火山石生態(tài)混凝土凈水效果研究

涂 欣

(瀘州市交通建設(shè)服務(wù)中心，四川 瀘州 646000)

0 引言

近年來由于城市化，工業(yè)化的發(fā)展,水資源污染問題愈發(fā)嚴(yán)重。為滿足河岸護坡強度要求，一般采用漿砌片石護坡或普通混凝土護坡的施工工藝，該類工藝制作的護坡雖然強度夠高，但是無孔隙，不適宜植物在其上生長，一般會在其上鋪一層土，再撒草籽，這樣不僅提高造價，也造成了資源的浪費，對于水質(zhì)的凈化效果也不明顯。因此生態(tài)混凝土護坡技術(shù)應(yīng)運而生。生態(tài)混凝土具有大孔隙，有更多接觸面可以使微生物等附著在其上，不僅經(jīng)濟節(jié)約，美觀，且在保證一定的強度同時對水質(zhì)具有較好的凈化效果。目前我國對生態(tài)混凝土的研究較為廣泛，并取得一定的研究成果。謝非等[1]利用火山石為粗骨料制成生態(tài)混凝土進(jìn)行水質(zhì)凈化和植生試驗，結(jié)果表明孔隙率與水質(zhì)凈化和植物生長高度呈正相關(guān)；冀曉珊等[2]利用玉米芯制成生態(tài)混凝土并研究其收縮性能，結(jié)果表明生態(tài)混凝土收縮值隨養(yǎng)護時間增加而增加，最終趨于平緩；李維維等[3]利用廢棄混凝土制作成為再生生態(tài)混凝土并進(jìn)行各項試驗研究。目前，對水質(zhì)凈化的生態(tài)混凝土研究尚淺，本文利用不同配合比制成生態(tài)混凝土，分析其對氨氮，硝態(tài)氮，CODCr的去除效果，旨在為實際生態(tài)護坡工程提供一定的參考。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

水泥：南方水泥生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥見表1,火山石粒徑分別為11.80 mm～47.5 mm，化學(xué)性能如表2所示。高效減水劑為減水率20%～25%TOJ800-10T聚羧酸減水劑見表3。礦物添加劑為粉煤灰如表4所示。

表1 水泥性能表

表2 火山石化學(xué)性能記錄表

表3 減水劑性能記錄表

表4 Ⅱ級粉煤灰物理性能參數(shù) %

1.2 試驗方案

試驗全程通風(fēng)，室內(nèi)溫度控制在27 ℃左右，實驗用的污水為城市生活污水，一共設(shè)置四個組，三個試驗組和一個空白對照組以便于觀察和分析。試驗組由A,B,C三組混凝土試塊組成，配合比見表5，大小均為標(biāo)準(zhǔn)抗壓試件模型，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護下養(yǎng)護28 d后進(jìn)行試驗，測得其基本物理性能指標(biāo)后再進(jìn)行水質(zhì)凈化試驗，物理性能指標(biāo)結(jié)果見表6。由表6可知，28 d抗壓強度均不小于5 MPa，基本滿足試驗需求。

表5 配合比

表6 火山石生態(tài)混凝土試塊物理力學(xué)性能指標(biāo)

將A,B,C三組試件浸泡于污水的圓筒中，另外一個污水圓筒不裝任何試件作為對照。在通風(fēng)條件下，每隔一段時間取適量的水樣進(jìn)行檢測，監(jiān)測項目為氨氮，硝氮和CODCr濃度，方法為：

取適量經(jīng)過預(yù)處理后的水樣加入50 mL比色管中，滴加1 mL酒石酸鉀鈉搖勻，加入1 mL納氏試劑搖勻，定容至50 mL放置10 min后，在波長420 nm下，用10 mm比色皿，以無氨水作參比測量吸光度；再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線，由吸光度值查氨氮標(biāo)準(zhǔn)曲線圖即可得到氨氮含量[4-6]。計算公式為：

(1)

其中,m為校準(zhǔn)曲線查得的氨氮量,mg;V為水樣體積,mL。

取50 mL經(jīng)過預(yù)處理的水樣于50 mL比色管中，加入1 mL鹽酸溶液混勻，放置10 min后，在220 nm和275 nm波長下，放入10 mL比色皿中，以硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)儲備液為參比，測量吸光度，并從標(biāo)準(zhǔn)曲線上根據(jù)校正吸光度值可得硝態(tài)氮的含量。計算公式為：

A校=A220-2A275

(2)

其中，A220為220 nm波長測得吸光度；A275為275 nm波長測得吸光度。

取10 mL重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液至瓶中并稀釋至150 mL，加入30 mL濃硫酸，30 s后加入0.15 mL試亞鐵靈指示液，用硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至紅褐色結(jié)束。計算公式為：

(3)

其中，C為硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L；V1為滴定空白試驗所消耗的硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL；V2為滴定試樣所消耗的硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；V0為試樣的體積，mL。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 氨氮、硝氮、CODCr各時間段濃度

