多孔生態(tài)混凝土骨料級(jí)配對(duì)水質(zhì)凈化效果影響研究

呂 凱，楊永民，張力文，邱劍輝，劉曉飛，趙可昕，呂建根

(1. 廣東省水利水電第三工程局，廣東 東莞 523710；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，廣東 廣州 510225；3.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 可持續(xù)建筑與節(jié)能技術(shù)研究所，廣東 廣州 510225；4. 廣東輝固材料科技有限公司，廣東 廣州 511400；5. 華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641)

通訊作者：楊永民(1981-)，男，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事高性能建筑材料及生態(tài)水環(huán)境材料修復(fù)研究工作。

近20年來(lái)，由于經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，大量廢水排入江河湖泊，造成水體中富含氮、磷及有機(jī)物，導(dǎo)致浮游植物大量生長(zhǎng)，造成水體的富營(yíng)養(yǎng)化，水環(huán)境不斷受到污染，自然生態(tài)環(huán)境遭到破壞，削弱水體自凈能力，使得大量自然水體不斷惡化[1-2]。水中生活的微生物和在河床河岸附著的生物水體使得水具有自我凈化的功能[3]，但傳統(tǒng)工程中，為有效防止水土流失，保障堤防安全，目前江河湖泊的堤防護(hù)岸建設(shè)中大都采用坡面封閉的普通混凝土或砂漿砌塊，阻斷了水體和近岸陸地土壤之間的物質(zhì)交換，使水生植物、水生動(dòng)物失去了生長(zhǎng)、棲息的空間，破壞了生態(tài)平衡，使水體自凈功能下降甚至完全喪失，造成生物種群減少、生物多樣化指數(shù)降低。因此，為使自然水域的堤岸護(hù)坡既可保持水土、加固堤岸，又可凈化水質(zhì)，維持生物多樣性，采用新型的生態(tài)護(hù)坡工程技術(shù)進(jìn)行堤岸治理，實(shí)現(xiàn)水域的自然生態(tài)迫切緊要[4]。由于多孔混凝土具有連續(xù)的空隙結(jié)構(gòu)，能夠營(yíng)造植物生長(zhǎng)和動(dòng)物棲息的環(huán)境，具備凈化水質(zhì)的功能[5]，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗沖刷性、植物親和性、消峰、消波等作用，被廣泛應(yīng)用于人工生態(tài)堤岸的設(shè)計(jì)使用中。

美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家在20世紀(jì)90年代左右開(kāi)始開(kāi)發(fā)使用生態(tài)混凝土[6]。20世紀(jì)90年代，日本開(kāi)始研究利用混凝土材料改善水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題[7]。Park和Mang[8]研究發(fā)現(xiàn)多孔的生態(tài)混凝土具有較好的磷吸附效果，水質(zhì)凈化效果隨孔隙率增大效果越好，粗骨料粒徑小的生態(tài)混凝土比粒徑大的效果好。Song[9]等人進(jìn)行了生態(tài)混凝土擋土墻對(duì)水質(zhì)凈化效果研究，發(fā)現(xiàn)COD，TN及TP的最高去除率可達(dá)87%、70%和90%。我國(guó)于20世紀(jì)年代后期開(kāi)始對(duì)生態(tài)混凝土凈化水質(zhì)方面的研究。劉宇[11]研究了再生骨料生態(tài)混凝土，制備了力學(xué)性能優(yōu)異的生態(tài)混凝土，具有較好效果的凈水效果。陳志山[10]以生態(tài)混凝土為材料設(shè)計(jì)了推流式凈水裝置，該裝置對(duì)生活污水表現(xiàn)出良好的處理效果，排放指標(biāo)完全可達(dá)城市二級(jí)污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)。紀(jì)榮平[12]等人通過(guò)生態(tài)混凝土對(duì)太湖水源地的水質(zhì)進(jìn)行改善，結(jié)果表明總氮、總磷、CODMn和Chla的去除率分別為36.1%、53.8%、22.9%和55.5%，總藻毒素和胞外藻毒素的去除率在27.4%～23.9%之間，明顯的改善了水源地的水質(zhì)情況。

