivibrio fischeri）以及大型溞（Daphnia magna）的毒性效应研究，发现DWTR的有机和液相提取液对于费氏弧菌的发光强度和生长都没有产生影响，同样，DWTR对于大型溞的存活、生长和发育并没有产生毒性效应。从上述研究可以看出DWTR对于湖里或者湖底沉积物中的浮游动植物都没有表现出威胁，是一种低生态风险的可回收固体废物。

1.2.2 DWTR对微生物影响分析

在DWTR对微生物的影响研究中，WANG等发现DWTR的投加对湖底沉积物的微生物的群落结构产生了影响，但是并没有减少微生物的多样性，而且DWTR能促进沉积物中细菌和真菌的丰度的增加。WANG等和刘凤娟等研究了好氧条件下DWTR对于湖底沉积物中的氨氧化菌（AOB）和亚硝酸盐氧化菌（NOB）的影响，结果发现DWTR的投加降低了沉积物中的生物可利用磷，产生了有利于硝化的条件，并且由于其较大的比表面积提供了较多的附着位点，从而改变了两种菌的群落结构，提高了其代谢活性，促进了硝化作用。此外，也有研究表明，在缺氧的条件下DWTR可以提高厌氧氨氧化（Anammox）细菌的丰度和代谢活性，这也与DWTR充当良好生物载体的作用有关，并且缺氧条件下，沉积物释放出的磷酸盐会被DWTR转换成更稳定的形态，从而降低了磷酸盐的生物可给性，大大减弱了磷酸盐对于厌氧氨氧化菌的抑制作用。综上所述，无论在好氧还是厌氧的情况下，DWTR对于湖底沉积物中微生物都没有表现出毒害作用，相反DWTR具备的较大比表面积有利于微生物的附着，并且其促使磷酸盐转化成稳定形态磷的特性使得微生物的生长环境得到了改善。

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2.1 DWTR对磷的吸附

如图2所示，DWTR具有疏松多孔的结构，所以对磷的吸附能力很强，而且其吸附饱和量高达10~175 mg/g。DWTR吸附的磷主要以铁铝结合态存在，DWTR中铁铝含量有差异，所以不同来源的DWTR对于磷的吸附能力也大不相同。DWTR对于磷的吸附是一个前期快速吸附，然后逐渐达到平衡的过程，这主要是因为初期磷酸盐会快速占据DWTR的表面吸附位点，然后需要较长的时间再向DWTR内部的微孔扩散。另外，DWTR对于磷的吸附是一个不可逆的过程，吸附过程中发生的主要反应是配位交换，其原理如图3所示。

注：图中分析所用DWTR取自武汉市黄陂区给水厂

图2 DWTR的电镜扫描图

图3  DWTR通过配位交换吸附磷原理

吸附磷的能力在不同条件下存在一定的差异，GIBBONS等的研究表明，低pH对于DWTR吸附磷有显著促进作用。YANG等研究发现，DWTR中铁铝的老化对于其吸附磷的能力没有显著的影响。OLIVER等研究发现无论是好氧还是厌氧条件，被DWTR吸附的磷均可保持稳定，尤其是对正磷酸盐吸附效果最好。含铁材料中铁是否稳定是影响其吸附磷的最关键因素，DWTR中铁含量较高，以一种无定型态存在，WANG等通过铁分馏将DWTR中的铁与Fe2(SO4)3 和 FeCl3对比，发现在加入有机物、硫化物的厌氧环境下，DWTR中的铁表现出相对稳定性，对于磷的吸附很稳定，并且发现镧改性的DWTR对于溶液中磷的吸附更加持久。高思佳等研究发现，对DWTR进行热处理可以使其水分蒸发，内部结构变得更疏松，同时去除部分杂质，从而增加了铁铝的相对含量；对DWTR进行酸处理可以溶解部分不利于磷吸附的杂质，同时也可以疏通其内部孔道，这两种处理方式都可以显著提高DWTR对于溶液中磷的吸附能力。Li等将粉末状DWTR包埋在海藻酸钠颗粒中，DWTR对于磷吸附能力得到了提升，同时减小了DWTR中金属的浸出风险。Shen等研究发现在溶液流动的模式下，DWTR也可以高效吸附溶液中的磷。

