第一作者：赵聪 博士研究生（437ccm必赢国际）

通讯作者：彭道平 副研究员（437ccm必赢国际）

论文DOI: 10.1016/j.watres.2025.125265

图文摘要

成果简介

近日，437ccm必赢国际彭道平、黄涛老师等合作在Water Research上发表了题为“Bioturbation-Resilient Phosphorus Control in Eutrophic Sediments Using Industrial Waste-Derived Calcium Silicate Hydrate”的研究成果 (DOI: 10.1016/j.watres.2025.125265)，报道了一种基于工业固废的高效沉积物控磷新材料——钙硅水化物（CFA-CSH），并系统揭示了其在复杂水环境中抑制内源磷释放的作用机制。该研究以电石渣和粉煤灰为原料，构建了兼具高反应活性和结构稳定性的功能材料，实现了对沉积物中磷的长期固定，并在底栖生物扰动条件下仍保持优异的稳定性。研究为湖泊与景观水体富营养化治理提供了一种可持续、可工程化的新思路。

全文速览

在湖泊、城市景观水体等缓流水域中，底泥中积累的大量磷是导致富营养化反复发生的关键内源。传统治理手段往往只能短期见效，难以应对沉积物扰动、生物活动等复杂环境因素。本研究以电石渣与粉煤灰为原料，制备了一种新型钙硅水化材料（CFA-CSH），系统评估了其在不同扰动条件下对沉积物磷的固定能力。研究结合吸附动力学、矿物学分析、孔隙水监测及微生物群落解析等手段，揭示了材料在控制磷迁移、稳定沉积物化学环境方面的多重作用机制。研究发现，该材料可在沉积物中形成稳定的钙磷矿物相，显著降低孔隙水中活性磷含量；同时，其结构特性和化学特性使其在生物扰动条件下仍能保持良好的控磷能力，显示出良好的工程应用潜力。

引言

随着城市化进程加快，城市湖泊与景观水体面临严峻的富营养化问题。相比外源污染，沉积物中累积的内源磷更难治理，且容易在环境条件变化或生物扰动下重新释放，造成水质反弹。传统的化学钝化材料在长期稳定性和生态安全性方面仍存在局限。近年来，利用工业固废构建环境功能材料成为研究热点。因此，开发高效固定磷和抵御生物扰动影响的材料体系，成为内源污染控制研究的重要方向。

图文导读

材料合成原理

Fig. 1. Schematic illustration of the synthesis route and structural characteristics of CFA-CSH derived from carbide slag and fly ash. Copyright 2025, Elsevier Inc.

研究采用电石渣与粉煤灰为原料，通过碱激发和水热反应制备出多孔钙硅水化物（CFA-CSH）。该材料具有较高比表面积和活性位点，有利于磷的吸附与固定。

性能测试与吸附行为

Fig. 2. Characterization and phosphate adsorption performance of CFA-CSH: (a) SEM images and EDS mapping; (b) XRD patterns; (c) adsorption kinetics; (d) adsorption isotherms; (e) effect of pH; (f) Ca²⁺ release versus adsorption capacity; (g) effect of dosage. Copyright 2025, Elsevier Inc.

CFA-CSH对磷具有较好的吸附与固定能力，其吸附过程符合准二级动力学特征，表明化学作用在磷去除过程中起主导作用。材料在不同初始浓度和pH条件下均表现出相对稳定的吸附行为，显示出良好的环境适应性。其表面富含的Ca–O与Si–O活性位点可与磷酸根发生相互作用，促进磷的吸附与固定，同时伴随Ca²⁺的释放，有利于形成较稳定的钙磷矿物相。多孔结构和较高比表面积进一步增强了磷的传质与富集能力，使其在体系中逐步由活性形态向稳定形态转化。上述过程共同作用，使CFA-CSH在沉积物环境中表现出良好的磷固定效果和持续性。

沉积物中磷的迁移与转化

Fig. 3. Effects of CFA-CSH on porewater chemistry and phosphorus dynamics: (a) depth profiles of SRP, Fe²⁺, and NH₄⁺–N; (b) changes in sediment P fractions; (c) relationships between SRP and Fe²⁺/NH₄⁺–N; (d) spatial distribution of DGT-labile P showing reduced labile P near the sediment–water interface. Copyright 2025, Elsevier Inc.

