城市污水底泥绿色植草砖的试验研究

冯义林 李维维 杨华山 叶鸿宏(.贵州师范大学 材料与建筑工程学院，贵州 贵阳 550025； 2.贵州铁建工程质量检测咨询有限公司，贵州 贵阳 550008)

城市污水底泥绿色植草砖的试验研究

冯义林1，2李维维1杨华山1叶鸿宏1
(1.贵州师范大学 材料与建筑工程学院，贵州 贵阳 550025； 2.贵州铁建工程质量检测咨询有限公司，贵州 贵阳 550008)

为了缓解城市污水底泥囤积及对坏境造成的污染，本文利用城市污泥取代部分水泥制作植草砖，研究了污泥掺量对植草砖的强度和耐水性的影响；同时，研究了粉煤灰对植草砖强度的影响；最后，利用植物修复技术对植草砖所含的重金属进行了试验研究。结果表明，城市污水底泥植草砖的强度和耐水性都随着污泥掺量的增大而逐渐降低，其最佳吃泥量为12%左右；城市污水底泥植草砖早期强度随粉煤灰的掺入而降低，但粉煤灰的掺入不会改变污泥对其影响规律。

城市污泥；重金属；绿色植草砖；植物修复技术

1 引言

随着城市人口的飞速增长，城市规模不断扩大，城市污水底泥的存量也随之迅猛增加。特别是进入21世纪以后，城市快速化的发展进一步加剧了环境污染和生态污染。据统计，截止2014年底，全国废水排放量716.2亿t；预计2020年，全国废水排放量是1015亿t[1-2]。如此庞大规模的污水底泥严重影响了社会的进步和人类的生存与发展。文献检索[3]表明，目前各大城市对污泥的处理方法主要有：填埋、焚烧以及排海等方法。虽然这些方法对污泥的囤积起到了一定的缓解作用，但处理的成本高，如焚烧处理的成本约为300美元/t[4]。而且由此对环境造成的二次污染也相当严重。因此，如何对其进行合理的处理及资源化利用已经成为环境方面亟待解决的固体废物污染问题，也是当今国内外广泛关注的问题之一。

有关学者的研究表明[5-7]，城市污泥能够提高土壤的持水量，改良土壤物理性质，降低土壤的容重。本文突破传统对城市污水底泥处理方法，以城市污水底泥、普通硅酸盐水泥、石灰、微纳米矿物掺和料等为原材料，拟采用制作建筑材料制品方案及植物修复技术，来研发城市污水底泥绿色植草砖和营养土，以此对城市污水底泥进行绿化处理。本方法不仅节省了水泥的用量，还为城市污水底泥的处理提供一个有效的解决途径。同时，应用植物修复技术对城市污水底泥中的重金属进行处理，不仅可以利用植物在生长过程中吸收城市污水底泥中所含的铜、汞、铅等有毒重金属，还能使一片废墟变成一片绿海，既降低了有毒重金属对环境造成的二次污染，又净化了空气，还减少了氮、磷等肥料的使用。充分利用二次资源，变废为宝，使之具有良好的生态效益、经济效益和社会效益，是城市发展的必然需求和发展趋势。

2 试验方法

2.1 最佳配合比的确定

在试验前，先利用生石灰对城市污水底泥进行除臭处理。按1∶10(生石灰：污泥)的比例将其拌合均匀，再对其进行风干、粉碎处理。生石灰在对污泥除臭的同时也对城市污水底泥中的重金属有着一定的固化作用[8]。

试验的配合比确定及试验方法主要是参照《水泥胶砂强度检测方法》[9]进行，以机制砂等量代替标准砂，与水泥和微纳米矿物掺和料拌和成型一组基准试件(试件尺寸为40mm×40mm×160mm，编号为N0)，测其抗折、抗压强度和软化系数。再以城市污水底泥为原料取代部分水泥，与机制砂和微纳米矿物掺和料拌和成型5组试件(试件尺寸同基准试件，编号分别为N5、N8、N10、N12、N15)，同样测其抗折、抗压强度和软化系数。其中，城市污水底泥的掺量，是以参照基准试件中占胶凝材料用量的百分数来计算；粉煤灰的掺量分别为0和20%。城市污水底泥经过干化、粉碎和过1.18mm方孔筛处理后，与水泥和微纳米矿物掺和料及机制砂拌和而成，测其7d和28d的抗折、抗压强度和软化系数。在此过程中，通过调整城市污水底泥的掺量，使其在满足强度和软化系数要求的情况下，尽可能增加城市污水底泥的掺量，最终得出满足一定材料性能的最大吃泥量的最佳配合比。植草砖的试验配合比见表1。

