生态混凝土砌块水质净化性能研究

宋文杰，伍佑伦，刘贤鹏，何香建，姚纪华

（1. 湖南省水利水电科学研究院，湖南 长沙 410007； 2. 长沙县水利局，湖南 长沙 410107）

本文所涉及的生态混凝土是一种通过采取特殊配合比和工艺制备而成的多孔混凝土。生态混凝土内部骨料的表面包裹有胶结材料，骨料之间的结合方式为点接触式，使其内部在形成一定比例连通孔隙的同时保证了它的结构强度。生态混凝土内部的连通孔隙可为微生物和水生动植物附着生长提供必需的空气和水[1～3]，并在生态混凝土的内外表面形成具有多种微生物种群的生物膜，对自然环境和生态平衡具有积极的保护作用。现有研究成果表明，附着生长在生态混凝土内外表面上的微生物和水生动植物组成的微生态系统具有良好的水质净化效果，可吸收和分解水体中的污染物质，使水质得到净化[4～7]。

本文基于国内外生态挡土墙的研究现状，将传统形式的挡土墙砌块与生态混凝土相结合，在满足现行规范和力学要求的前提下，研发出一种在具备挡土墙基本功能的同时具有水质净化功能的新型生态混凝土砌块。通过制作的水质净化试验装置，对3 种不同孔隙率的生态混凝土砌块进行水质净化性能对比试验，并对该新型生态混凝土砌块的水质净化效果进行量化评价。

1 生态混凝土砌块方案设计

1.1 块型设计

生态混凝土砌块属于一种混凝土小型空心砌块，其块型的设计需要考虑多方面因素，首先砌块的块型参数需满足现行国家标准《普通混凝土小型空心砌块》（GB 8239-1997）、砌块建筑施工技术规程及国家统一模数制的要求，其次还需满足砌筑时对孔错缝搭接和建筑构造的要求。综合上述因素，本文将生态混凝土砌块的主块型尺寸定为390 mm×240 mm×190 mm（长×宽×高），配合半块尺寸为190 mm×240 mm×190 mm（长×宽×高）（见图1）。

图1 生态混凝土砌块结构示意图

1.2 孔型设计

孔型设计是砌块方案设计的另一个关键内容，是砌块空洞率、受力条件、制备及施工工艺的决定因素[8～10]。本文所述的生态混凝土砌块采用单内腔结构，内腔中填充耕植土与环境矿物材料；砌块间的接触面上设有多个小圆槽，在砌筑墙体时能实现满铺浆且不会漏浆，并在砂浆凝结硬化后显著增加砌块间的接触面积和结合强度，对提高墙体结构的抗剪性能和整体砌筑质量具有积极作用。

2 水质净化试验

根据生态混凝土砌块的结构特点，本文自行设计制作了一套水质净化试验装置（见图2），对3 种不同孔隙率的生态混凝土砌块进行水质净化性能试验，通过分析试验结果，量化评价生态混凝土砌块的水质净化效果[11]。

图2 试验装置示意图

2.1 试验方法

图2 所示的试验装置主要用于模拟生态混凝土砌块的一次性水质净化过程。装置顶部的马氏瓶通过管道并列连接3 个直径20 cm、长70 cm 的有机玻璃圆筒，圆筒自下而上依次装入10 cm 厚生态混凝土、20 cm 厚矿物材料与土壤混合填充材料及10 cm 厚生态混凝土，圆筒顶部预留了30 cm 高的空洞，可为水生植物（梭鱼草）的茎、叶生长提供空间。采用人造光源模拟日光照射，照射时间为12 h/天，照射强度为5 000 Lx，试验水温控制在（25±2）℃[12]。各圆筒底部均设有出水口，每隔5 天，测试各出水口水质指标CODcr、TN、TP的变化。试验过程中，应始终采用标准废水补给马氏瓶中的废水。本次试验参照表1 的相关指标配置人工废水，并依据《水和废水检测分析方法》进行试验前后水质相关指标的检测分析。

表1 人工废水水质指标 mg/L

1#试件设计孔隙率为20%，2#试件设计孔隙率为25%，3#试件设计孔隙率为30%。

2.2 试验结果与分析

图3、图4、图5 分别为各试验组水体中CODcr、TN、TP 一次性去除率随时间的变化情况。

图3 CODcr 去除率与时间关系

试验结果表明：

1）前10 天，1#试件对人工废水中的CODcr、TN、TP 一次性去除率较2#、3#试件要大；前20 天，各试件对人工废水中污染物的一次性去除率均呈逐渐增加的趋势。其中，1#试件对CODcr、TN、TP 一次性最大去除率分别可达74%、40%、72.5%，2#试件对CODcr、TN、TP一次性最大去除率分别可达85%、60%、87.5%，3#试件对CODcr、TN、TP 一次性最大去除率分别可达88.3%、71.4%、89.8%。20 天后，各试件对人工废水中污染物的一次性去除率均呈现出先下降并逐渐趋于稳定的趋势。

