不同材料的生态混凝土对污水净化效果的比较

摘要：为比较不同材料所制成的多孔混凝土对有机污水净化的效果，采用了不同的材料来制作3种混凝土反应柱，一为普通硅酸盐水泥与粗砂制作的混凝土，二为复合硅酸盐水泥与粗砂制作的混凝土，三为复合硅酸盐水泥与红粘土制作的水泥土。实验所用的污水采自某污水处理厂，其组分以生活污水为主。试验结果显示，在同等的条件下，由复合水泥(25％)与红粘土(75％)制成的水泥土反应柱对污水的净化效果最佳。显微镜照片显示，水泥土表面的微生物生长最为旺盛。鉴于水泥土的制作成本低、处理污水的效果显著，废弃不用时可破碎作为耕土，不需考虑其耐久性问题，因而应是今后用于污水处理的最佳生态混凝土。

关键词：生态混凝土；净化；污水

中图分类号：X52，TU 528，X703　文献标识码：A　文章编号：1671―4431(2011)02―0110―05

目前已有许多学者研究了生态型多孔混凝土对污水的处理技术，有些学者还详细地归纳了其净水机理，认为主要有3个：1)物理、物理化学净化作用。通过多孔混凝土的过滤和吸附作用去除污水中的污染物。2)化学净化。多孔混凝土会向污水释放出某些化学组分(如Al3+、Mg2+、OH等)，使污水中的污染物发生沉淀而得以去除。3)生化净化。通过混凝土表面生长的生物膜降解污水中的污染物。通过多次的实验，发现不同种类的多孔混凝土对污水的处理效果具有明显的差异性。这可能是因为它们所含的成分不同，它们向污水中释出的组分及浓度，以及自身对污染物的吸附能力会有所不同。此外，微生物对不同的材料也有偏好，即在某种材料的表面的生长会旺盛一些，而在某些材料表面的生长则差一些，这会使得不同材料所制成的生态型混凝土对污水的净化效果出现明显的差异。为了探索这个问题，作者进行了以下实验研究。

1　试验

1.1　材料

共用5种材料进行试验(见表1)。其中所用的普通硅酸盐水泥为PO 32.5型，复合硅酸盐水泥为PC 32.5型，粘土为采自桂林市市郊的红粘土，再经风干及过筛(100目，孔径0.147mm)去掉粗杂质。这3种主要材料的化学组分见表2。

实验所用的污水采自某污水处理厂的进水口。据调查，汇流到该污水厂的污水中，生活污水约占70％，工业废水约占30％。实验所用的污水水质列于表3。

1.2　装置

反应柱的装置如图1所示。共制作3个不同材料的反应柱。每个柱由6节圆柱型的混凝土块上下串联组成，每节都固定在同一个柱子上面。为使污水在下渗过程中能获得空气中的氧及时补充，每节之间留有2cm间隙。每节混凝土在制作时，先按表1把所需的物质及相应的比例混合并搅拌均匀，再放入PVC管内(管长10cm，直径10cm)成型并养护24h。在混凝土凝结前，用针插入造孔，尽可能使孔眼均匀分布于上下断面并贯穿上下。每节造孔80个，孔径约1mm。这样，凝结后就形成混凝土净长为6.5cm的短柱状的多孔混凝土反应节。各反应节的构造见图2。净化试验时让污水自反应柱的上方流下。为使流量稳定，用蠕动泵控制进水流量(10mL／min)。反应柱下方用容器接住出水。由于本反应柱太短，污水自上至下的渗流仅需5min左右，难以一次渗滤就能把污水的净化达标，因此待原污水渗流完后，再用泵把流出的污水再抽至反应柱的上方，使其再次渗滤。如此反复多次渗滤让污水与反应柱充分接触，直至污水的净化效果达到满意为止。

1.3　试验温度及指标的监测

净化试验是在室温30℃下进行的。试验过程中，大约每隔2h监测1次反应柱的出水水质，所监测的水质指标及其监测方法如表4所示。

1.4　微生物数量的观察

为了解微生物对不同材料的偏好，实验结束后对3个不同材料的混凝土柱的表面进行了微生物数量和种类的观察，所用的仪器为DBM A450型生物数码显微镜。

2　结果与分析

1)对COD去除效果的比较　图3(a)为污水中COD浓度的变化过程。由图3(a)发现，反应历时为40h时，3种材料对COD的去除率均在80％以上，其中复合水泥与红粘土制作的水泥土反应柱对COD的去除效果最佳，去除率达到99％以上，而另两种反应柱的效果稍差一些。27h前由普通硅酸盐水泥和粗砂所制作的混凝土柱对COD的去除效果要好于由复合水泥和粗砂所制作的混凝土柱，但27h后这两者的效果却反过来。

2)对BOD5去除效果的比较　图3(b)为污水中BOD5浓度的变化过程。从图中可以看出，当反应历时为40h时，3种反应柱均能把BOD5降低至10mg／L以下。但相比而言，复合水泥与红粘土所制作成的水泥土柱对BOD的去除效果最佳，去除率高达99％以上。其次为由复合水泥和粗砂所制作的混凝土柱，而由普通硅酸盐水泥和粗砂所制作的混凝土柱的效果则相对最差。

3)对TP去除效果的比较从图3(c)可以看出，污水中总磷的浓度变化过程是：先高到低，随后反升。即在运行26h之前，3个反应柱对TP都具有较好的去除能力，但在26h后，反应柱对TP的去除能力又有所降低。该图还显示，在3种材料中，仍是复合水泥与红粘土所制作的水泥土柱对TP的净化效果最佳，其次为由普通硅酸盐水泥和粗砂所制作的混凝土柱，而由复合水泥和粗砂所制作的混凝土柱对TP的净化效果更差。