表1 植草砖的试验配合比

注：“W”表示水，“C”表示水泥，“F”表示粉煤灰，“G”表示微纳米矿物掺和料，“N”表示污泥，“S”表示砂。

2. 2 绿色植草砖的成型

按照以上试验得出的最佳配合比成型城市污泥植草砖。城市污水底泥主要有城市工业污水底泥和城市生活污水底泥，成型时主要采用城市工业污水底泥。因城市工业污水底泥中有毒重金属相对较多，原材料中的水泥及除臭用的生石灰，均对城市工业污水底泥中的有毒重金属有着固化的作用[8]，可减少有毒重金属对环境的污染。初步成型的植草砖、花盆、步道砖的样品如图1所示。

3 结果与分析

3.1 试验结果

污泥掺量对植草砖强度和耐水性的影响分别见图2和图3，粉煤灰对植草砖强度的影响见图4。

图1 城市污水底泥植草砖样品

图2 污泥的掺量对植草砖强度的影响

图3 污泥的掺量对植草砖软化系数的影响

图4 粉煤灰对植草砖强度的影响(龄期为7d)

3.2 结果分析

3.2.1 城市污水底泥掺量对植草砖强度的影响

由图2可以看出，城市污水底泥植草砖的抗折、抗压强度均随城市污水底泥掺量的增大而逐渐降低。当城市污水底泥的掺量掺到12%时，城市污水底泥植草砖的抗折、抗压强度曲线开始出现明显拐点。在拐点处，城市污水底泥植草砖7d的抗压强度为10.60MPa，28d抗压强度为17.23MPa。参照《非承重混凝土空心砖》(GB/T 24492-2009)[10]的标准，城市污水底泥掺量为12%的植草砖，28d的强度已完全可以用于屋面、停车场、人行道、边坡等地方的绿化铺设。

同时，在28d龄期时，城市污水底泥植草砖的抗折、抗压强度在拐点前随城市污水底泥掺量的增大急剧下降，而在超过拐点后，其抗折、抗压强度随着城市污水底泥掺量的增大而缓慢下降。这说明，城市污水底泥的掺量在拐点以前对植草砖的强度影响较大，在拐点以后对植草砖的强度影响相对较小，其原因有待进一步研究。

3.2.2 城市污水底泥掺量对植草砖耐水性的影响

由图3可以看出，城市污水底泥植草砖的软化系数随着城市污水底泥掺量的增加而逐渐减小。当城市污水底泥掺量为12%时，无论是7d还是28d，植草砖的软化系数曲线开始出现明显的拐点，此规律与强度规律一致。也再次验证了，城市污水底泥植草砖中掺12%的城市污水底泥来替代水泥的掺量是可行的。并且，此时的软化系数分别为0.60和0.64，说明掺12%时的城市污水底泥植草砖仍具有良好的耐水性。

3.2.3 粉煤灰掺量对植草砖强度的影响

(1)由图4可以看出，粉煤灰对城市污水底泥植草砖的抗折、抗压强度都存在着明显的影响。即掺粉煤灰的城市污水底泥植草砖的抗折、抗压强度均比未掺粉煤灰的抗折、抗压强度低。如：污泥掺量为12%时，未掺粉煤灰的植草抗压砖强度为10.6MPa，粉煤灰掺量为20%的植草抗压砖强度为8.02MPa，粉煤灰掺量为20%的抗压强度比未掺的要低24%。这可能是由于粉煤灰的活性比水泥低，水化相比水泥较慢[11]。但城市污水底泥植草砖在成型时，掺粉煤灰的流动性比未掺时要好，这是由于粉煤灰的“形态效应”和“微集料效应”[12]。粉煤灰球形、表面光滑致密的颗粒，能减少砂浆的内摩擦力而表现出一定的减水效应[13]。

