生態(tài)混凝土砌塊水質凈化性能研究

宋文杰，伍佑倫，劉賢鵬，何香建，姚紀華

（1. 湖南省水利水電科學研究院，湖南 長沙 410007； 2. 長沙縣水利局，湖南 長沙 410107）

本文所涉及的生態(tài)混凝土是一種通過采取特殊配合比和工藝制備而成的多孔混凝土。生態(tài)混凝土內部骨料的表面包裹有膠結材料，骨料之間的結合方式為點接觸式，使其內部在形成一定比例連通孔隙的同時保證了它的結構強度。生態(tài)混凝土內部的連通孔隙可為微生物和水生動植物附著生長提供必需的空氣和水[1～3]，并在生態(tài)混凝土的內外表面形成具有多種微生物種群的生物膜，對自然環(huán)境和生態(tài)平衡具有積極的保護作用?，F(xiàn)有研究成果表明，附著生長在生態(tài)混凝土內外表面上的微生物和水生動植物組成的微生態(tài)系統(tǒng)具有良好的水質凈化效果，可吸收和分解水體中的污染物質，使水質得到凈化[4～7]。

本文基于國內外生態(tài)擋土墻的研究現(xiàn)狀，將傳統(tǒng)形式的擋土墻砌塊與生態(tài)混凝土相結合，在滿足現(xiàn)行規(guī)范和力學要求的前提下，研發(fā)出一種在具備擋土墻基本功能的同時具有水質凈化功能的新型生態(tài)混凝土砌塊。通過制作的水質凈化試驗裝置，對3 種不同孔隙率的生態(tài)混凝土砌塊進行水質凈化性能對比試驗，并對該新型生態(tài)混凝土砌塊的水質凈化效果進行量化評價。

1 生態(tài)混凝土砌塊方案設計

1.1 塊型設計

生態(tài)混凝土砌塊屬于一種混凝土小型空心砌塊，其塊型的設計需要考慮多方面因素，首先砌塊的塊型參數需滿足現(xiàn)行國家標準《普通混凝土小型空心砌塊》（GB 8239-1997）、砌塊建筑施工技術規(guī)程及國家統(tǒng)一模數制的要求，其次還需滿足砌筑時對孔錯縫搭接和建筑構造的要求。綜合上述因素，本文將生態(tài)混凝土砌塊的主塊型尺寸定為390 mm×240 mm×190 mm（長×寬×高），配合半塊尺寸為190 mm×240 mm×190 mm（長×寬×高）（見圖1）。

圖1 生態(tài)混凝土砌塊結構示意圖

1.2 孔型設計

孔型設計是砌塊方案設計的另一個關鍵內容，是砌塊空洞率、受力條件、制備及施工工藝的決定因素[8～10]。本文所述的生態(tài)混凝土砌塊采用單內腔結構，內腔中填充耕植土與環(huán)境礦物材料；砌塊間的接觸面上設有多個小圓槽，在砌筑墻體時能實現(xiàn)滿鋪漿且不會漏漿，并在砂漿凝結硬化后顯著增加砌塊間的接觸面積和結合強度，對提高墻體結構的抗剪性能和整體砌筑質量具有積極作用。

2 水質凈化試驗

根據生態(tài)混凝土砌塊的結構特點，本文自行設計制作了一套水質凈化試驗裝置（見圖2），對3 種不同孔隙率的生態(tài)混凝土砌塊進行水質凈化性能試驗，通過分析試驗結果，量化評價生態(tài)混凝土砌塊的水質凈化效果[11]。

圖2 試驗裝置示意圖

2.1 試驗方法

圖2 所示的試驗裝置主要用于模擬生態(tài)混凝土砌塊的一次性水質凈化過程。裝置頂部的馬氏瓶通過管道并列連接3 個直徑20 cm、長70 cm 的有機玻璃圓筒，圓筒自下而上依次裝入10 cm 厚生態(tài)混凝土、20 cm 厚礦物材料與土壤混合填充材料及10 cm 厚生態(tài)混凝土，圓筒頂部預留了30 cm 高的空洞，可為水生植物（梭魚草）的莖、葉生長提供空間。采用人造光源模擬日光照射，照射時間為12 h/天，照射強度為5 000 Lx，試驗水溫控制在（25±2）℃[12]。各圓筒底部均設有出水口，每隔5 天，測試各出水口水質指標CODcr、TN、TP的變化。試驗過程中，應始終采用標準廢水補給馬氏瓶中的廢水。本次試驗參照表1 的相關指標配置人工廢水，并依據《水和廢水檢測分析方法》進行試驗前后水質相關指標的檢測分析。

表1 人工廢水水質指標 mg/L

1#試件設計孔隙率為20%，2#試件設計孔隙率為25%，3#試件設計孔隙率為30%。

2.2 試驗結果與分析

圖3、圖4、圖5 分別為各試驗組水體中CODcr、TN、TP 一次性去除率隨時間的變化情況。

圖3 CODcr 去除率與時間關系

試驗結果表明：

1）前10 天，1#試件對人工廢水中的CODcr、TN、TP 一次性去除率較2#、3#試件要大；前20 天，各試件對人工廢水中污染物的一次性去除率均呈逐漸增加的趨勢。其中，1#試件對CODcr、TN、TP 一次性最大去除率分別可達74%、40%、72.5%，2#試件對CODcr、TN、TP一次性最大去除率分別可達85%、60%、87.5%，3#試件對CODcr、TN、TP 一次性最大去除率分別可達88.3%、71.4%、89.8%。20 天后，各試件對人工廢水中污染物的一次性去除率均呈現(xiàn)出先下降并逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢。