經(jīng)計算試劑配制無誤后，每隔1 h取1次城市生活污水，按照相應(yīng)的方法測試其在1 d的濃度變化，如圖1所示：在早上5：00～早上10：00，氨氮濃度呈上升態(tài)勢，在10：00達(dá)到一天中的最高值33.435 mg/L，在晚上21：00為最低值18.348 mg/L，符合人們生活規(guī)律，一般早上5：00～早上10：00，人們會起床洗漱，排泄和做飯，這些都會產(chǎn)生大量的氮，而在晚上21：00以后人們休息睡眠，生產(chǎn)生活活動減少，產(chǎn)生的氮下降，在10：00以后會有小范圍波動；硝態(tài)氮整體波動較大，在早上5：00～早上10:00硝態(tài)氮濃度在逐漸升高，早上10：00達(dá)到最大值，為5.832 mg/L，早上10:00～下午17:00總體呈下降態(tài)勢，一天中的最低值為1.769 mg/L，在凌晨1點出現(xiàn)。生活污水水體中的化學(xué)需氧量變化波動較大，且其變化范圍在50 mg/L～300 mg/L之間；峰值出現(xiàn)2次，最小值出現(xiàn)在5：00。

2.2 氨氮的凈化效果

三組不同配合比的生態(tài)混凝土試塊在靜態(tài)吸附試驗中氨氮濃度隨時間的變化規(guī)律見圖2。

由圖2可知，所有試塊氨氮濃度均明顯降低，氨氮濃度在1 h～2 h下降速度較快，每小時下降2.1%～2.64%，2 h～8 h下降速度緩慢,每小時下降0.95%～1.54%，12 h～24 h下降速度較快,每小時下降2.0%～2.35%，隨著時間的推移，生態(tài)混凝土的凈化作用持續(xù)發(fā)揮，總體呈下降的趨勢。由此可看出，生態(tài)混凝土對氨氮凈化效果顯著[7]。

生態(tài)混凝土氨氮去除率見圖3。

由圖3可知，試驗組A,B,C生態(tài)混凝土氨氮去除率分別為77.56%,71.09%,69.46%，其中A產(chǎn)品氨氮去除效果最佳，結(jié)合表2可知，孔隙率越大的生態(tài)混凝土試塊的氨氮去除效果越好[8]。主要原因在于孔隙率越大，孔隙越多，越有利于微生物等在其上附著，并為其提供了一定的生存空間，更有利于氨氮的去除。

2.3 硝氮的凈化效果

三組不同配合比的生態(tài)混凝土在靜態(tài)吸附試驗中硝氮濃度隨時間的變化規(guī)律見圖4。由圖4可知，硝氮濃度總體隨時間增加呈下降態(tài)勢，最終逐漸趨于平緩[9-10]。在0 h～12 h氨氮濃度變化較緩慢，12 h～336 h濃度降低速度較為明顯。A試塊對硝氮去除效果最好，去除率達(dá)到33.7%，C試塊去除效果最差，去除率為25.16%。硝氮去除率和生態(tài)混凝土孔隙率有直接關(guān)系，孔隙率越大，表面積越大，吸附面積也越大，對硝氮去除效果越好(見圖5)。

2.4 CODCr的凈化效果

CODCr變化規(guī)律如圖6所示。由圖6可知，A,B,C三組試塊對CODCr都有一定的凈化效果。其中三組試塊的去除效果隨時間增加，在24 h后去除效率明顯增加，最終趨于平緩。同氨氮，硝氮去除一樣，孔隙率越大的生態(tài)混凝土試塊對CODCr去除效果越好，孔隙率越小，比表面積越小，使得微生物等在其上附著較少，因此去除效果不如孔隙率大的試塊[11-12]。

試驗組A,B,C試驗裝置內(nèi)CODCr去除率如圖7所示。由圖7可知，A,B,C試塊CODCr去除率分別為86%,82%,80.5%，其中A試塊裝置內(nèi)CODCr凈化效果最好。

3 結(jié)語

實驗研究表明，生態(tài)混凝土對氨氮、硝氮和CODCr具有良好的凈化效果，其中對氨氮的去除率達(dá)77.56%、硝氮的去除率達(dá)到33.7%,CODCr去除率在86%。

利用三組不同配合比的生態(tài)混凝土水質(zhì)凈化試驗表明，不采用細(xì)集料，只利用粗骨料和少量膠凝材料制成的生態(tài)混凝土有較大的孔隙率，對氨氮、硝氮、CODCr去除效率較好。說明物理凈化是主要途徑，其次是生物凈化，最后才是化學(xué)凈化。

通過比較，確定設(shè)計孔隙率為30%的生態(tài)混凝土各項凈化性能最好，在達(dá)到強度要求的同時可以運用到生態(tài)護坡中去。