河流护岸多孔生态材料对水体中硝态氮去除试验

王万忠，饶 磊，王沛芳，郭 翔，张立昕，蒋 涛

(1.河海大学环境学院，江苏 南京 210098；2.河海大学力学与材料学院，江苏 南京 211100)

河流生态护岸是一种新型的河道护岸，其优点在于护岸的可渗透性，大大增加了河岸与河流水体的物质交换，为生物营造适宜的生存环境，同时也增强了水体的自净能力，因此，在近几年河流整治过程中生态护岸被大量应用[1-4]。

河流护岸多孔生态材料不但具有较好的力学性能，而且材料内部连通的多孔结构大幅增加了材料的吸附和过滤能力，同时也为水中的植物和微生物提供了必要的生长环境[5-7]。近年来国内外学者对多孔生态材料在水利工程及海绵城市建设中的应用做了大量的研究[8-11]。纪荣平等[12]研究发现生态混凝土可以降低自然水体的富营养化程度，提高水质等级，富营养化水源地水质有较明显的改善；Park等[13]对比了骨料粒径为5～10 mm和10～20 mm的生态混凝土对水质的净化效果，发现骨料粒径越小，生态混凝土的水质净化效果越好；朱健等[14]研究发现当多孔混凝土与水生植物复合应用时，其水质净化效果有明显提高；鄂欢等[15]模拟了河道槽型结构模型，分析了用生态混凝土制成的城市河道护坡对水质的净化效果。

1 试验介绍

1.1 材料选择

多孔生态砌块的制备材料包括：粘结材料、骨料、促凝材料、增强材料、负载细菌等几部分，其中粘结材料包括：普通硅酸盐水泥(75%)、粉煤灰(20%)、硅粉等(5%)；骨料采用粒径为4～7 mm，7～11 mm，11～20 mm，20～31 mm的碎石(碎石质量与粘结材料质量比为5∶1)；促凝材料选用萘系高效减水剂(加入量为粘结材料质量的1%)；增强材料采用20～30 mm的短切玻璃纤维(掺杂量为粘结材料质量的3%)；负载细菌选用反硝化细菌，水与粘结材料质量比为0.27。

1.2 多孔生态砌块制备

多孔生态砌块的制作工艺是将骨料与60%的水混合搅拌，待骨料被水体充分浸润后，加入50%的胶凝材料进行搅拌，胶凝材料均匀包裹骨料后加入剩余水泥、水和减水剂进行搅拌，再加入短切玻璃纤维，搅拌均匀后分批次倒入模具，进行插捣密实，砌块连同模具共同养护48 h后，拆除模具，用塑料薄膜覆盖砌块以减少水分流失，并定期洒水养护28 d。

1.3 试验设置

表1 原水中物质质量浓度

1.4 挂膜方法

将经过标准养护28 d的5种多孔混凝土砌块(120 mm×60 mm×100 mm)放入装有自来水的PVC桶中定期监测水体的pH，等到多孔混凝土砌块碱度释放稳定后进行砌块的挂膜试验。

图1 多孔砌块反硝化菌膜的培养

1.5 挂膜成熟后去除过程的试验方法

图2 多孔生态砌块净化试验

2 骨料粒径对多孔生态砌块透水率的影响

为研究骨料粒径(PS)对多孔砌块透水率(K)的影响，在相同孔隙率条件下对4种不同骨料粒径的多孔砌块进行了透水率测试。图3为水胶比为0.27、骨胶比为5.0、孔隙率为25%条件下不同骨料粒径条件下多孔砌块的透水率对比图。

图3 不同骨料粒径条件下多孔砌块的透水率对比

从图3可以看出，多孔生态砌块的透水率随着骨料粒径的增大而增大，骨料粒径越小透水率越小。这主要是由于骨料粒径越小，单位体积内骨料颗粒之间的接触点数量就越多，所形成的节点骨架越密，孔隙尺寸越小，其中的连通孔隙越复杂[16]，当水流通过时，水流与多孔砌块的接触面变大使得阻力变大，透水率变小，所以透水率随着骨料粒径的减小而减小，同时与砖体的比表面积成反比。

3 多孔生态砌块降解试验

3.1 挂膜过程中浓度变化

图4 进出水中质量浓度变化情况

图5 挂膜期间的去除率

图6 出水中质量浓度变化情况

挂膜过程[17]中，最初砌块表面只有零散分布的点状菌胶团，随着挂膜的进行，慢慢形成片状的菌膜，进而覆盖整个多孔生态砌块的表面，其颜色也由原先的灰色变为褐色(图7)。

(a) 挂膜前 (b) 挂膜后

3.2 挂膜成熟后去除过程

图质量浓度随时间的变化曲线

多孔生态砌块在重复降解试验中，降解效率基本维持不变，只要生物膜不被外力破坏，其降解能力可以维持在稳定状态，在后期试验中随着生物膜的不断生长，多孔生态砌块可能出现堵塞情况从而使得降解效率下降，在实际应用中要定期进行反冲洗操作以维持多孔生态砌块的降解效率。

3.3 水体中质量浓度变化规律

图质量浓度随时间变化的曲线

4 结 论

b. 在相同孔隙率条件下，多孔砖的透水率随着骨料粒径的增大而增大，随着比表面积的增大而减小。

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