城市污水底泥綠色植草磚的試驗(yàn)研究

馮義林 李維維 楊華山 葉鴻宏(.貴州師范大學(xué) 材料與建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025； 2.貴州鐵建工程質(zhì)量檢測咨詢有限公司，貴州 貴陽 550008)

城市污水底泥綠色植草磚的試驗(yàn)研究

馮義林1，2李維維1楊華山1葉鴻宏1
(1.貴州師范大學(xué) 材料與建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025； 2.貴州鐵建工程質(zhì)量檢測咨詢有限公司，貴州 貴陽 550008)

為了緩解城市污水底泥囤積及對壞境造成的污染，本文利用城市污泥取代部分水泥制作植草磚，研究了污泥摻量對植草磚的強(qiáng)度和耐水性的影響；同時，研究了粉煤灰對植草磚強(qiáng)度的影響；最后，利用植物修復(fù)技術(shù)對植草磚所含的重金屬進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，城市污水底泥植草磚的強(qiáng)度和耐水性都隨著污泥摻量的增大而逐漸降低，其最佳吃泥量為12%左右；城市污水底泥植草磚早期強(qiáng)度隨粉煤灰的摻入而降低，但粉煤灰的摻入不會改變污泥對其影響規(guī)律。

城市污泥；重金屬；綠色植草磚；植物修復(fù)技術(shù)

1 引言

隨著城市人口的飛速增長，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市污水底泥的存量也隨之迅猛增加。特別是進(jìn)入21世紀(jì)以后，城市快速化的發(fā)展進(jìn)一步加劇了環(huán)境污染和生態(tài)污染。據(jù)統(tǒng)計，截止2014年底，全國廢水排放量716.2億t；預(yù)計2020年，全國廢水排放量是1015億t[1-2]。如此龐大規(guī)模的污水底泥嚴(yán)重影響了社會的進(jìn)步和人類的生存與發(fā)展。文獻(xiàn)檢索[3]表明，目前各大城市對污泥的處理方法主要有：填埋、焚燒以及排海等方法。雖然這些方法對污泥的囤積起到了一定的緩解作用，但處理的成本高，如焚燒處理的成本約為300美元/t[4]。而且由此對環(huán)境造成的二次污染也相當(dāng)嚴(yán)重。因此，如何對其進(jìn)行合理的處理及資源化利用已經(jīng)成為環(huán)境方面亟待解決的固體廢物污染問題，也是當(dāng)今國內(nèi)外廣泛關(guān)注的問題之一。

有關(guān)學(xué)者的研究表明[5-7]，城市污泥能夠提高土壤的持水量，改良土壤物理性質(zhì)，降低土壤的容重。本文突破傳統(tǒng)對城市污水底泥處理方法，以城市污水底泥、普通硅酸鹽水泥、石灰、微納米礦物摻和料等為原材料，擬采用制作建筑材料制品方案及植物修復(fù)技術(shù)，來研發(fā)城市污水底泥綠色植草磚和營養(yǎng)土，以此對城市污水底泥進(jìn)行綠化處理。本方法不僅節(jié)省了水泥的用量，還為城市污水底泥的處理提供一個有效的解決途徑。同時，應(yīng)用植物修復(fù)技術(shù)對城市污水底泥中的重金屬進(jìn)行處理，不僅可以利用植物在生長過程中吸收城市污水底泥中所含的銅、汞、鉛等有毒重金屬，還能使一片廢墟變成一片綠海，既降低了有毒重金屬對環(huán)境造成的二次污染，又凈化了空氣，還減少了氮、磷等肥料的使用。充分利用二次資源，變廢為寶，使之具有良好的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，是城市發(fā)展的必然需求和發(fā)展趨勢。