制備生態(tài)混凝土的骨料分連續(xù)級(jí)配骨料和間斷級(jí)配骨料，骨料的級(jí)配不但影響生態(tài)混凝土的物理力學(xué)性能，對(duì)改善水體富營(yíng)養(yǎng)問(wèn)題的效果也有影響，目前針對(duì)該問(wèn)題的系統(tǒng)研究還鮮有報(bào)道。本文選取城市徑流中主要污染物為目標(biāo)污染物，研究了骨料粒徑對(duì)多孔混凝土的溶解氧、高錳酸鉀指數(shù)、總磷、總氮等凈化能力，綜合評(píng)價(jià)多孔生態(tài)混凝土的水質(zhì)凈化效應(yīng)，為中小河流治理及自然水域堤防設(shè)計(jì)和生態(tài)混凝土改善水體富營(yíng)養(yǎng)化應(yīng)用提供參考。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1) 水泥及礦物摻合料

采用P·II 42.5R水泥，密度為3.00 g/cm3，比表面積為3 860 cm2/g，具體化學(xué)成分和物理性能見(jiàn)表1和表2。粉煤灰為I級(jí)，密度為2.31 g/cm3，比表面積為5 950 cm2/g，硅灰密度為2.2 g/cm3，比表面積為195 000 cm2/g，二者的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 普通硅酸鹽水泥及摻合料的化學(xué)組成

表2 普通硅酸鹽水泥物理力學(xué)性能

2) 粗骨料

碎石的原粒徑為5～31.5 mm，篩分后粒徑為5～20 mm、5～25 mm的連續(xù)級(jí)配骨料以及粒徑為10～20 mm、10～25 mm和10～30 mm的單一粒徑骨料，其中10～20 mm的骨料采用10～15 mm和15～20 mm的骨料以4:6的比例混合，10～25 mm和10～30 mm連續(xù)骨料采用原粒徑級(jí)配。骨料的物理性能見(jiàn)表3。

表3 骨料的物理性能

3) 減水劑

本試驗(yàn)采用萘系FDN-440T緩凝高效減水劑，pH值為6.4，密度為1.14 g/mL，減水率為18%。

1.2 多孔混凝土配合比

試驗(yàn)比較了粒徑(間斷粒級(jí)和連續(xù)粒級(jí))粗骨料制備的多孔混凝土對(duì)人工廢水的凈化效果，具體配合比見(jiàn)表4。

表4 多孔生態(tài)混凝土的配合比

1.3 試驗(yàn)方法

多孔混凝土的水質(zhì)凈化實(shí)驗(yàn)，主要是人工廢水長(zhǎng)時(shí)間多次的通過(guò)多孔混凝土后表征水質(zhì)改善情況。實(shí)驗(yàn)通過(guò)自行設(shè)計(jì)的水質(zhì)凈化裝置實(shí)施(如圖1所示)。試驗(yàn)場(chǎng)地共平行放置3組裝置，用于試驗(yàn)不同類(lèi)型的多孔混凝土。在裝置的水箱中裝有人工廢水25 L，人工廢水按照表5進(jìn)行配制。按照表4制備多孔混凝土試塊(試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm)，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后放入水槽，每個(gè)水槽內(nèi)5 塊，通過(guò)水泵將人工廢水流以 1 500 mL/min的速度在裝置中循環(huán)流動(dòng)，保持水溫在 (30±2)℃，定期測(cè)定其水質(zhì)指標(biāo)。