(2)由图4还可以看出，粉煤灰的掺入不会改变污泥掺量对城市污水底泥植草砖的强度影响规律，与未掺粉煤灰时呈现相同的趋势。即掺20%粉煤灰的城市污水底泥植草砖的抗折、抗压强度也是在污泥掺量为12%时出现明显的拐点，这与城市污水底泥植草砖未掺粉煤灰时的规律是一致的。在此，也验证了，城市污水底泥植草砖中掺12%的城市污水底泥来替代水泥的掺量是可行的。

综上所述，在同时满足植草砖的强度和耐水性的要求下，城市污水底泥植草砖的最佳吃泥量为12%左右。

4 植物对城市污水底泥中重金属的吸收

植物修复技术主要是利用耐重金属植物对城市污水底泥中的重金属进行提取、稳定、蒸发，从而降低或清除污泥中的重金属含量，达到绿化污泥的目的[14-16]。文献检索表明，目前已发现700多种超积累重金属植物[14]。本次试验采用的是植物修复技术中的植物提取方法，栽培植物主要是这700多种中的狼把草、龙葵、酸模和苍耳等4种。在测试植物吸收重金属的过程中，对植物本身的生长变化进行了对比。其结果是，在相同条件下，利用城市污泥栽培的植物要比普通土栽培的植物生长的茂盛。这是由于，城市污泥中所含的氮、磷等元素相比普通土中的含量要高，能促进植物生长。

由于植物的生长是个漫长的过程，因此本次试验测试狼把草等植物对重金属的吸收结果还有待进一步研究。但根据有关学者的研究成果，植物吸收重金属的含量可达到植物干重的1%左右[14]；也有学者研究表明，小白菜根部砷的质量分数由12.39mg/kg可增加至133.99mg/kg[17]。由此可见，利用植物修复技术对城市污泥中的重金属进行处理的效果还是比较显著的。因此，应用植物修复技术对城市污水底泥中的重金属进行处理，不仅可以吸收污泥中的重金属，降低二次污染，还能减少氮、磷等肥料的使用，使其变废为宝。

5 结 论

(1)城市污水底泥植草砖的抗折、抗压强度以及耐水系数均随城市污水底泥掺量的增大而逐渐降低。当城市污水底泥的掺量为12%时，城市污水底泥植草砖的抗折、抗压强度及耐水系数曲线均出现明显的拐点。则城市污水底泥植草砖的最佳吃泥量为12%左右。

(2)粉煤灰对城市污水底泥植草砖的抗折、抗压强度均存在着明显的影响。即掺粉煤灰的城市污水底泥植草砖的抗折、抗压强度均比未掺粉煤灰的抗折、抗压强度小。但不会改变污泥掺量对城市污水底泥植草砖的强度影响规律。

(3)同时利用植草砖和植物修复技术可以有效的对污泥进行绿色化、资源化处理。

(4)因笔者对植物修复技术的研究不多，可供参考的资料相对较少，以上试验现象，还需更多的试验研究来证实。

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Experiment Study on Green Seeded Brick of Urban Sewage Sludge

FENG Yilin LI Weiwei YANG Huashan YE Honghong
(1.School of Material and Architectural Engineering，Guizhou Normal University，Guiyang 550025，China； 2.Guizhou Railway Construction Project Quality Control Consulting Co.，Ltd，Guizhou Normal University，Guiyang 550008，China)

In order to alleviate the accumulation and environmental pollution of urban sewage sludge，this paper studied the effect of sewage sludge content on the strength and water resistance of seeded brick by using some sewage sludge instead of some cement，and the effect as fly ash to the strength of seeded brick ，finally，the heavy metals contained in the seeded brick had been studied by phytoremediation. The results showed that the strength and water resistance of seeded brick of urban sewage sludge decreased with the increase of sewage sludge content，and the max content is12%，the early strength of seeded brick of urban sewage sludge decreased for the incorporation of fly ash，but it cann，t change the influence of sewage sludge.

urban sewage sludge；heavy metal；green seeded brick；phytoremediation

冯义林，学士，贵州师范大学材料与建筑工程学院，贵州铁建工程质量检测咨询有限公司

李维维，副教授，主要从事混凝土材料及其结构的教学与研究工作

X21

A

1673-288X(2017)01-0066-04

项目资助：贵州师范大学2015年度“大学生科研训练计划” 项目(20151605)

引用文献格式：冯义林 等.城市污水底泥绿色植草砖的试验研究[J].环境与可持续发展，2017，42(1)：66-69.