2.2 DWTR对有机磷盐农药的吸附

付广义等发现DWTR对于溶液中非离子型有机磷农药（毒死蜱）的吸附主要是靠有机质分配作用，且吸附具有强亲和力与高吸附容量的特点，由于溶液pH为4~7时DWTR与毒死蜱均能稳定存在，所以pH对DWTR吸附毒死蜱的影响比较小，低离子强度溶液中，DWTR上的吸附位点减少，导致对毒死蜱吸附量降低，高离子强度溶液中可能由于盐析效应更有利于DWTR对毒死蜱的吸附。低分子量的有机酸（苹果酸和柠檬酸）的存在会破坏有机质与铁铝化合物的连接，并且会与有机污染物竞争DWTR的吸附位点，所以低分子量有机酸对于溶液中DWTR吸附毒死蜱有显著的抑制作用。赵媛媛等发现离子型有机磷农药与非离子型有机磷农药毒死蜱不同，DWTR对于离子型有机磷农药（草甘膦）的吸附作用主要是通过与铁铝化合物表面羟基的配体交换作用实现的，其特点是吸附力强，不易解吸，并且对草甘膦的吸附量随着pH升高而减小，Ca2+通过架桥作用可显著提高DWTR对草甘膦的吸附量。综上所述，在溶液中，无论是对于离子型还是非离子型有机磷农药，DWTR都可以作为一种极具潜力的吸附材料。

有机磷农药是农业区农药污染控制的关键，非离子型有机磷农药毒死蜱及其主要的代谢产物TCP（3,5,6-三氯-2-吡啶酚）是优先考虑去除的污染物之一。Zhao等将DWTR掺杂到毒死蜱污染的土壤中，发现DWTR在吸附毒死蜱的同时增强了其代谢产物TCP在土壤中的稳定性, 同时还发现，DWTR对土壤中离子型有机磷农药草甘膦具有同样的作用效果。因此，添加DWTR可以有效增强农业土壤中毒死蜱、草甘膦等有机磷农药及其代谢产物的固定能力。

2.3 DWTR对湖底沉积物中磷的控制

湖泊富营养化是当前急需解决的环境问题，造成这一问题的主要原因是：湖泊沉积物中内源磷的释放和人类活动产生废水所带来的外源磷，使得湖泊中磷浓度超标，而向湖中投入锁磷剂控制湖泊中磷浓度这种传统方法的成本又比较高。针对这一问题，Wang等的研究表明在不同浓度溶解氧下，DWTR都能显著降低湖泊沉积物中的内源磷，尤其是在高溶解氧（5~8 mg/L）条件下，对内源磷去除率达到100%，并且对沉积物中的上覆水中的铁铝浓度以及pH影响不大。WANG等通过 350 天湖底沉积物培养试验发现，DWTR可以同步控制沉积物中多环芳烃 (PAHs) 和磷污染，结果表明，DWTR通过增加沉积物无定形铝和铁来固定生物可利用磷和PAHs，减少了约76% 的沉积物中生物可利用磷和88%~96% 的生物可利用PAHs，并且 DWTR 增强了高分子量PAHs 降解的趋势。WANG等在之后的研究中发现向湖泊中投加DWTR一定程度上提高了沉积物对于外源磷的缓冲能力，将沉积物中的无机磷转化成更稳定的形式，从而降低了湖泊中的生物可利用磷。通过上述研究发现，相比于铁铝化合物、商业黏土和降低生物可利用磷的锁磷剂，DWTR是一种具有修复湖底沉积物潜力的廉价固体材料。