圖1 水質(zhì)凈化裝置示意

表5 人工廢水配方

2 水質(zhì)凈化效果

2.1 溶解氧

溶解氧在水中的分子態(tài)氧稱為溶解氧。水體受有機(jī)、無(wú)機(jī)還原性物質(zhì)污染時(shí)溶解氧降低，當(dāng)大氣中的氧來(lái)不及補(bǔ)充時(shí)，水中溶解氧逐漸降低，以致趨近于零，此時(shí)厭氧菌繁殖，水質(zhì)惡化，導(dǎo)致魚(yú)蝦死亡，因此通常用溶解氧作為評(píng)價(jià)水質(zhì)的重要指標(biāo)[13]。圖2是人工廢水在循環(huán)后溶解氧的變化，圖2中骨料間斷粒徑分別為10～20 mm、10～25 mm和10～30 mm的3組生態(tài)混凝土對(duì)溶解氧的消耗量較小，骨料連續(xù)粒徑分別為5～20 mm、5～25 mm和5～25 mm的3組生態(tài)混凝土對(duì)溶解氧的消耗量較大。在連續(xù)級(jí)配骨料的3組生態(tài)混凝土中，隨著骨料粒徑范圍的擴(kuò)大，多孔生態(tài)混凝土消耗溶解氧的量稍有增加，消耗量基本在1.8～2.5 mg/L范圍，在間斷粒徑骨料的3組生態(tài)混凝土中，隨著骨料粒徑范圍的擴(kuò)大，多孔生態(tài)混凝土消耗溶解氧量增加，消耗量基本在1.8～2.2 mg/L范圍。即間斷級(jí)配多孔混凝土溶解氧的消耗量總體比連續(xù)級(jí)配大，這與間斷級(jí)配的多孔混凝土孔隙率較大有關(guān)。對(duì)于間斷級(jí)配的多孔混凝土而言，在15 d前，采用間斷級(jí)配范圍較寬粗骨料的多孔混凝土溶解氧的消耗量較大，如粒級(jí)為10～30 mm間斷級(jí)配的多孔混凝土較粒級(jí)為10～25 mm和10～20 mm的5 d溶解氧消耗量分別大0.1 mg/L和2.4 mg/L；對(duì)于連續(xù)級(jí)配的多孔混凝土也存在類(lèi)似的規(guī)律，在25 d前，采用連續(xù)級(jí)配范圍較寬粗骨料的多孔混凝土溶解氧的消耗量較大。多孔混凝土消耗溶解氧時(shí)，孔隙率較低且孔隙細(xì)小時(shí)，在前期的人工廢水循環(huán)時(shí)能快速的發(fā)揮物理吸附和化學(xué)吸收作用，表現(xiàn)在早期有較好的消耗效果。之后，溶解氧的消耗隨多孔混凝土的孔隙率增大，隨著級(jí)配范圍變寬，多孔混凝土的內(nèi)比表面積增大，消耗溶解量有所增加。

(a) 連續(xù)級(jí)配 (b)間斷級(jí)配

圖2 連續(xù)與間斷級(jí)配骨料對(duì)生態(tài)混凝土消耗溶解氧的影響

2.2 總磷

磷在天然水和廢水中大都以各種磷酸鹽的形式存在。一般天然水中，含磷量不高，磷是生物生長(zhǎng)必須元素之一，但水體中磷含量過(guò)高(如超過(guò)0.2 mg/L)，可造成藻類(lèi)過(guò)度繁殖，直至數(shù)量上達(dá)到有害的程度(稱富營(yíng)養(yǎng)化)，造成湖泊、河流透明度降低，水質(zhì)變壞。多孔混凝土對(duì)總磷的吸附如圖3所示，骨料粒徑為5～20 mm和5～10 mm兩組生態(tài)混凝土對(duì)總磷去除率最好，骨料粒徑為10～20 mm和10～30 mm兩組生態(tài)混凝土較差，空白水道最差，幾組生態(tài)混凝土的TP去除率都約為0.15 mg/L。

(a) 總磷吸附率 (b)總磷去除率

圖3 連續(xù)與間斷級(jí)配骨料對(duì)生態(tài)混凝土吸附總磷的影響

2.3 總氮

氮磷超標(biāo)會(huì)造成藻類(lèi)等水生植物繁殖迅猛，導(dǎo)致水體的富營(yíng)養(yǎng)化。生態(tài)混凝土對(duì)總氮的吸附如圖4所示，如圖4所見(jiàn)，骨料粒徑為5～20 mm和5～10 mm兩組生態(tài)混凝土對(duì)總氮去除率最好，骨料粒徑為10～20 mm和10～30 mm兩組生態(tài)混凝土較差，空白水道最差，TN去除率約為1.0 mg/L。用混凝土凈水的各水道TP在40 d均降到0.5 mg/L以下，達(dá)到地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的II類(lèi)，實(shí)驗(yàn)用人工廢水氮濃度2.149 mg/L，在第40 d去除率達(dá)到了76.7 %。

(a) 總氮吸附率 (b)總氮去除率

圖4 連續(xù)與間斷級(jí)配骨料對(duì)生態(tài)混凝土吸附的影響

2.4 高錳酸鉀指數(shù)

