生態(tài)混凝土砌塊水質(zhì)凈化性能研究

宋文杰，伍佑倫，劉賢鵬，何香建，姚紀(jì)華

（1. 湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007； 2. 長(zhǎng)沙縣水利局，湖南 長(zhǎng)沙 410107）

本文所涉及的生態(tài)混凝土是一種通過采取特殊配合比和工藝制備而成的多孔混凝土。生態(tài)混凝土內(nèi)部骨料的表面包裹有膠結(jié)材料，骨料之間的結(jié)合方式為點(diǎn)接觸式，使其內(nèi)部在形成一定比例連通孔隙的同時(shí)保證了它的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。生態(tài)混凝土內(nèi)部的連通孔隙可為微生物和水生動(dòng)植物附著生長(zhǎng)提供必需的空氣和水[1～3]，并在生態(tài)混凝土的內(nèi)外表面形成具有多種微生物種群的生物膜，對(duì)自然環(huán)境和生態(tài)平衡具有積極的保護(hù)作用。現(xiàn)有研究成果表明，附著生長(zhǎng)在生態(tài)混凝土內(nèi)外表面上的微生物和水生動(dòng)植物組成的微生態(tài)系統(tǒng)具有良好的水質(zhì)凈化效果，可吸收和分解水體中的污染物質(zhì)，使水質(zhì)得到凈化[4～7]。

本文基于國內(nèi)外生態(tài)擋土墻的研究現(xiàn)狀，將傳統(tǒng)形式的擋土墻砌塊與生態(tài)混凝土相結(jié)合，在滿足現(xiàn)行規(guī)范和力學(xué)要求的前提下，研發(fā)出一種在具備擋土墻基本功能的同時(shí)具有水質(zhì)凈化功能的新型生態(tài)混凝土砌塊。通過制作的水質(zhì)凈化試驗(yàn)裝置，對(duì)3 種不同孔隙率的生態(tài)混凝土砌塊進(jìn)行水質(zhì)凈化性能對(duì)比試驗(yàn)，并對(duì)該新型生態(tài)混凝土砌塊的水質(zhì)凈化效果進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。

1 生態(tài)混凝土砌塊方案設(shè)計(jì)

1.1 塊型設(shè)計(jì)

生態(tài)混凝土砌塊屬于一種混凝土小型空心砌塊，其塊型的設(shè)計(jì)需要考慮多方面因素，首先砌塊的塊型參數(shù)需滿足現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土小型空心砌塊》（GB 8239-1997）、砌塊建筑施工技術(shù)規(guī)程及國家統(tǒng)一模數(shù)制的要求，其次還需滿足砌筑時(shí)對(duì)孔錯(cuò)縫搭接和建筑構(gòu)造的要求。綜合上述因素，本文將生態(tài)混凝土砌塊的主塊型尺寸定為390 mm×240 mm×190 mm（長(zhǎng)×寬×高），配合半塊尺寸為190 mm×240 mm×190 mm（長(zhǎng)×寬×高）（見圖1）。

圖1 生態(tài)混凝土砌塊結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 孔型設(shè)計(jì)

孔型設(shè)計(jì)是砌塊方案設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容，是砌塊空洞率、受力條件、制備及施工工藝的決定因素[8～10]。本文所述的生態(tài)混凝土砌塊采用單內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，內(nèi)腔中填充耕植土與環(huán)境礦物材料；砌塊間的接觸面上設(shè)有多個(gè)小圓槽，在砌筑墻體時(shí)能實(shí)現(xiàn)滿鋪漿且不會(huì)漏漿，并在砂漿凝結(jié)硬化后顯著增加砌塊間的接觸面積和結(jié)合強(qiáng)度，對(duì)提高墻體結(jié)構(gòu)的抗剪性能和整體砌筑質(zhì)量具有積極作用。

2 水質(zhì)凈化試驗(yàn)

根據(jù)生態(tài)混凝土砌塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文自行設(shè)計(jì)制作了一套水質(zhì)凈化試驗(yàn)裝置（見圖2），對(duì)3 種不同孔隙率的生態(tài)混凝土砌塊進(jìn)行水質(zhì)凈化性能試驗(yàn)，通過分析試驗(yàn)結(jié)果，量化評(píng)價(jià)生態(tài)混凝土砌塊的水質(zhì)凈化效果[11]。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖

2.1 試驗(yàn)方法

圖2 所示的試驗(yàn)裝置主要用于模擬生態(tài)混凝土砌塊的一次性水質(zhì)凈化過程。裝置頂部的馬氏瓶通過管道并列連接3 個(gè)直徑20 cm、長(zhǎng)70 cm 的有機(jī)玻璃圓筒，圓筒自下而上依次裝入10 cm 厚生態(tài)混凝土、20 cm 厚礦物材料與土壤混合填充材料及10 cm 厚生態(tài)混凝土，圓筒頂部預(yù)留了30 cm 高的空洞，可為水生植物（梭魚草）的莖、葉生長(zhǎng)提供空間。采用人造光源模擬日光照射，照射時(shí)間為12 h/天，照射強(qiáng)度為5 000 Lx，試驗(yàn)水溫控制在（25±2）℃[12]。各圓筒底部均設(shè)有出水口，每隔5 天，測(cè)試各出水口水質(zhì)指標(biāo)CODcr、TN、TP的變化。試驗(yàn)過程中，應(yīng)始終采用標(biāo)準(zhǔn)廢水補(bǔ)給馬氏瓶中的廢水。本次試驗(yàn)參照表1 的相關(guān)指標(biāo)配置人工廢水，并依據(jù)《水和廢水檢測(cè)分析方法》進(jìn)行試驗(yàn)前后水質(zhì)相關(guān)指標(biāo)的檢測(cè)分析。

表1 人工廢水水質(zhì)指標(biāo) mg/L

1#試件設(shè)計(jì)孔隙率為20%，2#試件設(shè)計(jì)孔隙率為25%，3#試件設(shè)計(jì)孔隙率為30%。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3、圖4、圖5 分別為各試驗(yàn)組水體中CODcr、TN、TP 一次性去除率隨時(shí)間的變化情況。

圖3 CODcr 去除率與時(shí)間關(guān)系

試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）前10 天，1#試件對(duì)人工廢水中的CODcr、TN、TP 一次性去除率較2#、3#試件要大；前20 天，各試件對(duì)人工廢水中污染物的一次性去除率均呈逐漸增加的趨勢(shì)。其中，1#試件對(duì)CODcr、TN、TP 一次性最大去除率分別可達(dá)74%、40%、72.5%，2#試件對(duì)CODcr、TN、TP一次性最大去除率分別可達(dá)85%、60%、87.5%，3#試件對(duì)CODcr、TN、TP 一次性最大去除率分別可達(dá)88.3%、71.4%、89.8%。20 天后，各試件對(duì)人工廢水中污染物的一次性去除率均呈現(xiàn)出先下降并逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。

圖4 TN 去除率與時(shí)間關(guān)系

圖5 TP 去除率與時(shí)間關(guān)系

究其原因在于：前10 天，試件主要通過生態(tài)混凝土多孔結(jié)構(gòu)的機(jī)械截留作用和礦物材料的物理吸附作用對(duì)人工廢水中的污染物進(jìn)行凈化，由于小孔隙率試件的機(jī)械截留作用更強(qiáng)，因此1#試件的水質(zhì)凈化效果較2#、3#試件要好；10～20 天，各試件中的微生物和水生動(dòng)植物開始快速生長(zhǎng)繁殖，此時(shí)，試件主要通過附著生長(zhǎng)在生態(tài)混凝土內(nèi)外表面上的微生物和水生動(dòng)植物對(duì)人工廢水中的污染物進(jìn)行凈化。由于大孔隙率試件更利于微生物和水生動(dòng)植物的附著生長(zhǎng)，因此3#試件的水質(zhì)凈化效果較1#、2#試件要好；20 天后，隨著微生物和水生動(dòng)植物的數(shù)量達(dá)到峰值，人工廢水中溶解氧和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不斷減少導(dǎo)致微生物活性降低，各試件對(duì)人工廢水中污染物的一次性去除率均呈現(xiàn)出先下降并逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)[13]。

2）隨著試件孔隙率的增加，試件對(duì)CODcr、TN、TP 一次性去除率增加，但一次性去除率的增幅隨著試件孔隙率的增大而變小。究其原因有兩個(gè)方面：一是人工廢水中微生物數(shù)量的峰值決定于廢水中溶解氧和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的數(shù)量[14]；二是當(dāng)試件的孔隙率為25%時(shí)，已為本試驗(yàn)所需的微生物提供了足夠的附著生長(zhǎng)空間，微生物的數(shù)量已達(dá)到最大值，若試件的孔隙率再增大時(shí)則會(huì)出現(xiàn)空間富余，因此試件對(duì)人工廢水中污染物的一次性去除率變化不大。