2 試驗(yàn)方法

2.1 最佳配合比的確定

在試驗(yàn)前，先利用生石灰對城市污水底泥進(jìn)行除臭處理。按1∶10(生石灰：污泥)的比例將其拌合均勻，再對其進(jìn)行風(fēng)干、粉碎處理。生石灰在對污泥除臭的同時也對城市污水底泥中的重金屬有著一定的固化作用[8]。

試驗(yàn)的配合比確定及試驗(yàn)方法主要是參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢測方法》[9]進(jìn)行，以機(jī)制砂等量代替標(biāo)準(zhǔn)砂，與水泥和微納米礦物摻和料拌和成型一組基準(zhǔn)試件(試件尺寸為40mm×40mm×160mm，編號為N0)，測其抗折、抗壓強(qiáng)度和軟化系數(shù)。再以城市污水底泥為原料取代部分水泥，與機(jī)制砂和微納米礦物摻和料拌和成型5組試件(試件尺寸同基準(zhǔn)試件，編號分別為N5、N8、N10、N12、N15)，同樣測其抗折、抗壓強(qiáng)度和軟化系數(shù)。其中，城市污水底泥的摻量，是以參照基準(zhǔn)試件中占膠凝材料用量的百分?jǐn)?shù)來計算；粉煤灰的摻量分別為0和20%。城市污水底泥經(jīng)過干化、粉碎和過1.18mm方孔篩處理后，與水泥和微納米礦物摻和料及機(jī)制砂拌和而成，測其7d和28d的抗折、抗壓強(qiáng)度和軟化系數(shù)。在此過程中，通過調(diào)整城市污水底泥的摻量，使其在滿足強(qiáng)度和軟化系數(shù)要求的情況下，盡可能增加城市污水底泥的摻量，最終得出滿足一定材料性能的最大吃泥量的最佳配合比。植草磚的試驗(yàn)配合比見表1。

表1 植草磚的試驗(yàn)配合比

注：“W”表示水，“C”表示水泥，“F”表示粉煤灰，“G”表示微納米礦物摻和料，“N”表示污泥，“S”表示砂。

2. 2 綠色植草磚的成型

按照以上試驗(yàn)得出的最佳配合比成型城市污泥植草磚。城市污水底泥主要有城市工業(yè)污水底泥和城市生活污水底泥，成型時主要采用城市工業(yè)污水底泥。因城市工業(yè)污水底泥中有毒重金屬相對較多，原材料中的水泥及除臭用的生石灰，均對城市工業(yè)污水底泥中的有毒重金屬有著固化的作用[8]，可減少有毒重金屬對環(huán)境的污染。初步成型的植草磚、花盆、步道磚的樣品如圖1所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

污泥摻量對植草磚強(qiáng)度和耐水性的影響分別見圖2和圖3，粉煤灰對植草磚強(qiáng)度的影響見圖4。

圖1 城市污水底泥植草磚樣品

圖2 污泥的摻量對植草磚強(qiáng)度的影響

圖3 污泥的摻量對植草磚軟化系數(shù)的影響

圖4 粉煤灰對植草磚強(qiáng)度的影響(齡期為7d)

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 城市污水底泥摻量對植草磚強(qiáng)度的影響

由圖2可以看出，城市污水底泥植草磚的抗折、抗壓強(qiáng)度均隨城市污水底泥摻量的增大而逐漸降低。當(dāng)城市污水底泥的摻量摻到12%時，城市污水底泥植草磚的抗折、抗壓強(qiáng)度曲線開始出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)。在拐點(diǎn)處，城市污水底泥植草磚7d的抗壓強(qiáng)度為10.60MPa，28d抗壓強(qiáng)度為17.23MPa。參照《非承重混凝土空心磚》(GB/T 24492-2009)[10]的標(biāo)準(zhǔn)，城市污水底泥摻量為12%的植草磚，28d的強(qiáng)度已完全可以用于屋面、停車場、人行道、邊坡等地方的綠化鋪設(shè)。