图4 TN 去除率与时间关系

图5 TP 去除率与时间关系

究其原因在于：前10 天，试件主要通过生态混凝土多孔结构的机械截留作用和矿物材料的物理吸附作用对人工废水中的污染物进行净化，由于小孔隙率试件的机械截留作用更强，因此1#试件的水质净化效果较2#、3#试件要好；10～20 天，各试件中的微生物和水生动植物开始快速生长繁殖，此时，试件主要通过附着生长在生态混凝土内外表面上的微生物和水生动植物对人工废水中的污染物进行净化。由于大孔隙率试件更利于微生物和水生动植物的附着生长，因此3#试件的水质净化效果较1#、2#试件要好；20 天后，随着微生物和水生动植物的数量达到峰值，人工废水中溶解氧和营养物质不断减少导致微生物活性降低，各试件对人工废水中污染物的一次性去除率均呈现出先下降并逐渐趋于稳定的趋势[13]。

2）随着试件孔隙率的增加，试件对CODcr、TN、TP 一次性去除率增加，但一次性去除率的增幅随着试件孔隙率的增大而变小。究其原因有两个方面：一是人工废水中微生物数量的峰值决定于废水中溶解氧和营养物质的数量[14]；二是当试件的孔隙率为25%时，已为本试验所需的微生物提供了足够的附着生长空间，微生物的数量已达到最大值，若试件的孔隙率再增大时则会出现空间富余，因此试件对人工废水中污染物的一次性去除率变化不大。

通过对水质净化试验结果分析可知：随着时间的推移，生态混凝土砌块的水质净化效果呈现出先增加后降低最后趋于稳定的现象。在试验初期，砌块主要通过生态混凝土多孔结构的机械截留作用和矿物材料的物理吸附作用对污水进行净化，而在试验的中后期，则主要通过附着生长在生态混凝土内外表面上的微生物和水生动植物对污水进行净化。随着砌块孔隙率的增加，砌块对水体中污染物的一次性去除率的增幅随着试件孔隙率的增大而变小。生态混凝土砌块对水体中CODcr、TN、TP 的一次性最大去除率分别达到88.3%、71.4%、89.8%，具有良好的水质净化性能。

3 生态混凝土砌块水质净化机理分析

根据试验结果，对生态混凝土砌块水质净化机理进行分析，其净化机理如图6 所示。

图6 生态混凝土砌块水质净化机理示意图

生态混凝土砌块作为一种新型挡土墙砌块，其多孔结构可为水生动植物、微生物提供附着生长的空间，在保证河岸边坡稳定的基础上，可同时增加水体中生物的多样性和生态系统的完善性，使得护岸挡土墙不仅具有景观效果，还可修复污染水体，提高河道的自净能力。生态混凝土砌块的水质净化机理主要包括以下三个方面：

1）生态混凝土的净化作用。生态混凝土内部的连通孔隙可为微生物和水生动植物附着生长提供必需的空气和水，附着生长在生态混凝土内外表面上的微生物和水生动植物组成的微生态系统具有良好的水质净化效果，可吸收和分解水体中的污染物质。同时，生态混凝土的多孔结构以及生长在其孔隙内的植物根系对污染水体中的悬浮污染物具有一定的吸附过滤和机械截留作用[15]。

2）微生物、水生动植物的净化作用。生态混凝土的多孔结构可为水生动植物提供附着生长的空间。其中，水生动物通过滤食吞噬水体中浮游植物以及微生物去除水体中的固体悬浮颗粒；多种水生植物对水体中的磷、氮和各种重金属以及氰、酚、农药等有机物都有吸收、积累和转化的能力[6]。

3）矿物材料的净化作用。生态混凝土砌块空腔内填装的矿物材料为可净化水质的环境矿物材料，该类矿物材料可通过矿物表面吸附、孔道过滤、离子交换及化学反应等作用对污染水体中的污染物进行净化[16]。

4 结 论

1）水质净化试验结果表明：生态混凝土砌块对水体中CODcr、TN、TP 的一次性最大去除率分别达到88.3%、71.4%、89.8%，具有良好的水质净化性能；生态混凝土砌块的孔隙率越大，其对CODcr、TN、TP 的去除效果越好。

2）附着生长在生态混凝土砌块表面和孔隙内的水生动植物、微生物以及砌块空腔内填装的环境矿物材料，对水体中的污染物具有吸附、过滤、吸收、积累和转化等作用，使生态混凝土砌块具备水质净化的功能。

3）生态混凝土砌块作为一种新型挡土墙砌块，其多孔结构可为水生动植物、微生物提供附着生长的空间，在保证河岸边坡稳定的基础上，可同时增加水体中生物的多样性和生态系统的完善性，使得护岸挡土墙不仅具有景观效果，还可修复污染水体，提高河道的自净能力。