多孔生态混凝土骨料级配对水质净化效果影响研究

吕 凯，杨永民，张力文，邱剑辉，刘晓飞，赵可昕，吕建根

(1. 广东省水利水电第三工程局，广东 东莞 523710；2.仲恺农业工程学院 城乡建设学院，广东 广州 510225；3.仲恺农业工程学院 可持续建筑与节能技术研究所，广东 广州 510225；4. 广东辉固材料科技有限公司，广东 广州 511400；5. 华南理工大学，广东 广州 510641)

通讯作者：杨永民(1981-)，男，博士，教授级高级工程师，从事高性能建筑材料及生态水环境材料修复研究工作。

近20年来，由于经济和社会的发展，大量废水排入江河湖泊，造成水体中富含氮、磷及有机物，导致浮游植物大量生长，造成水体的富营养化，水环境不断受到污染，自然生态环境遭到破坏，削弱水体自净能力，使得大量自然水体不断恶化[1-2]。水中生活的微生物和在河床河岸附着的生物水体使得水具有自我净化的功能[3]，但传统工程中，为有效防止水土流失，保障堤防安全，目前江河湖泊的堤防护岸建设中大都采用坡面封闭的普通混凝土或砂浆砌块，阻断了水体和近岸陆地土壤之间的物质交换，使水生植物、水生动物失去了生长、栖息的空间，破坏了生态平衡，使水体自净功能下降甚至完全丧失，造成生物种群减少、生物多样化指数降低。因此，为使自然水域的堤岸护坡既可保持水土、加固堤岸，又可净化水质，维持生物多样性，采用新型的生态护坡工程技术进行堤岸治理，实现水域的自然生态迫切紧要[4]。由于多孔混凝土具有连续的空隙结构，能够营造植物生长和动物栖息的环境，具备净化水质的功能[5]，同时具有较强的抗冲刷性、植物亲和性、消峰、消波等作用，被广泛应用于人工生态堤岸的设计使用中。

美国、日本、欧洲等国家在20世纪90年代左右开始开发使用生态混凝土[6]。20世纪90年代，日本开始研究利用混凝土材料改善水质富营养化问题[7]。Park和Mang[8]研究发现多孔的生态混凝土具有较好的磷吸附效果，水质净化效果随孔隙率增大效果越好，粗骨料粒径小的生态混凝土比粒径大的效果好。Song[9]等人进行了生态混凝土挡土墙对水质净化效果研究，发现COD，TN及TP的最高去除率可达87%、70%和90%。我国于20世纪年代后期开始对生态混凝土净化水质方面的研究。刘宇[11]研究了再生骨料生态混凝土，制备了力学性能优异的生态混凝土，具有较好效果的净水效果。陈志山[10]以生态混凝土为材料设计了推流式净水装置，该装置对生活污水表现出良好的处理效果，排放指标完全可达城市二级污水处理厂排放标准。纪荣平[12]等人通过生态混凝土对太湖水源地的水质进行改善，结果表明总氮、总磷、CODMn和Chla的去除率分别为36.1%、53.8%、22.9%和55.5%，总藻毒素和胞外藻毒素的去除率在27.4%～23.9%之间，明显的改善了水源地的水质情况。

制备生态混凝土的骨料分连续级配骨料和间断级配骨料，骨料的级配不但影响生态混凝土的物理力学性能，对改善水体富营养问题的效果也有影响，目前针对该问题的系统研究还鲜有报道。本文选取城市径流中主要污染物为目标污染物，研究了骨料粒径对多孔混凝土的溶解氧、高锰酸钾指数、总磷、总氮等净化能力，综合评价多孔生态混凝土的水质净化效应，为中小河流治理及自然水域堤防设计和生态混凝土改善水体富营养化应用提供参考。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

1) 水泥及矿物掺合料

采用P·II 42.5R水泥，密度为3.00 g/cm3，比表面积为3 860 cm2/g，具体化学成分和物理性能见表1和表2。粉煤灰为I级，密度为2.31 g/cm3，比表面积为5 950 cm2/g，硅灰密度为2.2 g/cm3，比表面积为195 000 cm2/g，二者的化学成分见表1。