通過對(duì)水質(zhì)凈化試驗(yàn)結(jié)果分析可知：隨著時(shí)間的推移，生態(tài)混凝土砌塊的水質(zhì)凈化效果呈現(xiàn)出先增加后降低最后趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象。在試驗(yàn)初期，砌塊主要通過生態(tài)混凝土多孔結(jié)構(gòu)的機(jī)械截留作用和礦物材料的物理吸附作用對(duì)污水進(jìn)行凈化，而在試驗(yàn)的中后期，則主要通過附著生長(zhǎng)在生態(tài)混凝土內(nèi)外表面上的微生物和水生動(dòng)植物對(duì)污水進(jìn)行凈化。隨著砌塊孔隙率的增加，砌塊對(duì)水體中污染物的一次性去除率的增幅隨著試件孔隙率的增大而變小。生態(tài)混凝土砌塊對(duì)水體中CODcr、TN、TP 的一次性最大去除率分別達(dá)到88.3%、71.4%、89.8%，具有良好的水質(zhì)凈化性能。

3 生態(tài)混凝土砌塊水質(zhì)凈化機(jī)理分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)生態(tài)混凝土砌塊水質(zhì)凈化機(jī)理進(jìn)行分析，其凈化機(jī)理如圖6 所示。

圖6 生態(tài)混凝土砌塊水質(zhì)凈化機(jī)理示意圖

生態(tài)混凝土砌塊作為一種新型擋土墻砌塊，其多孔結(jié)構(gòu)可為水生動(dòng)植物、微生物提供附著生長(zhǎng)的空間，在保證河岸邊坡穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，可同時(shí)增加水體中生物的多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的完善性，使得護(hù)岸擋土墻不僅具有景觀效果，還可修復(fù)污染水體，提高河道的自凈能力。生態(tài)混凝土砌塊的水質(zhì)凈化機(jī)理主要包括以下三個(gè)方面：

1）生態(tài)混凝土的凈化作用。生態(tài)混凝土內(nèi)部的連通孔隙可為微生物和水生動(dòng)植物附著生長(zhǎng)提供必需的空氣和水，附著生長(zhǎng)在生態(tài)混凝土內(nèi)外表面上的微生物和水生動(dòng)植物組成的微生態(tài)系統(tǒng)具有良好的水質(zhì)凈化效果，可吸收和分解水體中的污染物質(zhì)。同時(shí)，生態(tài)混凝土的多孔結(jié)構(gòu)以及生長(zhǎng)在其孔隙內(nèi)的植物根系對(duì)污染水體中的懸浮污染物具有一定的吸附過濾和機(jī)械截留作用[15]。

2）微生物、水生動(dòng)植物的凈化作用。生態(tài)混凝土的多孔結(jié)構(gòu)可為水生動(dòng)植物提供附著生長(zhǎng)的空間。其中，水生動(dòng)物通過濾食吞噬水體中浮游植物以及微生物去除水體中的固體懸浮顆粒；多種水生植物對(duì)水體中的磷、氮和各種重金屬以及氰、酚、農(nóng)藥等有機(jī)物都有吸收、積累和轉(zhuǎn)化的能力[6]。

3）礦物材料的凈化作用。生態(tài)混凝土砌塊空腔內(nèi)填裝的礦物材料為可凈化水質(zhì)的環(huán)境礦物材料，該類礦物材料可通過礦物表面吸附、孔道過濾、離子交換及化學(xué)反應(yīng)等作用對(duì)污染水體中的污染物進(jìn)行凈化[16]。

4 結(jié) 論

1）水質(zhì)凈化試驗(yàn)結(jié)果表明：生態(tài)混凝土砌塊對(duì)水體中CODcr、TN、TP 的一次性最大去除率分別達(dá)到88.3%、71.4%、89.8%，具有良好的水質(zhì)凈化性能；生態(tài)混凝土砌塊的孔隙率越大，其對(duì)CODcr、TN、TP 的去除效果越好。

2）附著生長(zhǎng)在生態(tài)混凝土砌塊表面和孔隙內(nèi)的水生動(dòng)植物、微生物以及砌塊空腔內(nèi)填裝的環(huán)境礦物材料，對(duì)水體中的污染物具有吸附、過濾、吸收、積累和轉(zhuǎn)化等作用，使生態(tài)混凝土砌塊具備水質(zhì)凈化的功能。

3）生態(tài)混凝土砌塊作為一種新型擋土墻砌塊，其多孔結(jié)構(gòu)可為水生動(dòng)植物、微生物提供附著生長(zhǎng)的空間，在保證河岸邊坡穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，可同時(shí)增加水體中生物的多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的完善性，使得護(hù)岸擋土墻不僅具有景觀效果，還可修復(fù)污染水體，提高河道的自凈能力。