多孔生態混凝土骨料級配對水質凈化效果影響研究

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.仲愷農業工程學院 城鄉建設學院，廣東 廣州 510225；3.仲愷農業工程學院 可持續建筑與節能技術研究所，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，廣東 廣州 510641)

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

近20年來，由于經濟和社會的發展，大量廢水排入江河湖泊，造成水體中富含氮、磷及有機物，導致浮游植物大量生長，造成水體的富營養化，水環境不斷受到污染，自然生態環境遭到破壞，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岸建設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交換，使水生植物、水生動物失去了生長、棲息的空間，破壞了生態平衡，使水體自凈功能下降甚至完全喪失，造成生物種群減少、生物多樣化指數降低。因此，為使自然水域的堤岸護坡既可保持水土、加固堤岸，又可凈化水質，維持生物多樣性，采用新型的生態護坡工程技術進行堤岸治理，實現水域的自然生態迫切緊要[4]。由于多孔混凝土具有連續的空隙結構，能夠營造植物生長和動物棲息的環境，具備凈化水質的功能[5]，同時具有較強的抗沖刷性、植物親和性、消峰、消波等作用，被廣泛應用于人工生態堤岸的設計使用中。

美國、日本、歐洲等國家在20世紀90年代左右開始開發使用生態混凝土[6]。20世紀90年代，日本開始研究利用混凝土材料改善水質富營養化問題[7]。Park和Mang[8]研究發現多孔的生態混凝土具有較好的磷吸附效果，水質凈化效果隨孔隙率增大效果越好，粗骨料粒徑小的生態混凝土比粒徑大的效果好。Song[9]等人進行了生態混凝土擋土墻對水質凈化效果研究，發現COD，TN及TP的最高去除率可達87%、70%和90%。我國于20世紀年代后期開始對生態混凝土凈化水質方面的研究。劉宇[11]研究了再生骨料生態混凝土，制備了力學性能優異的生態混凝土，具有較好效果的凈水效果。陳志山[10]以生態混凝土為材料設計了推流式凈水裝置，該裝置對生活污水表現出良好的處理效果，排放指標完全可達城市二級污水處理廠排放標準。紀榮平[12]等人通過生態混凝土對太湖水源地的水質進行改善，結果表明總氮、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情況。

制備生態混凝土的骨料分連續級配骨料和間斷級配骨料，骨料的級配不但影響生態混凝土的物理力學性能，對改善水體富營養問題的效果也有影響，目前針對該問題的系統研究還鮮有報道。本文選取城市徑流中主要污染物為目標污染物，研究了骨料粒徑對多孔混凝土的溶解氧、高錳酸鉀指數、總磷、總氮等凈化能力，綜合評價多孔生態混凝土的水質凈化效應，為中小河流治理及自然水域堤防設計和生態混凝土改善水體富營養化應用提供參考。

1 原材料及試驗方法

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，具體化學成分和物理性能見表1和表2。粉煤灰為I級，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，二者的化學成分見表1。

表1 普通硅酸鹽水泥及摻合料的化學組成

表2 普通硅酸鹽水泥物理力學性能

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的連續級配骨料以及粒徑為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連續骨料采用原粒徑級配。骨料的物理性能見表3。

表3 骨料的物理性能

3) 減水劑

本試驗采用萘系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

試驗比較了粒徑(間斷粒級和連續粒級)粗骨料制備的多孔混凝土對人工廢水的凈化效果，具體配合比見表4。

表4 多孔生態混凝土的配合比

1.3 試驗方法

多孔混凝土的水質凈化實驗，主要是人工廢水長時間多次的通過多孔混凝土后表征水質改善情況。實驗通過自行設計的水質凈化裝置實施(如圖1所示)。試驗場地共平行放置3組裝置，用于試驗不同類型的多孔混凝土。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)，經標準養護28 d后放入水槽，每個水槽內5 塊，通過水泵將人工廢水流以 1 500 mL/min的速度在裝置中循環流動，保持水溫在 (30±2)℃，定期測定其水質指標。