同時，在28d齡期時，城市污水底泥植草磚的抗折、抗壓強(qiáng)度在拐點(diǎn)前隨城市污水底泥摻量的增大急劇下降，而在超過拐點(diǎn)后，其抗折、抗壓強(qiáng)度隨著城市污水底泥摻量的增大而緩慢下降。這說明，城市污水底泥的摻量在拐點(diǎn)以前對植草磚的強(qiáng)度影響較大，在拐點(diǎn)以后對植草磚的強(qiáng)度影響相對較小，其原因有待進(jìn)一步研究。

3.2.2 城市污水底泥摻量對植草磚耐水性的影響

由圖3可以看出，城市污水底泥植草磚的軟化系數(shù)隨著城市污水底泥摻量的增加而逐漸減小。當(dāng)城市污水底泥摻量為12%時，無論是7d還是28d，植草磚的軟化系數(shù)曲線開始出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，此規(guī)律與強(qiáng)度規(guī)律一致。也再次驗(yàn)證了，城市污水底泥植草磚中摻12%的城市污水底泥來替代水泥的摻量是可行的。并且，此時的軟化系數(shù)分別為0.60和0.64，說明摻12%時的城市污水底泥植草磚仍具有良好的耐水性。

3.2.3 粉煤灰摻量對植草磚強(qiáng)度的影響

(1)由圖4可以看出，粉煤灰對城市污水底泥植草磚的抗折、抗壓強(qiáng)度都存在著明顯的影響。即摻粉煤灰的城市污水底泥植草磚的抗折、抗壓強(qiáng)度均比未摻粉煤灰的抗折、抗壓強(qiáng)度低。如：污泥摻量為12%時，未摻粉煤灰的植草抗壓磚強(qiáng)度為10.6MPa，粉煤灰摻量為20%的植草抗壓磚強(qiáng)度為8.02MPa，粉煤灰摻量為20%的抗壓強(qiáng)度比未摻的要低24%。這可能是由于粉煤灰的活性比水泥低，水化相比水泥較慢[11]。但城市污水底泥植草磚在成型時，摻粉煤灰的流動性比未摻時要好，這是由于粉煤灰的“形態(tài)效應(yīng)”和“微集料效應(yīng)”[12]。粉煤灰球形、表面光滑致密的顆粒，能減少砂漿的內(nèi)摩擦力而表現(xiàn)出一定的減水效應(yīng)[13]。

(2)由圖4還可以看出，粉煤灰的摻入不會改變污泥摻量對城市污水底泥植草磚的強(qiáng)度影響規(guī)律，與未摻粉煤灰時呈現(xiàn)相同的趨勢。即摻20%粉煤灰的城市污水底泥植草磚的抗折、抗壓強(qiáng)度也是在污泥摻量為12%時出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，這與城市污水底泥植草磚未摻粉煤灰時的規(guī)律是一致的。在此，也驗(yàn)證了，城市污水底泥植草磚中摻12%的城市污水底泥來替代水泥的摻量是可行的。

綜上所述，在同時滿足植草磚的強(qiáng)度和耐水性的要求下，城市污水底泥植草磚的最佳吃泥量為12%左右。

4 植物對城市污水底泥中重金屬的吸收

植物修復(fù)技術(shù)主要是利用耐重金屬植物對城市污水底泥中的重金屬進(jìn)行提取、穩(wěn)定、蒸發(fā)，從而降低或清除污泥中的重金屬含量，達(dá)到綠化污泥的目的[14-16]。文獻(xiàn)檢索表明，目前已發(fā)現(xiàn)700多種超積累重金屬植物[14]。本次試驗(yàn)采用的是植物修復(fù)技術(shù)中的植物提取方法，栽培植物主要是這700多種中的狼把草、龍葵、酸模和蒼耳等4種。在測試植物吸收重金屬的過程中，對植物本身的生長變化進(jìn)行了對比。其結(jié)果是，在相同條件下，利用城市污泥栽培的植物要比普通土栽培的植物生長的茂盛。這是由于，城市污泥中所含的氮、磷等元素相比普通土中的含量要高，能促進(jìn)植物生長。