表1 普通硅酸盐水泥及掺合料的化学组成

表2 普通硅酸盐水泥物理力学性能

2) 粗骨料

碎石的原粒径为5～31.5 mm，筛分后粒径为5～20 mm、5～25 mm的连续级配骨料以及粒径为10～20 mm、10～25 mm和10～30 mm的单一粒径骨料，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连续骨料采用原粒径级配。骨料的物理性能见表3。

表3 骨料的物理性能

3) 减水剂

本试验采用萘系FDN-440T缓凝高效减水剂，pH值为6.4，密度为1.14 g/mL，减水率为18%。

1.2 多孔混凝土配合比

试验比较了粒径(间断粒级和连续粒级)粗骨料制备的多孔混凝土对人工废水的净化效果，具体配合比见表4。

表4 多孔生态混凝土的配合比

1.3 试验方法

多孔混凝土的水质净化实验，主要是人工废水长时间多次的通过多孔混凝土后表征水质改善情况。实验通过自行设计的水质净化装置实施(如图1所示)。试验场地共平行放置3组装置，用于试验不同类型的多孔混凝土。在装置的水箱中装有人工废水25 L，人工废水按照表5进行配制。按照表4制备多孔混凝土试块(试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm)，经标准养护28 d后放入水槽，每个水槽内5 块，通过水泵将人工废水流以 1 500 mL/min的速度在装置中循环流动，保持水温在 (30±2)℃，定期测定其水质指标。

图1 水质净化装置示意

表5 人工废水配方

2 水质净化效果

2.1 溶解氧

溶解氧在水中的分子态氧称为溶解氧。水体受有机、无机还原性物质污染时溶解氧降低，当大气中的氧来不及补充时，水中溶解氧逐渐降低，以致趋近于零，此时厌氧菌繁殖，水质恶化，导致鱼虾死亡，因此通常用溶解氧作为评价水质的重要指标[13]。图2是人工废水在循环后溶解氧的变化，图2中骨料间断粒径分别为10～20 mm、10～25 mm和10～30 mm的3组生态混凝土对溶解氧的消耗量较小，骨料连续粒径分别为5～20 mm、5～25 mm和5～25 mm的3组生态混凝土对溶解氧的消耗量较大。在连续级配骨料的3组生态混凝土中，随着骨料粒径范围的扩大，多孔生态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范围，在间断粒径骨料的3组生态混凝土中，随着骨料粒径范围的扩大，多孔生态混凝土消耗溶解氧量增加，消耗量基本在1.8～2.2 mg/L范围。即间断级配多孔混凝土溶解氧的消耗量总体比连续级配大，这与间断级配的多孔混凝土孔隙率较大有关。对于间断级配的多孔混凝土而言，在15 d前，采用间断级配范围较宽粗骨料的多孔混凝土溶解氧的消耗量较大，如粒级为10～30 mm间断级配的多孔混凝土较粒级为10～25 mm和10～20 mm的5 d溶解氧消耗量分别大0.1 mg/L和2.4 mg/L；对于连续级配的多孔混凝土也存在类似的规律，在25 d前，采用连续级配范围较宽粗骨料的多孔混凝土溶解氧的消耗量较大。多孔混凝土消耗溶解氧时，孔隙率较低且孔隙细小时，在前期的人工废水循环时能快速的发挥物理吸附和化学吸收作用，表现在早期有较好的消耗效果。之后，溶解氧的消耗随多孔混凝土的孔隙率增大，随着级配范围变宽，多孔混凝土的内比表面积增大，消耗溶解量有所增加。

(a) 连续级配 (b)间断级配

图2 连续与间断级配骨料对生态混凝土消耗溶解氧的影响

2.2 总磷

磷在天然水和废水中大都以各种磷酸盐的形式存在。一般天然水中，含磷量不高，磷是生物生长必须元素之一，但水体中磷含量过高(如超过0.2 mg/L)，可造成藻类过度繁殖，直至数量上达到有害的程度(称富营养化)，造成湖泊、河流透明度降低，水质变坏。多孔混凝土对总磷的吸附如图3所示，骨料粒径为5～20 mm和5～10 mm两组生态混凝土对总磷去除率最好，骨料粒径为10～20 mm和10～30 mm两组生态混凝土较差，空白水道最差，几组生态混凝土的TP去除率都约为0.15 mg/L。

