污泥在人工鱼礁制备中的试验研究

2020-07-14胡智伟王学科

科学技术与工程 2020年17期

胡智伟, 李艳*, 王学科

(1.海南大学土木建筑工程学院，海口 570228；2.天津壹新环保工程有限公司，天津 300403)

人工鱼礁是设置在海底起保护、培育海洋生物资源作用的，同时也能改善生物量和生物生产力，并在提高渔获量和改善海域生态环境方面起积极意义的人工结构[1-2]。渔业资源的衰退、海洋环境的破坏以及日益增长的海产品需求，使得人工鱼礁逐渐成为修复、涵养海洋资源的重要举措。

人工鱼礁的制礁材料多种多样，且通常不止由一种材料进行礁体的制作[3]，混凝土、钢材、塑料、废弃沉船、岩石等都能应用于人工鱼礁的建设[4]。目前人工鱼礁的制礁材料逐渐向环保经济的方向发展，有学者以废弃物作为制作人工鱼礁的主要材料。利用粉煤灰、碱渣、高炉矿渣等代替水泥制作的人工鱼礁不仅有利于消纳冶金渣等工业废料，还具有较高的抗压强度，同时对海水无污染，并且造价较为低廉[5-6]；在人工鱼礁制作材料中加入花生秸秆粉、贝壳粉等可以实现碳封存以及提升鱼礁的强度[7]；加入铁粉可在适当提高礁体强度的同时加强生物附着的效果[8]。因此，这种将废弃物作为制礁材料的处理方式不仅可以有效地保护环境，也可以改善人工鱼礁的性能。

中国每年污泥产生量巨大，据中国环境保护部统计，2015年中国污水处理厂污泥排放量已高达3 015.9×104t。目前传统的污泥的主要处理方式有填埋、农用堆肥、海洋摒弃等[9-10]，但这些方式不仅会浪费土地资源还有可能造成环境污染，且仍有大量污泥未能得以处理和利用。而胡波等[11]、Rezaee等[12]将污泥作为掺合料应用于混凝土、水泥等建筑材料中，制作高钡污泥混凝土以及生态水泥等，这不但可以很好地消纳污泥，还能在一定程度上改善这些材料的性能[13]。不仅如此，污泥中还含有大量的氮、磷等水生生物所需要的营养物质[14]，同时污泥应用于人工鱼礁的研究较为匮乏。因此若将污泥作为掺合料与水泥等建筑材料结合起来进行人工鱼礁的制备，不仅有利于消纳大量污泥，在保护环境的同时对于新型人工鱼礁材料的发展也有着积极的意义。

选择水泥、污泥、贝壳粉3种材料制作人工鱼礁，通过调整不同的比例分析其营养盐析出的规律、抗压强度以及浸泡液pH，并运用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)对水化产物进行分析，探究污泥作为新型人工鱼礁制作材料的可行性，以期为人工鱼礁的建造和材料的发展以及污泥的处理提供新的思路。

1 试验原料与方法

1.1 试验原料

水泥采用澄迈华盛天涯水泥有限公司生产的复合硅酸盐水泥P·C 32.5，水泥的技术指标如表1所示。污泥来自于天津市武清区污水处理厂，由天津壹新环保工程有限公司进行有机无机分离、脱水固化，杀菌消毒处理的污泥块,污泥具体化学成分如表2所示，将污泥块粉碎研磨后通过孔径0.6 mm铁丝网筛筛选得到污泥粉，其密度为2.03 g/cm3，将污泥粉倒入保鲜袋中进行封存。贝壳粉为普通的贝壳粉(90%以上为CaCO3)，密度为2.81 g/cm3，水为普通自来水。