2.4 DWTR对重金属的吸附

不同水处理工艺产生的DWTR种类不同，导致其对重金属吸附能力也不尽相同，如表2所示，世界各国DWTR对大部分重金属都有比较好的吸附效果。其中DWTR对许多的重（类）金属的吸附属于特异性吸附，如砷（As5+, As3+）、六价铬（Cr6+）、铅（Pb2+）、汞（Hg2+）和四价硒（Se4+）等，其特点是吸附能力比较强且不易解吸。然而，对有些重金属离子，如镓（Ga3+）、三价铬（Cr3+）、六价硒（Se6+）等，DWTR对它们的吸附能力比较弱，并且比较容易解吸，这种吸附类似于静电吸附，属于非特异性吸附，因此，DWTR对此类重金属的吸附的应用价值不高。DWTR的非晶体结构所带来的较大的比表面积为许多重金属离子提供了大量吸附位点，因而对多种重金属离子的吸附量大且具有特异性。DWTR对重金属离子的特异性吸附过程一般比较复杂，但是大致过程为DWTR表面的官能团（主要是羟基）与重金属离子相结合，将重金属离子固定在DWTR的表面，然后通过表面微孔逐渐向DWTR内部转移，其过程示意如图4所示。对于Pb2+、Cu2+、Cd2+、Co2+、Zn2+、Ni2+、Hg2+等重金属离子（M2+），DWTR表面的羟基会与其形成络合物，并向溶液中释放H+，其过程如图4中方程式1所示；对于As5+、As3+、Cr6+、V5+、Mo6+、Se4+等重（类）金属离子，其在水中通常存在的形式为HAsO2-4、H2AsO4-、HCrO4-、CrO2-4、HVO2-4、MoO2-4、SeO32-等，DWTR表面的官能团会与其形成络合物，并向溶液中释放OH-，其过程（以HAsO2-4为例）如图4中方程式2所示。

表2 不同来源的DWTR吸附重金属能力

图4 DWTR吸附重金属原理示意

目前研究不仅仅限于使用DWTR直接作为吸附材料吸附重金属，将DWTR改性或者以DWTR作为一种添加剂而制作的复合材料对重金属的吸附也是当前研究的热点。ELKHATIB等采用高能量分散震荡法将DWTR做成粒径为8~83 nm的纳米颗粒，使得对砷的吸附能力达到了50 mg/g，其除砷能力是块状DWTR的16倍。WU等在1 000℃高温下对DWTR进行热处理，通过高温处理，令其内部水分减少，结构更加疏松多孔，加速了重金属从被吸附到转移至其内部的速度，从而使得处理后的DWTR吸附Cr3+和Hg2+的能力有所提升，并且热处理减少了DWTR中有毒元素的释放。WANG等在低氧的条件下对DWTR进行200~400℃的加热处理，使得DWTR最大汞吸附量由53.5提升至143 mg Hg/g。SOLEIMANIFAR等将DWTR与木材相结合制作而成的一种复合材料用于吸附城市雨水中的重金属，结果表明该复合材料能在120 min内有效吸附人工合成雨水中97%的铅、76%的锌、81%的铜和97%的磷。通过对DWTR的改性或将DWTR作为添加剂制作复合材料，使其具有商业价值应用于环境治理是DWTR资源化的一个重要研究思路。

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3.1 以DWTR为介质构建人工湿地

人工湿地作为一种人工建造的污水处理系统，是利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污染物的净化。该技术的核心部分在于基质层的选择，在人工湿地系统中，基质是重要组成部分，能够为植物和微生物提供生长介质，为污水渗流提供良好的水力条件，以DWTR作为人工湿地的基质不仅可以很好满足要求，而且具备传统湿地没有的优点。以DWTR作为基质构建的人工湿地具备的特点如表3所示其优势是对磷具有强而稳定的吸附能力，其较大的比表面积有利于微生物的附着生长,并且使用寿命长等。ZHAO等研究发现，以DWTR为基质构建人工湿地对污水中的氮、磷、有机物去除良好，尤其是对于磷的去除率高达75%~94%，并在运行期间没有发生明显的阻塞现象。BAI等以DWTR为基质构建连续流人工湿地用于净化城镇二级出水，研究发现该湿地对总悬浮固体、CODcr、总氮、总磷的平均去除率分别为86%、53%、67%和98%，以DWTR为基质构建的间歇曝气人工湿地对高氨氮养殖废水总氮平均去除率为70.5%，氨氮去除率为94.08%。LI等将DWTR碎渣包埋在海藻酸钠中做成基质材料，显著降低了DWTR的金属污染风险和生态风险，但仍然保持了对磷较强的吸附能力，磷吸附量达到了19.7 mg/g。SHEN等将DWTR作为生物载体放在塑料球中应用于生态浮床净化污水，研究发现在低温低碳的条件下，该浮床系统对于氮磷的去除率都高于传统的生态浮床。由上述研究可知，以DWTR为基质的湿地系统同样具备高效去除污水中氮磷、有机物等优点，尤其对于磷的去除效果明显好于传统的人工湿地。目前以DWTR为基质构建的人工湿地对于污水中新型污染物（如重金属、抗生素、微塑料）等研究还比较少，但是污水中各类污染物往往是共同存在、相互影响，以 DWTR为基质构建的人工湿地在实际工程中处理这些复合污染的废水是值得关注的研究方向。