(a) 总磷吸附率 (b)总磷去除率

图3 连续与间断级配骨料对生态混凝土吸附总磷的影响

2.3 总氮

氮磷超标会造成藻类等水生植物繁殖迅猛，导致水体的富营养化。生态混凝土对总氮的吸附如图4所示，如图4所见，骨料粒径为5～20 mm和5～10 mm两组生态混凝土对总氮去除率最好，骨料粒径为10～20 mm和10～30 mm两组生态混凝土较差，空白水道最差，TN去除率约为1.0 mg/L。用混凝土净水的各水道TP在40 d均降到0.5 mg/L以下，达到地面水环境质量标准的II类，实验用人工废水氮浓度2.149 mg/L，在第40 d去除率达到了76.7 %。

(a) 总氮吸附率 (b)总氮去除率

图4 连续与间断级配骨料对生态混凝土吸附的影响

2.4 高锰酸钾指数

如图5所示，骨料粒径为520 mm和10～30 mm两组生态混凝土对高锰酸钾指数去除率最好，骨料粒径为10～20 mm和10～25 mm的次之，骨料粒径为5～25 mm的第三，空白水道最差。实验所用人工废水高锰酸钾指数为26.7 mg/L，在第40 d降到了20 mg/L以下，同时去除率达到25%，在微生物活性处理期，高锰酸钾去除率达到50%左右。

(a) 高锰酸钾指数 (b)高锰酸钾指数去除率

图5 生态混凝土对高锰酸钾指数去除率的影响

2.5 净化效果分析

Park和 Mang研究[8]发现使用粗骨料粒径为5～10 mm的多孔生态混凝土比使用粗骨料粒径为10～20 mm的水质净化效果好。玉井元治研究[14]表明多孔混凝土与水接触的表面积是普通混凝土的100倍以上，且具有许多微孔结构及较强的吸附能力。蒋彬[15]研究多孔混凝土净化河水水体，当孔隙率为20%～30%时，COD 去除率为 50%～60%，TN去除率为30%～40%，TP去除率为70%。另外，混凝土组成材料在水泥水化过程中及混凝土浸泡在水中都会不断地溶释出 Ca(OH)2，从而起到水体净化作用[16]。此外，还有研究表明[17]生态混凝土多孔结构塑造了适于微生物适宜生长的生存环境，在其表面和内部适合大量的细菌栖息繁衍，多孔生态混凝土所形成的生物膜中生物种群较多， 也可以充分发挥生物膜的作用，降解水中的污染物质。

综合本文试验结果和他人研究成果分析表明，多孔混凝土由于只有粗骨料，没有细骨料，粗骨料的搭接形成孔洞结构，所形成的孔洞弯弯曲曲，总孔隙率在 5%～35%范围，其中连通孔占15%～30%，使得多孔生态混凝土具有良好的过滤性能。此外，混凝土的水化产物中含有类石灰产物，石灰是常用的化学净水材料，不但可以调节pH值，而且作为无机混凝剂可使污水中的悬浮物质絮凝沉淀，在澄清的同时也降低了水中污染物质的含量。故多孔混凝土具有较好的水质净化作用，在水质净化领域有较为广阔的应用前景。

3 结语

1) 通过水质净化实验研究，连续粒径骨料相比间断粒径骨料的生态混凝土对溶解氧的消耗量较大，骨料级配范围越大，对溶解氧的消耗量越大，消耗量基本在1.8～2.5 mg/L范围。

2) 连续粒径骨料相比间断粒径骨料的生态混凝土对总磷的吸附量较大，骨料级配范围越大，对总磷的去除率越大，去除率基本在1.5 mg/L左右。

3) 连续粒径骨料相比间断粒径骨料的生态混凝土对总氮的吸附量较大，骨料级配范围越大，对总氮的去除率越大，消耗量可降低至0.5 mg/L以下，第40 d去除率可达76.7 %。

4) 骨料级配范围窄的生态混凝土对高锰酸钾指数去除率较好，实验所用人工废水高锰酸钾指数为26.7 mg/L，在第40 d降到了20 mg/L以下同时去除率达到25%，在微生物活性处理期，高锰酸钾去除率达到50%左右。