圖1 水質凈化裝置示意

表5 人工廢水配方

2 水質凈化效果

2.1 溶解氧

溶解氧在水中的分子態氧稱為溶解氧。水體受有機、無機還原性物質污染時溶解氧降低，當大氣中的氧來不及補充時，水中溶解氧逐漸降低，以致趨近于零，此時厭氧菌繁殖，水質惡化，導致魚蝦死亡，因此通常用溶解氧作為評價水質的重要指標[13]。圖2是人工廢水在循環后溶解氧的變化，圖2中骨料間斷粒徑分別為10～20 mm、10～25 mm和10～30 mm的3組生態混凝土對溶解氧的消耗量較小，骨料連續粒徑分別為5～20 mm、5～25 mm和5～25 mm的3組生態混凝土對溶解氧的消耗量較大。在連續級配骨料的3組生態混凝土中，隨著骨料粒徑范圍的擴大，多孔生態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組生態混凝土中，隨著骨料粒徑范圍的擴大，多孔生態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。即間斷級配多孔混凝土溶解氧的消耗量總體比連續級配大，這與間斷級配的多孔混凝土孔隙率較大有關。對于間斷級配的多孔混凝土而言，在15 d前，采用間斷級配范圍較寬粗骨料的多孔混凝土溶解氧的消耗量較大，如粒級為10～30 mm間斷級配的多孔混凝土較粒級為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；對于連續級配的多孔混凝土也存在類似的規律，在25 d前，采用連續級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，孔隙率較低且孔隙細小時，在前期的人工廢水循環時能快速的發揮物理吸附和化學吸收作用，表現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，隨著級配范圍變寬，多孔混凝土的內比表面積增大，消耗溶解量有所增加。

(a) 連續級配 (b)間斷級配

圖2 連續與間斷級配骨料對生態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，磷是生物生長必須元素之一，但水體中磷含量過高(如超過0.2 mg/L)，可造成藻類過度繁殖，直至數量上達到有害的程度(稱富營養化)，造成湖泊、河流透明度降低，水質變壞。多孔混凝土對總磷的吸附如圖3所示，骨料粒徑為5～20 mm和5～10 mm兩組生態混凝土對總磷去除率最好，骨料粒徑為10～20 mm和10～30 mm兩組生態混凝土較差，空白水道最差，幾組生態混凝土的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 連續與間斷級配骨料對生態混凝土吸附總磷的影響

2.3 總氮

氮磷超標會造成藻類等水生植物繁殖迅猛，導致水體的富營養化。生態混凝土對總氮的吸附如圖4所示，如圖4所見，骨料粒徑為5～20 mm和5～10 mm兩組生態混凝土對總氮去除率最好，骨料粒徑為10～20 mm和10～30 mm兩組生態混凝土較差，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，達到地面水環境質量標準的II類，實驗用人工廢水氮濃度2.149 mg/L，在第40 d去除率達到了76.7 %。

(a) 總氮吸附率 (b)總氮去除率

圖4 連續與間斷級配骨料對生態混凝土吸附的影響

2.4 高錳酸鉀指數

如圖5所示，骨料粒徑為520 mm和10～30 mm兩組生態混凝土對高錳酸鉀指數去除率最好，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。實驗所用人工廢水高錳酸鉀指數為26.7 mg/L，在第40 d降到了20 mg/L以下，同時去除率達到25%，在微生物活性處理期，高錳酸鉀去除率達到50%左右。

(a) 高錳酸鉀指數 (b)高錳酸鉀指數去除率

圖5 生態混凝土對高錳酸鉀指數去除率的影響

2.5 凈化效果分析

Park和 Mang研究[8]發現使用粗骨料粒徑為5～10 mm的多孔生態混凝土比使用粗骨料粒徑為10～20 mm的水質凈化效果好。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，且具有許多微孔結構及較強的吸附能力。蔣彬[15]研究多孔混凝土凈化河水水體，當孔隙率為20%～30%時，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程中及混凝土浸泡在水中都會不斷地溶釋出 Ca(OH)2，從而起到水體凈化作用[16]。此外，還有研究表明[17]生態混凝土多孔結構塑造了適于微生物適宜生長的生存環境，在其表面和內部適合大量的細菌棲息繁衍，多孔生態混凝土所形成的生物膜中生物種群較多， 也可以充分發揮生物膜的作用，降解水中的污染物質。

綜合本文試驗結果和他人研究成果分析表明，多孔混凝土由于只有粗骨料，沒有細骨料，粗骨料的搭接形成孔洞結構，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%，使得多孔生態混凝土具有良好的過濾性能。此外，混凝土的水化產物中含有類石灰產物，石灰是常用的化學凈水材料，不但可以調節pH值，而且作為無機混凝劑可使污水中的懸浮物質絮凝沉淀，在澄清的同時也降低了水中污染物質的含量。故多孔混凝土具有較好的水質凈化作用，在水質凈化領域有較為廣闊的應用前景。

3 結語

1) 通過水質凈化實驗研究，連續粒徑骨料相比間斷粒徑骨料的生態混凝土對溶解氧的消耗量較大，骨料級配范圍越大，對溶解氧的消耗量越大，消耗量基本在1.8～2.5 mg/L范圍。

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

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

4) 骨料級配范圍窄的生態混凝土對高錳酸鉀指數去除率較好，實驗所用人工廢水高錳酸鉀指數為26.7 mg/L，在第40 d降到了20 mg/L以下同時去除率達到25%，在微生物活性處理期，高錳酸鉀去除率達到50%左右。