3.2 土地利用

DWTR具有与土壤细颗粒相似的结构特性，富含腐殖质、金属氧化物等物质，可以作为土壤替代物或者土壤改良添加物。ALVARENGA等将DWTR与石灰（CaCO3）混合用于修复矿场土壤，可以改变土壤的酸碱度使之恢复正常，并且极大降低了土壤中铜、锌的可提取性，从而使得修复后的土壤适合植物的生长。ARYIN等发现DWTR可以有效固定土壤中的磷，避免地表水体受到污染。BAYLEY等的研究发现，DWTR固定磷的有效时间高达13年甚至更长，而且DWTR作为土壤修复剂可以使土壤结构保持稳定，并且发现富含钙的DWTR调节土壤pH的效果强于石灰石。TAY等使用DWTR作为土壤改良剂修复城市污染土壤，发现DWTR可以通过对土壤中砷、镉的固定，减少植物对它们的吸收，从而减少重金属对植物的毒性，但土壤中的锰含量和活性有所增加，产生一定环境污染风险。

由上述的研究结果可知，DWTR可以降低土壤中铜、锌、镍、砷的活性，这种固定作用主要是通过将它们从酸溶态和可还原态转换成残渣态来实现的。ELKHATIB等通过DWTR对两种干旱土壤中的铜、锌、镍的有效性和流动性影响的研究结论也证实DWTR对金属元素形态的改变是降低其毒性的重要机制。但是，在实际应用中需要注意DWTR引起的少数重金属的释放而可能造成的对环境的危害。Tay等在使用DWTR作为土壤修复剂时发现，某些条件下土壤中的锰的含量和生物可给性有所增加，对于植物产生了一定的毒害。其次，将DWTR应用于农业土壤修复时，需要注意土壤中营养元素（如氮、磷等）的变化，如何在DWTR可能因吸附作用降低土壤氮磷有效性的情况下，还能发挥其对土壤的修复作用，这是一个值得研究的重要课题。

3.3 DWTR用于制作建筑材料

吴辉等等对给水厂污泥进行600℃高温预处理，制得一种对水中磷污染物具有良好吸附性能的DWTR颗粒，在此基础上，继续添加水泥、黄土和粉煤灰，制备了具有吸附磷污染物功能的建筑砖材，给水厂污泥与水泥混合新砖体的其吸附效果、承压能力明显优于与黄土混合烧制的砖体。程雪莉等以给水厂污泥为原料烧结空心砖，物理力学性能满足标准要求；导热系数为 0.326 W/（m·K），优于普通实心砖；且放射性符合限量要求。郭家玮用给水厂污泥、偏高岭土、矿渣、氢氧化钠等作为原材料制备地聚物基免烧砖，砖体抗压强度、尺寸误差、吸水率等指标都满足相关指标，并且在免烧砖浆体的制备基础上，再掺入粗骨料制备透水混凝土，利用制备的透水混凝土可用于人行道花园等，对地表径流的雨水中氨氮去除率高达 68.75%。，制备的透水混凝土可用于人行道、花园、绿色边坡等。

