不同孔隙率生态混凝土水质净化及室外植生试验研究

谢非，孙林，熊朝正，叶申钰，杨万芳

（四川汶马高速有限责任公司，四川 都江堰 611830）

0 引言

20世纪50年代中期，国内外学者开始生态混凝土研究并运用于实际工程中[1-5]。余晓彬和陈建国[6]详细描述了以沸石为骨料制成的生态混凝土性能及其特点。陈建国等[7]利用5%苯丙乳液制成生态混凝土，并选取4种植物进行室内植生试验，结果表明，宽叶雀稗在生态混凝土上能较好的生长。李晓和王统[8]在普通硅酸盐水泥中加入SAP颗粒制成生态混凝土，研究SAP掺量对生态混凝土性能的影响，结果表明，SAP颗粒能有效降低生态混凝土的碱度并提高其植生性能。多孔生态混凝土水质净化效果显著，因为孔隙大，与生态环境相容的特点，适宜植物微生物生存生长，相较于普通混凝土具有造价低、绿化环境、节约资源等特点。

我国湖泊护坡、公路边坡等大多数采用普通混凝土，这种混凝土强度高、耐久性好，但坡面封闭无空隙，无法让植物在其上生长，水质净化效果甚微。生态混凝土利用水泥作为粘结剂直接粘结粗骨料，不仅具有一定的强度，节省材料，还因其特殊的“萨琪玛”结构，为微生物和植物的生存生长提供了一定的环境和空间[9]。邓义林[10]利用生态混凝土制成护坡，并应用于实际工程中，取得了良好的效果。刘志扬和章春宁[11]结合各项参数和施工经验，探讨植生型生态混凝土护坡施工要点，为实际工程应用提供参考。将植物和生态混凝土结合制成生态护坡，不仅美化环境，还能保持水土不流失，达到提高生物多样性，改善水质富营养化的效果。

根据国内外研究成果，选取火山石为粗骨料制成不同孔隙率生态混凝土，测试其水质净化能力，在此基础上，选取6种不同草籽进行室外植生试验，为城市河道和坝塘生态护坡提供技术支持和参考。

1 实验

1.1 实验材料及配合比

水泥：P·O42.5，永新成都水泥生产，主要技术性能见表1；火山石：粒径10.60～48.7 mm，主要化学成分见表2；聚羧酸减水剂：主要技术性能见表3。

表1 水泥的主要性能

表2 火山石的化学性能 %

表3 减水剂的主要性能

试验制备孔隙率分别为20%、25%、30%的火山石生态混凝土，具体配合比见表4。

表4 生态混凝土的配合比

（1）将火山石生态混凝土标准养护28 d后进行抗压强度试验，3种不同孔隙率抗压强度在6.5～12.3 MPa，满足生态护坡基本要求。

（2）净化试验用污水取自某小区生活污水，每隔1 h测试具体数据，取24 h平均值，主要参数见表5。

表5 生活污水的主要参数

（3）调查昆明当地气候、温度、空气湿度、日照时间等条件，经综合比选后选取高羊茅、黑麦草、马尼拉等6种草籽混合后进行室外植生试验。

1.2 试验方案

1.2.1 水质净化

按照配合比制备3组共9块150 mm×150 mm×150 mm标准混凝土试块并置于塑料桶中作为试验组，准备1个空白桶装入污水作为对照组，测试污水各项水质数据变化。温度控制在20～25℃，试验组放置在有光照射且通风的地方，每个桶装入8 L生活污水。试验前，将3组不同孔隙率火山石生态混凝土放入清水中浸泡48h后取出烘干。试验时将生态混凝土放入桶中浸泡，如图1所示，隔1、2、4、8、24、168、336、720 h测试其水质指标，氨氮按照HJ535—2009《水质 氨氮的测定纳氏试剂分光光度法》进行测试，TN（总氮）按照GB/T34796—2017《水溶液中核酸的浓度和纯度检测 紫外分光光度法》进行测试，CODcr按照HJ828—2017《水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法》进行测试，TP（总磷）按照GB/T 11893—1989《水质总磷的测定 钼酸铵分光光度法》进行测试。计算公式分别为：

式中：m——由校准曲线查得的氨氮量，mg；

V——水样体积，mL。

式中：C——硫酸亚铁铵标准溶液的浓度，mol/L；

V1——滴定空白试验所消耗的硫酸亚铁铵标准溶液体积，mL；

V2——滴定试样所消耗的硫酸亚铁铵标准溶液的体积，mL；

V0——试样的体积，mL。

式中：η——TN和TP的去除率，%；

C1——生活污水污染浓度，mg/L；

C2——净化后生活污水污染浓度，mg/L。

1.2.2 室外植生研究

室外植生试验在昆明市某水塘护坡进行。该水塘护坡为土质岸坡，为比较生态混凝土植生情况，采用现浇式生态混凝土和预制式方形砌块进行对比试验。现浇式生态混凝土采用3种不同配合比拌和火山石生态混凝土，直接铺筑在水塘边坡上，铺筑面积为100 cm×200 cm，厚度为50 cm左右（见图2）。预制式生态混凝土采用方形砌块，中间预留5 cm×5 cm的正方形孔洞，可在孔洞内部种植植物，见图3。先在生态混凝土上铺1层约2 cm厚取自水塘塘底的红土，在其上将草籽和红土混合并均匀播撒后，再铺上1层2cm厚的红土。采用开放式管理，在现浇式生态混凝土上敷设1张塑料薄膜，防止土和草籽被雨水冲走。