如圖5所示，骨料粒徑為520 mm和10～30 mm兩組生態(tài)混凝土對(duì)高錳酸鉀指數(shù)去除率最好，骨料粒徑為10～20 mm和10～25 mm的次之，骨料粒徑為5～25 mm的第三，空白水道最差。實(shí)驗(yàn)所用人工廢水高錳酸鉀指數(shù)為26.7 mg/L，在第40 d降到了20 mg/L以下，同時(shí)去除率達(dá)到25%，在微生物活性處理期，高錳酸鉀去除率達(dá)到50%左右。

(a) 高錳酸鉀指數(shù) (b)高錳酸鉀指數(shù)去除率

圖5 生態(tài)混凝土對(duì)高錳酸鉀指數(shù)去除率的影響

2.5 凈化效果分析

Park和 Mang研究[8]發(fā)現(xiàn)使用粗骨料粒徑為5～10 mm的多孔生態(tài)混凝土比使用粗骨料粒徑為10～20 mm的水質(zhì)凈化效果好。玉井元治研究[14]表明多孔混凝土與水接觸的表面積是普通混凝土的100倍以上，且具有許多微孔結(jié)構(gòu)及較強(qiáng)的吸附能力。蔣彬[15]研究多孔混凝土凈化河水水體，當(dāng)孔隙率為20%～30%時(shí)，COD 去除率為 50%～60%，TN去除率為30%～40%，TP去除率為70%。另外，混凝土組成材料在水泥水化過(guò)程中及混凝土浸泡在水中都會(huì)不斷地溶釋出 Ca(OH)2，從而起到水體凈化作用[16]。此外，還有研究表明[17]生態(tài)混凝土多孔結(jié)構(gòu)塑造了適于微生物適宜生長(zhǎng)的生存環(huán)境，在其表面和內(nèi)部適合大量的細(xì)菌棲息繁衍，多孔生態(tài)混凝土所形成的生物膜中生物種群較多， 也可以充分發(fā)揮生物膜的作用，降解水中的污染物質(zhì)。

綜合本文試驗(yàn)結(jié)果和他人研究成果分析表明，多孔混凝土由于只有粗骨料，沒(méi)有細(xì)骨料，粗骨料的搭接形成孔洞結(jié)構(gòu)，所形成的孔洞彎彎曲曲，總孔隙率在 5%～35%范圍，其中連通孔占15%～30%，使得多孔生態(tài)混凝土具有良好的過(guò)濾性能。此外，混凝土的水化產(chǎn)物中含有類(lèi)石灰產(chǎn)物，石灰是常用的化學(xué)凈水材料，不但可以調(diào)節(jié)pH值，而且作為無(wú)機(jī)混凝劑可使污水中的懸浮物質(zhì)絮凝沉淀，在澄清的同時(shí)也降低了水中污染物質(zhì)的含量。故多孔混凝土具有較好的水質(zhì)凈化作用，在水質(zhì)凈化領(lǐng)域有較為廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié)語(yǔ)

1) 通過(guò)水質(zhì)凈化實(shí)驗(yàn)研究，連續(xù)粒徑骨料相比間斷粒徑骨料的生態(tài)混凝土對(duì)溶解氧的消耗量較大，骨料級(jí)配范圍越大，對(duì)溶解氧的消耗量越大，消耗量基本在1.8～2.5 mg/L范圍。

2) 連續(xù)粒徑骨料相比間斷粒徑骨料的生態(tài)混凝土對(duì)總磷的吸附量較大，骨料級(jí)配范圍越大，對(duì)總磷的去除率越大，去除率基本在1.5 mg/L左右。

3) 連續(xù)粒徑骨料相比間斷粒徑骨料的生態(tài)混凝土對(duì)總氮的吸附量較大，骨料級(jí)配范圍越大，對(duì)總氮的去除率越大，消耗量可降低至0.5 mg/L以下，第40 d去除率可達(dá)76.7 %。

4) 骨料級(jí)配范圍窄的生態(tài)混凝土對(duì)高錳酸鉀指數(shù)去除率較好，實(shí)驗(yàn)所用人工廢水高錳酸鉀指數(shù)為26.7 mg/L，在第40 d降到了20 mg/L以下同時(shí)去除率達(dá)到25%，在微生物活性處理期，高錳酸鉀去除率達(dá)到50%左右。