火山石生態混凝土凈水效果研究

涂 欣

(瀘州市交通建設服務中心，四川 瀘州 646000)

0 引言

近年來由于城市化，工業化的發展,水資源污染問題愈發嚴重。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，對于水質的凈化效果也不明顯。因此生態混凝土護坡技術應運而生。生態混凝土具有大孔隙，有更多接觸面可以使微生物等附著在其上，不僅經濟節約，美觀，且在保證一定的強度同時對水質具有較好的凈化效果。目前我國對生態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混凝土進行水質凈化和植生試驗，結果表明孔隙率與水質凈化和植物生長高度呈正相關；冀曉珊等[2]利用玉米芯制成生態混凝土并研究其收縮性能，結果表明生態混凝土收縮值隨養護時間增加而增加，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混凝土并進行各項試驗研究。目前，對水質凈化的生態混凝土研究尚淺，本文利用不同配合比制成生態混凝土，分析其對氨氮，硝態氮，CODCr的去除效果，旨在為實際生態護坡工程提供一定的參考。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

水泥：南方水泥生產的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 %

1.2 試驗方案

試驗全程通風，室內溫度控制在27 ℃左右，實驗用的污水為城市生活污水，一共設置四個組，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，大小均為標準抗壓試件模型，在標準養護下養護28 d后進行試驗，測得其基本物理性能指標后再進行水質凈化試驗，物理性能指標結果見表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 火山石生態混凝土試塊物理力學性能指標

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。在通風條件下，每隔一段時間取適量的水樣進行檢測，監測項目為氨氮，硝氮和CODCr濃度，方法為：

取適量經過預處理后的水樣加入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；再根據標準曲線，由吸光度值查氨氮標準曲線圖即可得到氨氮含量[4-6]。計算公式為：

(1)

其中,m為校準曲線查得的氨氮量,mg;V為水樣體積,mL。

取50 mL經過預處理的水樣于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，以硝酸鹽標準儲備液為參比，測量吸光度，并從標準曲線上根據校正吸光度值可得硝態氮的含量。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重鉻酸鉀標準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，用硫酸亞鐵銨標準溶液滴定至紅褐色結束。計算公式為：

(3)

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

2 試驗結果與分析

2.1 氨氮、硝氮、CODCr各時間段濃度

經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，氨氮濃度呈上升態勢，在10：00達到一天中的最高值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，這些都會產生大量的氮，而在晚上21：00以后人們休息睡眠，生產生活活動減少，產生的氮下降，在10：00以后會有小范圍波動；硝態氮整體波動較大，在早上5：00～早上10:00硝態氮濃度在逐漸升高，早上10：00達到最大值，為5.832 mg/L，早上10:00～下午17:00總體呈下降態勢，一天中的最低值為1.769 mg/L，在凌晨1點出現。生活污水水體中的化學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2次，最小值出現在5：00。

2.2 氨氮的凈化效果

三組不同配合比的生態混凝土試塊在靜態吸附試驗中氨氮濃度隨時間的變化規律見圖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，生態混凝土的凈化作用持續發揮，總體呈下降的趨勢。由此可看出，生態混凝土對氨氮凈化效果顯著[7]。

生態混凝土氨氮去除率見圖3。

由圖3可知，試驗組A,B,C生態混凝土氨氮去除率分別為77.56%,71.09%,69.46%，其中A產品氨氮去除效果最佳，結合表2可知，孔隙率越大的生態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混凝土在靜態吸附試驗中硝氮濃度隨時間的變化規律見圖4。由圖4可知，硝氮濃度總體隨時間增加呈下降態勢，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%。硝氮去除率和生態混凝土孔隙率有直接關系，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CODCr凈化效果最好。

3 結語

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

利用三組不同配合比的生態混凝土水質凈化試驗表明，不采用細集料，只利用粗骨料和少量膠凝材料制成的生態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，最后才是化學凈化。

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