2 实验结果与分析

2.1 火山石生态混凝土的氨氮净化效果（见图4）

由图4可知，氨氮净化效果以S-30组最好，720 h后氨氮浓度为7.98 mg/L，去除率77.6%，其次是S-25组，720 h后氨氮浓度为10.28 mg/L，去除率71.1%，S-20组720 h后氨氮浓度为10.86 mg/L，去除率69.5%。3种不同孔隙率生态混凝土使得污水中氨氮浓度明显降低，在12～24 h下降最快，去除率19.6%～47.7%，1～8 h下降速率缓慢，8 h去除率9.98%，12 h后3组氨氮浓度均低于对照组，在720 h后渐渐趋于平缓，氨氮浓度随着火山石生态混凝土在生活污水中浸泡时间延长而降低。

2.2 火山石生态混凝土的TN净化效果（见图5）

由图5可知，3组火山石生态混凝土对TN的去除整体上呈现先缓慢下降后显著下降最后趋于平缓的态势。S-30试块在浸泡2 h后低于平均浓度，在4～8 h时去除速度最快，TN浓度下降0.72 mg/L，720 h后TN浓度为1.95 mg/L，去除率58.1%，效果最好。S-25和S-20都是在浸泡4 h后才低于平均浓度，720h后TN后浓度分别为2.14、2.45mg/L，去除率分别为54.0%和47.3%，随着孔隙率的增大，去除率越高，TN净化效果越好。

2.3 火山石生态混凝土的TP净化效果（见图6）

由图6可知，S-30组试块的TP浓度在8 h后低于平均浓度，在168～336h去除速度最快，336h浓度下降至0.93mg/L，720 h浓度为0.78 mg/L，去除率为79.8%，去除速度最快，效果最好；S-25组和S-20组试块在8 h后低于平均浓度，最终720 h浓度分别为0.95、1.06 mg/L，去除率分别为75.4%、72.6%，TP净化效果随着孔隙率的增大而增强。TP净化效果整体在0～12 h较为平缓，12～336 h去除速度变快，最终趋于平缓。

2.4 火山石生态混凝土的CODcr净化效果（见图7）

由图7可知，3组试块CODcr浓度整体随时间延长而降低，在0～24 h整体变化比较平缓，在24 h后变化明显。720 h后，S-30、S-25、S-20组CODcr浓度分别为28.6、36.2、49.5 mg/L，去除率分别为85.7%、81.9%、75.3%。S-30组CODcr净化效果最好，S-20组净化效果最差。

2.5 室外植生试验

经60 d开放式管理后，植物生长情况如图8所示。

由图8可知，很少有草籽不发芽的情况，整体植生效果较好，其中在5～10 d生长比较缓慢，在10～50 d生长速度变快，最终逐渐趋于平缓。现浇混凝土植物最高为S-30组，植株高度能达38.5 cm，预制方形砌块最高可达37 cm，略低于S-30组，S-25组和S-20组植物生长高度分别为29.0、25.2 cm，效果稍差。总体来说4组试块都适合植物在其上生长，随着孔隙率增大，植物生长高度越高，效果越好。

2.6 分析讨论

去污效果见图9。

火山石是多孔结构，孔隙率越大生态混凝土的比表面积就越大，使其有更多的接触面积吸收氨氮、TN、TP和CODcr；减水剂可以增加生态混凝土内部的微孔结构，增加了吸附的点位，有利于水中污染物的吸附；水泥作为粘结剂，在配制拌和时将粗骨料粘结在一起，同时水泥有一定的吸附作用，还能将Mg2＋、Al3＋等阳离子溶析出来，和磷酸根离子等发生交换吸附，达到净化水质的作用。

从最终植生效果来看，现浇火山石生态混凝土植生效果比预制方形砌块效果更好，见图10。

预制方形砌块只有中间方孔植物有生长，砌块上无法生长植物。孔隙率为30%的现浇火山石生态混凝土植物生长高度不仅比预制方形砌块高，而且植物生长密度更加密集。火山石生态混凝土是多孔结构，适宜植物生长，在水塘护坡中能起到一定的水质净化作用，相较预制方形砌块更适用于实际工程中。

3 结论

（1）火山石生态混凝土对生活污水具有良好的净化效果，孔隙率越大净化效果越好，30%孔隙率的火山石生态混凝土720 h后对氨氮、TN、TP、CODcr去除率分别为77.6%、58.1%、79.8%、85.7%。

（2）在室外植生试验中，孔隙率为30%的现浇火山石生态混凝土植生效果最好，60d植物生长高度可达38.5cm，其余2组生长高度分别为29.0、25.2cm。预制方形砌块60d植物生长高度可达37cm。火山石生态混凝土不仅适宜植物生长，改善了生态环境，起到绿化美观的作用，还有一定的水质净化效果和强度，对公路边坡或河岸护坡具有广阔的应用前景。