表1 水泥技术指标Table 1 Cement technical index

表2 污泥化学成分Table 2 Sludge chemical composition

1.2 混合比例

在相关研究[15]的基础上进行强度等工作性能的优化，为方便，按照水灰比和贝壳粉含量的不同将礁块分成9组，其中M组代表水泥∶污泥∶贝壳粉的质量比例为1∶0.2∶0.2，G组为1∶0.2∶0.4，N组为1∶0.2∶0.6，而M1则代表M组中水灰比为0.5的礁块，M2代表M组中水灰比为0.55的礁块，以此类推，其余礁块具体的各材料的质量比例如表3所示。

表3 礁块各原料比例Table 3 Ratio of raw materials of reef block

1.3 试块制备

图1 部分礁块实物图Fig.1 Diagram of some reef blocks

礁块尺寸采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试块。礁块实物图如图1所示。以无锡市东方建材设备厂生产的搅拌机(型号UJZ-15)进行试块的搅拌，按水泥、污泥粉、贝壳粉的顺序依次倒入搅拌机中先搅拌1 min，再加水继续搅拌2 min，将搅拌后的浆体倒入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm三联模具中振捣成型，养护24 h后拆模再继续按标准条件(20±2) ℃、相对湿度为90%以上的条件下养护28 d。

1.4 测试与分析方法

1.4.1 强度测试

养护完成的礁块用微机控制电液伺服万能试验机进行抗压强度测试。

1.4.2 营养盐析出测试

1.4.3 pH测试

采用pH计法，每隔3 d对海水浸泡液的pH进行检测。同时设置不放置礁块的海水进行对照。pH计为香港希玛仪表有限公司生产的pH检测计，检测精度为±0.05。

1.4.4 微观分析方法

利用美国生产的FEI Quanta 400 FEG扫描电子显微镜进行形貌观察；将养护28 d的礁块压碎后取中心碎片磨成粉末并通过0.075 mm筛，然后利用日本理学生产的SmartLab型X射线衍射仪进行物相分析。

2 结果分析与讨论

2.1 抗压强度分析

图2所示为各比例礁块养护28 d之后进行抗压强度测试后的结果。从图2能很明显地看出，从M组到N组随着贝壳粉含量的上升，在同一水灰比下的礁块抗压强度均有所提升，最高提升了3.5 MPa，这是因为贝壳粉作为细颗粒骨架填充在水泥和污泥净浆中使礁块更密实从而使其强度增加，因此掺加一定含量贝壳粉对于礁块的强度有促进作用。水灰比是影响强度的重要因素[17]，随着水灰比的提升，3组礁块的强度显著下降，当水灰比从0.5升高到0.6之后，M组礁块强度下降了11.2 MPa，N组下降了11.7 MPa，G组下降了13.2 MPa，这说明水灰比的增大导致了礁块强度的降低，且水灰比明显比贝壳粉含量对于强度的影响更大。并且同样养护28 d，N1、N2的C-S-H凝胶更加蓬松且有裂缝出现，因此也可以解释高水灰比的N2强度比N1低得多。

抗压强度是人工鱼礁的重要耐久性指标[18]，试验中抗压强度最高为27.4 MPa，最低则只有12.7 MPa，这说明通过材料比例的调整以及水灰比的调整可以大幅度提升鱼礁的强度，从而对鱼礁的耐久性指标有所保证。一般来说，人工鱼礁现今大多采用混凝土作为建设材料，试验制作的部分礁块通过材料比例的调整已经基本达到了混凝土C30的标准，而礁块强度还有提升的空间，比如继续添加石子或者粉煤灰等并进一步完善材料比例，强度便可以在一定程度上继续提升。

图2 各比例礁块28 d抗压强度变化Fig.2 Variation of compressive strength of each proportional reef block at 28 days

2.2 礁块微观分析

由图2可以发现，相对于其他组，N组在同水灰比情况下强度更高，同时为了说明礁块强度随龄期的变化，选择养护龄期为3 d和28 d的N1以及28 d的N2进行SEM和XRD分析。

图3所示为N1在养护3 d和28 d以及N2养护28 d的SEM图片。从图3(a)可以观察到部分C-S-H凝胶以及少量针状钙矾石，图3(b)、图3(c)表明，随着水化反应的进行，礁块水化28 d后已经生成致密的C-S-H凝胶以及大量钙矾石并且两者相互交织在一起，使得礁块更密实从而使强度更高。