圖4 TN 去除率與時間關系

圖5 TP 去除率與時間關系

究其原因在于：前10 天，試件主要通過生態(tài)混凝土多孔結構的機械截留作用和礦物材料的物理吸附作用對人工廢水中的污染物進行凈化，由于小孔隙率試件的機械截留作用更強，因此1#試件的水質凈化效果較2#、3#試件要好；10～20 天，各試件中的微生物和水生動植物開始快速生長繁殖，此時，試件主要通過附著生長在生態(tài)混凝土內外表面上的微生物和水生動植物對人工廢水中的污染物進行凈化。由于大孔隙率試件更利于微生物和水生動植物的附著生長，因此3#試件的水質凈化效果較1#、2#試件要好；20 天后，隨著微生物和水生動植物的數量達到峰值，人工廢水中溶解氧和營養(yǎng)物質不斷減少導致微生物活性降低，各試件對人工廢水中污染物的一次性去除率均呈現(xiàn)出先下降并逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢[13]。

2）隨著試件孔隙率的增加，試件對CODcr、TN、TP 一次性去除率增加，但一次性去除率的增幅隨著試件孔隙率的增大而變小。究其原因有兩個方面：一是人工廢水中微生物數量的峰值決定于廢水中溶解氧和營養(yǎng)物質的數量[14]；二是當試件的孔隙率為25%時，已為本試驗所需的微生物提供了足夠的附著生長空間，微生物的數量已達到最大值，若試件的孔隙率再增大時則會出現(xiàn)空間富余，因此試件對人工廢水中污染物的一次性去除率變化不大。

通過對水質凈化試驗結果分析可知：隨著時間的推移，生態(tài)混凝土砌塊的水質凈化效果呈現(xiàn)出先增加后降低最后趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象。在試驗初期，砌塊主要通過生態(tài)混凝土多孔結構的機械截留作用和礦物材料的物理吸附作用對污水進行凈化，而在試驗的中后期，則主要通過附著生長在生態(tài)混凝土內外表面上的微生物和水生動植物對污水進行凈化。隨著砌塊孔隙率的增加，砌塊對水體中污染物的一次性去除率的增幅隨著試件孔隙率的增大而變小。生態(tài)混凝土砌塊對水體中CODcr、TN、TP 的一次性最大去除率分別達到88.3%、71.4%、89.8%，具有良好的水質凈化性能。

3 生態(tài)混凝土砌塊水質凈化機理分析

根據試驗結果，對生態(tài)混凝土砌塊水質凈化機理進行分析，其凈化機理如圖6 所示。

圖6 生態(tài)混凝土砌塊水質凈化機理示意圖

生態(tài)混凝土砌塊作為一種新型擋土墻砌塊，其多孔結構可為水生動植物、微生物提供附著生長的空間，在保證河岸邊坡穩(wěn)定的基礎上，可同時增加水體中生物的多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的完善性，使得護岸擋土墻不僅具有景觀效果，還可修復污染水體，提高河道的自凈能力。生態(tài)混凝土砌塊的水質凈化機理主要包括以下三個方面：

1）生態(tài)混凝土的凈化作用。生態(tài)混凝土內部的連通孔隙可為微生物和水生動植物附著生長提供必需的空氣和水，附著生長在生態(tài)混凝土內外表面上的微生物和水生動植物組成的微生態(tài)系統(tǒng)具有良好的水質凈化效果，可吸收和分解水體中的污染物質。同時，生態(tài)混凝土的多孔結構以及生長在其孔隙內的植物根系對污染水體中的懸浮污染物具有一定的吸附過濾和機械截留作用[15]。

2）微生物、水生動植物的凈化作用。生態(tài)混凝土的多孔結構可為水生動植物提供附著生長的空間。其中，水生動物通過濾食吞噬水體中浮游植物以及微生物去除水體中的固體懸浮顆粒；多種水生植物對水體中的磷、氮和各種重金屬以及氰、酚、農藥等有機物都有吸收、積累和轉化的能力[6]。

3）礦物材料的凈化作用。生態(tài)混凝土砌塊空腔內填裝的礦物材料為可凈化水質的環(huán)境礦物材料，該類礦物材料可通過礦物表面吸附、孔道過濾、離子交換及化學反應等作用對污染水體中的污染物進行凈化[16]。

4 結 論

1）水質凈化試驗結果表明：生態(tài)混凝土砌塊對水體中CODcr、TN、TP 的一次性最大去除率分別達到88.3%、71.4%、89.8%，具有良好的水質凈化性能；生態(tài)混凝土砌塊的孔隙率越大，其對CODcr、TN、TP 的去除效果越好。

2）附著生長在生態(tài)混凝土砌塊表面和孔隙內的水生動植物、微生物以及砌塊空腔內填裝的環(huán)境礦物材料，對水體中的污染物具有吸附、過濾、吸收、積累和轉化等作用，使生態(tài)混凝土砌塊具備水質凈化的功能。

3）生態(tài)混凝土砌塊作為一種新型擋土墻砌塊，其多孔結構可為水生動植物、微生物提供附著生長的空間，在保證河岸邊坡穩(wěn)定的基礎上，可同時增加水體中生物的多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的完善性，使得護岸擋土墻不僅具有景觀效果，還可修復污染水體，提高河道的自凈能力。