在沉积物体系中，CFA-CSH的加入影响磷在固–液界面间的迁移与转化过程。与对照体系相比，添加材料后孔隙水中可溶性磷浓度明显降低，表明磷由可迁移态向相对稳定形态发生转化。随着反应时间的延长，沉积物中易释放的活性磷逐渐减少，而以钙结合态存在的磷比例相应提高，材料促进了磷的固定与稳定化过程。在沉积物—水界面处，CFA-CSH的存在有效削弱了磷向上覆水体的扩散趋势，使界面处的磷浓度梯度趋于平缓。这种变化表明材料不仅能够吸附溶解态磷，还可通过调控沉积物内部的物质迁移过程，降低磷向水体再释放的风险。总体来看，CFA-CSH通过影响磷在沉积物中的形态分布和迁移路径，实现了对内源磷的有效调控，为沉积物长期稳定提供了重要支撑。

生物扰动条件下的稳定性

Fig. 4. Relationships between environmental factors, microbial communities, and DOM characteristics under CFA-CSH treatment: (a–b) correlation networks under Inact and Act conditions; (c–i) 3D-EEM spectra of sediment DOM; (j) FRI-based DOM component quantification; (k) relative distribution of protein-like, fulvic-like, and humic-like fractions. Copyright 2025, Elsevier Inc.

在引入生物扰动条件后，材料体系的稳定性得到了进一步评估。结果显示，与未添加材料的对照体系相比，CFA-CSH的存在能够在一定程度上缓冲生物活动对沉积物结构和磷释放过程的影响。尽管底栖生物的活动会增强沉积物扰动、促进孔隙水交换并加快营养盐迁移，但在CFA-CSH作用下，孔隙水中磷的浓度升幅明显受限，整体释放趋势得到有效抑制。进一步分析表明，生物扰动并未显著削弱材料对磷的固定能力。一方面，CFA-CSH在沉积物中的分布使其仍可持续提供反应位点，参与磷的吸附与矿化过程；另一方面，材料的存在在一定程度上改变了局部理化环境，减弱了生物扰动对磷再释放的促进作用。综合来看，尽管生物活动增加了沉积物体系的动态性，但CFA-CSH仍能够维持较稳定的控磷效果，体现出良好的抗扰动能力。

作用机制解析

Fig. 5. Schematic illustration of the proposed mechanisms for phosphorus immobilization by CFA-CSH, including adsorption, precipitation, and microenvironment regulation. Copyright 2025, Elsevier Inc.

CFA-CSH对磷的稳定作用主要源于多种机制的协同效应。材料中释放的Ca²⁺可与磷酸根发生反应，形成较稳定的钙磷矿物，从而降低磷的迁移性；同时，其多孔结构为磷提供了有效的吸附界面，增强了物理固定作用。此外，材料的加入改变了沉积物微环境条件，削弱了有利于磷释放的微生物过程。上述化学固定、物理吸附与微生物调控的协同作用，共同促进了磷在沉积物中的长期稳定。

小结

本研究提出了一种以工业固废为原料的高效控磷策略，系统揭示了其在沉积物中长期稳定固定磷的机理。研究表明：CFA-CSH可显著降低沉积物磷释放；在生物扰动条件下仍保持稳定性能；兼具环境友好性与工程可行性。该成果为湖泊富营养化治理和固废资源化利用提供了新的技术路径和理论依据。

作者介绍

彭道平 博士后，副研究员、硕士生导师，现任职于437437必赢国际。主要从事工程水环境效应及其控制、固体废物处置与资源化等方面的教学研究工作。先后参与主持或参与多项国家、省部级科研课题及10余项工程咨询课题的研究工作，在国内外学术期刊及学术会议发表SCI、EI等论文80余篇。

赵聪 博士，主要研究方向为工业固废资源化处置利用及沉积物内源污染控制。以第一作者在Water Research、Chemical Engineering Journal、Journal of Environmental Chemical Engineering、Environmental Technology & Innovation等国际期刊发表论文6篇。

备注: Permissions for reuse of all Figures have been obtained from the original publisher.  Copyright 2025, Elsevier Inc.

参考文献：ZHAO C, PENG D, HUANG T. Bioturbation-Resilient phosphorus control in eutrophic sediments using industrial waste-derived calcium silicate hydrate [J]. Water Research, 2026, 291: 125265. DOI: 10.1016/j.watres.2025.125265.

文章链接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135425021669?dgcid=coauthor