河流護(hù)岸多孔生態(tài)材料對(duì)水體中硝態(tài)氮去除試驗(yàn)

王萬忠，饒 磊，王沛芳，郭 翔，張立昕，蔣 濤

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 211100)

河流生態(tài)護(hù)岸是一種新型的河道護(hù)岸，其優(yōu)點(diǎn)在于護(hù)岸的可滲透性，大大增加了河岸與河流水體的物質(zhì)交換，為生物營(yíng)造適宜的生存環(huán)境，同時(shí)也增強(qiáng)了水體的自凈能力，因此，在近幾年河流整治過程中生態(tài)護(hù)岸被大量應(yīng)用[1-4]。

河流護(hù)岸多孔生態(tài)材料不但具有較好的力學(xué)性能，而且材料內(nèi)部連通的多孔結(jié)構(gòu)大幅增加了材料的吸附和過濾能力，同時(shí)也為水中的植物和微生物提供了必要的生長(zhǎng)環(huán)境[5-7]。近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多孔生態(tài)材料在水利工程及海綿城市建設(shè)中的應(yīng)用做了大量的研究[8-11]。紀(jì)榮平等[12]研究發(fā)現(xiàn)生態(tài)混凝土可以降低自然水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度，提高水質(zhì)等級(jí)，富營(yíng)養(yǎng)化水源地水質(zhì)有較明顯的改善；Park等[13]對(duì)比了骨料粒徑為5～10 mm和10～20 mm的生態(tài)混凝土對(duì)水質(zhì)的凈化效果，發(fā)現(xiàn)骨料粒徑越小，生態(tài)混凝土的水質(zhì)凈化效果越好；朱健等[14]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)多孔混凝土與水生植物復(fù)合應(yīng)用時(shí)，其水質(zhì)凈化效果有明顯提高；鄂歡等[15]模擬了河道槽型結(jié)構(gòu)模型，分析了用生態(tài)混凝土制成的城市河道護(hù)坡對(duì)水質(zhì)的凈化效果。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 材料選擇

多孔生態(tài)砌塊的制備材料包括：粘結(jié)材料、骨料、促凝材料、增強(qiáng)材料、負(fù)載細(xì)菌等幾部分，其中粘結(jié)材料包括：普通硅酸鹽水泥(75%)、粉煤灰(20%)、硅粉等(5%)；骨料采用粒徑為4～7 mm，7～11 mm，11～20 mm，20～31 mm的碎石(碎石質(zhì)量與粘結(jié)材料質(zhì)量比為5∶1)；促凝材料選用萘系高效減水劑(加入量為粘結(jié)材料質(zhì)量的1%)；增強(qiáng)材料采用20～30 mm的短切玻璃纖維(摻雜量為粘結(jié)材料質(zhì)量的3%)；負(fù)載細(xì)菌選用反硝化細(xì)菌，水與粘結(jié)材料質(zhì)量比為0.27。

1.2 多孔生態(tài)砌塊制備

多孔生態(tài)砌塊的制作工藝是將骨料與60%的水混合攪拌，待骨料被水體充分浸潤(rùn)后，加入50%的膠凝材料進(jìn)行攪拌，膠凝材料均勻包裹骨料后加入剩余水泥、水和減水劑進(jìn)行攪拌，再加入短切玻璃纖維，攪拌均勻后分批次倒入模具，進(jìn)行插搗密實(shí)，砌塊連同模具共同養(yǎng)護(hù)48 h后，拆除模具，用塑料薄膜覆蓋砌塊以減少水分流失，并定期灑水養(yǎng)護(hù)28 d。

1.3 試驗(yàn)設(shè)置

表1 原水中物質(zhì)質(zhì)量濃度

1.4 掛膜方法

將經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的5種多孔混凝土砌塊(120 mm×60 mm×100 mm)放入裝有自來水的PVC桶中定期監(jiān)測(cè)水體的pH，等到多孔混凝土砌塊堿度釋放穩(wěn)定后進(jìn)行砌塊的掛膜試驗(yàn)。

圖1 多孔砌塊反硝化菌膜的培養(yǎng)

1.5 掛膜成熟后去除過程的試驗(yàn)方法

圖2 多孔生態(tài)砌塊凈化試驗(yàn)

2 骨料粒徑對(duì)多孔生態(tài)砌塊透水率的影響

為研究骨料粒徑(PS)對(duì)多孔砌塊透水率(K)的影響，在相同孔隙率條件下對(duì)4種不同骨料粒徑的多孔砌塊進(jìn)行了透水率測(cè)試。圖3為水膠比為0.27、骨膠比為5.0、孔隙率為25%條件下不同骨料粒徑條件下多孔砌塊的透水率對(duì)比圖。

圖3 不同骨料粒徑條件下多孔砌塊的透水率對(duì)比

從圖3可以看出，多孔生態(tài)砌塊的透水率隨著骨料粒徑的增大而增大，骨料粒徑越小透水率越小。這主要是由于骨料粒徑越小，單位體積內(nèi)骨料顆粒之間的接觸點(diǎn)數(shù)量就越多，所形成的節(jié)點(diǎn)骨架越密，孔隙尺寸越小，其中的連通孔隙越復(fù)雜[16]，當(dāng)水流通過時(shí)，水流與多孔砌塊的接觸面變大使得阻力變大，透水率變小，所以透水率隨著骨料粒徑的減小而減小，同時(shí)與磚體的比表面積成反比。

3 多孔生態(tài)砌塊降解試驗(yàn)

3.1 掛膜過程中濃度變化

圖4 進(jìn)出水中質(zhì)量濃度變化情況

圖5 掛膜期間的去除率

圖6 出水中質(zhì)量濃度變化情況

掛膜過程[17]中，最初砌塊表面只有零散分布的點(diǎn)狀菌膠團(tuán)，隨著掛膜的進(jìn)行，慢慢形成片狀的菌膜，進(jìn)而覆蓋整個(gè)多孔生態(tài)砌塊的表面，其顏色也由原先的灰色變?yōu)楹稚?圖7)。

(a) 掛膜前 (b) 掛膜后

3.2 掛膜成熟后去除過程

圖質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化曲線

多孔生態(tài)砌塊在重復(fù)降解試驗(yàn)中，降解效率基本維持不變，只要生物膜不被外力破壞，其降解能力可以維持在穩(wěn)定狀態(tài)，在后期試驗(yàn)中隨著生物膜的不斷生長(zhǎng)，多孔生態(tài)砌塊可能出現(xiàn)堵塞情況從而使得降解效率下降，在實(shí)際應(yīng)用中要定期進(jìn)行反沖洗操作以維持多孔生態(tài)砌塊的降解效率。

3.3 水體中質(zhì)量濃度變化規(guī)律

圖質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化的曲線

4 結(jié) 論

b. 在相同孔隙率條件下，多孔磚的透水率隨著骨料粒徑的增大而增大，隨著比表面積的增大而減小。

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