DWTR可作为添加材料用于砖体制作，如何既保留 DWTR对污染物强大吸附能力，又可以提高它的承压能力是当前主要研究方向。给水厂污泥还可以作为原材料制作透水混凝土，制成的混凝土应用于路面时，不仅能吸附径流雨水中污染物，而且透水性良好。

3.4 DWTR回用作絮凝剂

DWTR主要是来自给水厂沉淀池排泥水和过滤反冲洗水脱水后形成的泥饼，由于给水厂使用的是铝盐或铁盐，因此DWTR中含有大量的铁铝氧化物，将DWTR回用作絮凝剂也是研究的方向之一。BASIBUYUK等将富含铁的DWTR作为絮凝剂直接用到菜籽油加工厂的废水处理中,在pH=6的条件下，COD去除率最高为74%，油脂去除率为99%，总悬浮固体去除率为84%，达到了铝盐和铁盐絮凝剂相当的去除效果。GUAN等回用富含铝的DWTR用于污水的一级处理效率，使得总悬浮固体（SS和化学需氧量COD的去除率提高了20%和15%，得出DWTR中的铁铝氧化物起到了类似絮凝的作用，并且推测去除SS和COD的机理是物理吸附和网捕卷扫。目前对于DWTR回用作絮凝剂主要是考虑其经济性价比和纯度问题，如何在较低成本前提下，提高DWTR中有效絮凝物质的浓度是一个具有现实意义的研究方向。

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（1）DWTR的金属析出风险分析结果表明，DWTR成分中虽然包含了很多的重金属元素，尤其是铁铝含量较高，但是其中大多数金属可以保持稳定性，在DWTR的应用过程中，其包含的大多数重金属元素不会对环境造成显著的影响。DWTR的生态风险评估结果表明，DWTR不会对湖水中浮游动植物产生显著的负面影响，其较大的比表面积反而有利于微生物的生长，属于一种生态风险很低的可回收废弃物。

（2）在DWTR对于环境污染控制方面，DWTR无论是对土壤还是溶液中的磷酸盐都有很强的吸附效果，对有机磷农药和湖泊沉积物中的磷污染也可以起到很好的控制效果。由于DWTR特殊的组成成分和结构，对于大多数重金属也有较好的吸附效果，经过改性的DWTR表现出更大的修复重金属污染的潜力。

（3）在DWTR的工程应用研究方面，以DWTR为基质构建的人工湿地显著提升了对污水磷的去除效果，湿地运行期间不会发生明显的阻塞现象。作为土壤改良剂时，DWTR不仅可以有效平衡土壤中pH，而且可以改变土壤中重金属的形态，从而降低它们的生物可给性和活性。以DWTR制备砖体和混凝土等建材，既发挥了其对磷等污染物吸附力强的优点，又体现了其良好的透水性的特征，并且经特定条件处理后，制成的建材基本满足相关指标。DWTR回用作为絮凝剂处理污水，在一定程度上，效果与传统的铝盐和铁盐絮凝剂相当。

DWTR虽然被认为是一种安全、清洁、低风险、可回收废弃物，但是在某些条件下，DWTR中少部分重金属仍表现出一定活性，除了关注铁铝环境污染风险外，还应加强对于这部分金属的污染风险控制研究。虽然目前已经证实DWTR在磷盐的吸附、有机磷农药污染控制、土壤和湖底沉积物中磷的固定等方面效果显著，但仍然缺乏实际的工程应用，通过什么样的形式和方法将其应用到实际工程中，是一个极具现实意义的研究方向。除了关注DWTR对于氮磷、重金属等污染物的吸附和污染控制研究之外，DWTR在抗生素、纳米颗粒、微塑料等新型污染物的环境污染修复研究上也有一定的价值，并且各类污染物共存在现象非常普遍，不同污染物之间存在交互作用，而使这些污染物的环境行为变的更为复杂，因此，DWTR对复合污染物的去除效果及机制研究是值得关注的重要课题。现阶段大部分DWTR应用研究主要是直接以DWTR作为试验材料来开展，而在未来的研究中可以更多的关注将DWTR改性或者与其它材料结合成复合材料，从而提高其商业应用价值和工程应用价值。