由于植物的生長是個漫長的過程，因此本次試驗(yàn)測試?yán)前巡莸戎参飳χ亟饘俚奈战Y(jié)果還有待進(jìn)一步研究。但根據(jù)有關(guān)學(xué)者的研究成果，植物吸收重金屬的含量可達(dá)到植物干重的1%左右[14]；也有學(xué)者研究表明，小白菜根部砷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由12.39mg/kg可增加至133.99mg/kg[17]。由此可見，利用植物修復(fù)技術(shù)對城市污泥中的重金屬進(jìn)行處理的效果還是比較顯著的。因此，應(yīng)用植物修復(fù)技術(shù)對城市污水底泥中的重金屬進(jìn)行處理，不僅可以吸收污泥中的重金屬，降低二次污染，還能減少氮、磷等肥料的使用，使其變廢為寶。

5 結(jié) 論

(1)城市污水底泥植草磚的抗折、抗壓強(qiáng)度以及耐水系數(shù)均隨城市污水底泥摻量的增大而逐漸降低。當(dāng)城市污水底泥的摻量為12%時，城市污水底泥植草磚的抗折、抗壓強(qiáng)度及耐水系數(shù)曲線均出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)。則城市污水底泥植草磚的最佳吃泥量為12%左右。

(2)粉煤灰對城市污水底泥植草磚的抗折、抗壓強(qiáng)度均存在著明顯的影響。即摻粉煤灰的城市污水底泥植草磚的抗折、抗壓強(qiáng)度均比未摻粉煤灰的抗折、抗壓強(qiáng)度小。但不會改變污泥摻量對城市污水底泥植草磚的強(qiáng)度影響規(guī)律。

(3)同時利用植草磚和植物修復(fù)技術(shù)可以有效的對污泥進(jìn)行綠色化、資源化處理。

(4)因筆者對植物修復(fù)技術(shù)的研究不多，可供參考的資料相對較少，以上試驗(yàn)現(xiàn)象，還需更多的試驗(yàn)研究來證實(shí)。

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Experiment Study on Green Seeded Brick of Urban Sewage Sludge

FENG Yilin LI Weiwei YANG Huashan YE Honghong
(1.School of Material and Architectural Engineering，Guizhou Normal University，Guiyang 550025，China； 2.Guizhou Railway Construction Project Quality Control Consulting Co.，Ltd，Guizhou Normal University，Guiyang 550008，China)

In order to alleviate the accumulation and environmental pollution of urban sewage sludge，this paper studied the effect of sewage sludge content on the strength and water resistance of seeded brick by using some sewage sludge instead of some cement，and the effect as fly ash to the strength of seeded brick ，finally，the heavy metals contained in the seeded brick had been studied by phytoremediation. The results showed that the strength and water resistance of seeded brick of urban sewage sludge decreased with the increase of sewage sludge content，and the max content is12%，the early strength of seeded brick of urban sewage sludge decreased for the incorporation of fly ash，but it cann，t change the influence of sewage sludge.

urban sewage sludge；heavy metal；green seeded brick；phytoremediation

馮義林，學(xué)士，貴州師范大學(xué)材料與建筑工程學(xué)院，貴州鐵建工程質(zhì)量檢測咨詢有限公司

李維維，副教授，主要從事混凝土材料及其結(jié)構(gòu)的教學(xué)與研究工作

X21

A

1673-288X(2017)01-0066-04

項(xiàng)目資助：貴州師范大學(xué)2015年度“大學(xué)生科研訓(xùn)練計劃” 項(xiàng)目(20151605)

引用文獻(xiàn)格式：馮義林 等.城市污水底泥綠色植草磚的試驗(yàn)研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(1)：66-69.