图3 礁块SEM分析Fig.3 SEM analysis of reef blocks

图4所示为N1养护3 d和28 d以及N2养护28 d的XRD图谱。由图4可见，礁块水化3 d后已经可以观察到钙矾石的衍射峰，C-S-H凝胶为20°～50°的鼓起部分[19]，同时因为采用了贝壳粉作为原料所以能明显观察到CaCO3的衍射峰。水化28 d后，N1和N2的部分C2S、C3S的衍射峰减弱或者消失，而Ca(OH)2、钙矾石以及CaCO3的衍射峰均增加，说明这部分C2S、C3S进一步水化生成了Ca(OH)2、钙矾石等，保证了水化所需的碱性环境以及后期的强度。

a为C2S；b为C3S；c为CaCO3；d为Ca(OH)2；e为钙矾石图4 礁块XRD分析Fig.4 XRD analysis of reef blocks

2.3 营养盐析出分析

表4 空白对照组营养盐浓度变化Table 4 Nutrient concentration changes in the blank control group

图5 各组礁块浸泡液浓度变化Fig.5 The concentration of in the soaking solution of each reef block changed

图6 各组礁块浸泡液浓度变化Fig.6 The concentration of immersion solution in each group of reef blocks changed

2.4 pH

如图7所示，对比不放置礁块的空白海水组(S0组)，放置礁块之后，浸泡液的pH明显有了大幅度上升，并且不同水灰比不同贝壳粉含量的礁块的pH有差异。从M组到G组，pH曲线总体呈现逐渐缩合的趋势，图7(a)中M组不同水灰比导致的浸泡液pH有显著性差异 (P<0.05)，而图7(c)G组3条pH曲线已几乎无差异(P>0.05)，同时贝壳粉含量最高的N组的pH基本都在9.0～9.5，而另外两组pH最高高达11.5。这说明贝壳粉含量的增加导致了pH趋于稳定的同时也会使pH降低。

S0表示不放置礁块的空白组图7 各组礁块海水浸泡液pH变化Fig.7 pH of seawater immersion solution in each reef block changed

在3组组内比较不难发现，当3组中水灰比为0.5时，pH始终最低，且明显低于水灰比为0.55以及0.6的礁块，这说明低水灰比也会导致低pH。而礁块的碱性主要是其释放的游离Ca(OH)2导致的，由图4可看出N1比N2的Ca(OH)2衍射峰强度更高，说明礁块内部Ca(OH)2晶体含量上升因此导致释放到海水液的游离Ca(OH)2含量降低使得海水液pH降低。同时由图2不难发现，高贝壳粉含量以及低水灰比导致礁块的强度更高，强度更高意味着礁块更密实，因此释放的Ca(OH)2也会减少且最终达到稳定，这进一步导致了这些高强度礁块相对于低强度礁块pH更低，且更接近海水的pH，而人工鱼礁浸泡海水的pH是其亲水性的主要指标[18]，因此也在另一方面说明这些高贝壳粉含量、低水灰比造就的高强度鱼礁具有良好的亲水性。

3 结论

以污泥、贝壳粉、水泥为主要原料进行人工鱼礁的制作，通过调整不同材料的比例，主要是水灰比以及贝壳粉含量，对礁块的强度、营养盐析出功效以及浸泡海水液的pH进行了研究，得出以下结论。

(1)水灰比和贝壳粉的含量对礁块的强度均有影响，但水灰比的影响更大。在污泥、水泥、贝壳粉质量比例为1∶0.2∶0.6，水灰比为0.5时，礁块的强度最高。并且礁块会使周围海水浸泡液的pH上升，而高贝壳粉含量以及低水灰比制作的礁块，其pH最低且更接近于普通海水。因此合适的水灰比和所用材料配比是人工鱼礁强度的重要保证，也是鱼礁亲水性的有效保障。