4)对TN去除效果的比较如图3(d)所示，3种柱体反应器对TN都有明显的净化效果。图3还显示，仍是复合水泥与红粘土所制作的水泥土柱对TN的去除效果最佳，40h时其去除率达到61.69％；其次为复合水泥与粗砂所制作的混凝土柱，40h时其对TN的去除率为53.14％；而由普通硅酸盐水泥与粗砂所制作的混凝土柱对TN的去除率最差，40h时仅为37.11％。

5)对NH3-N去除效果的比较　如图3(e)所示，不同材料所制作的反应柱对氨氮的去除效果有所差别，但仍是复合水泥与红粘土所制作的水泥土柱对TN的去除效果相对最为明显，其余两者对氨氮的去除效果大致相当。

6)污水中pH变化过程的比较不同材料的反应柱对污水pH值的影响过程见表5。表5显示，由于3种反应柱都是碱性物质，它们与污水接触后，都会不断地向污水释放出Ca(OH)5，使污水的pH增加。不过在1h以后，随着混凝土表面所附着的微生物膜越来越厚，以及空气中CO。不断地注入污水，污水中的pH逐渐降低，最终恢复至近于中性水平。

7)降低污水浑浊度的效果比较　由表6可见，在污水与3个反应柱接触后1h时，污水中的浊度反而升高，这可能是因为污水中的微生物量急剧增长所致。不过随着污水与反应柱接触时间的增长，在混凝土孔隙的过滤作用下，污水中的微生物的数量越来越少，可能是逐渐由液相转移到固相表面，结果就使得污水中的浊度越来越变小，污水也变得越来越清澈。但同时，混凝土表面和孔隙表面的附着的微生物膜也越来越厚。

表6显示，在污水与3个反应柱接触后1h时，与水泥土柱接触反应过的污水的浊度上升最高，也或许说明了其液相中所含有的微生物数量最多。

8)微生物数量的监测结果　不同材料的混凝土表面的微生物生长情况见图4。经多次观察和比较发现，由复合水泥与红粘土所制作的水泥土表面所附着的微生物的数量比另外两种混凝土的丰富些，这可能就是水泥土柱对污水的净化效果最佳的一个主要原因。

仔细鉴别发现，混凝土表面的微生物种类很多，主要为两大类：1)细菌类(以菌胶团或菌膜的形式黏附于膜片上，如硝化细菌、亚硝化细菌)；2)微型动物类(包括原生动物和后生动物，如纤毛虫类、鞭毛虫类、环节动物、线形动物等)。

9)净化机理分析3种生态型多孔混凝土柱对污水的净化机理大致相同，即在反应初期，它们对污水的净化主要是以物理净化和化学净化为主。但当其表面的生物膜长成后，它们对污水的净化机制则转变为以生化降解为主，即主要依靠混凝土表面所生长的生物膜来降解污水中的有机污染物。

图3(a)和图3(b)显示，由复合水泥与红粘土所制作的水泥土柱在反应初期(1h内)对COD和BODs的净化效果要比其他两个反应柱的显著得多，这说明，水泥土对污水的物理净化和化学净化效果也可能要优于另外两种混凝土。其原因可能与水泥土中含有大量的粘土矿物以及从复合水泥引入的炉渣、粉煤灰等物质有关，因为这3种物质对污染物都具有很强的吸附能力。

3　利用多孔水泥土净化生活污水的前景分析

多孔水泥土作为一种特殊类型的多孔混凝土，它对污水的净化具有以下的优点：

1)水泥土的制作成本更低。由于其水泥的用量更少，当PVC管可换成竹筒时，反应器的制作成本会更低。套管还可以重复利用。

2)无需考虑混凝土的耐久性。当反应柱中的某一水泥土节的孔隙被堵塞时，可先用备用的节替换之，置换下来的堵塞节用人工(或其它办法)疏通，留作为备用节。当水泥土的强度降低至不可继续利用时，可把它搬运至田间地头，破碎后作为耕土。由于水泥土本身的强度较小，与污水接触时间长后变得更低，稍加锤击即可碎成细块。

3)它的处置对环境没有负面影响，且可循环利用。水泥土为含少量碱性的物质(主要成分为石灰)，而这些碱性物质不仅能改良酸性土壤，而且能提高其透气性(Ca2+、粉煤灰、炉渣等组分可防土壤板结)。目前农业领域有很多利用石灰、炉渣来改良土壤的报道。水泥土孔隙中所含的微生物也对耕土有利无害，水泥土从污水中所吸附的TP、TN还对植物的生长有利。经过多年耕作后，水泥土将失去水泥土的本性(碱性)。当它消化掉在污水处理中所附带的微生物和污染物后，将会与一般的耕土无二。即经多年的耕作改造后，其土壤还可再次被作为水泥土的制作原料。

4)适宜于不同种类的污水处理。由于粘土矿物、复合水泥中的炉渣和粉煤灰对各种污染物的吸附能力都很强，因此，水泥土既适宜于有机污水的处理，也适宜对含重金属废水或有机一重金属混合废水的处理。

5)适宜不同阶段的生活污水处理，使用的环境条件很灵活。水泥土既可作为对污水的预处理，也可安置喷淋装置对污水进行二次生化处理；还可把水泥土块放置在氧化塘内，在静态下对污水进行缓慢净化。

4　结论

a.由不同材料制作的生态型多孔混凝土来净化以生活污水为主的污水的效果都比较明显，但其中由复合水泥与红粘土所制作的多孔水泥土对污水的净化效果要优于由普通硅酸盐水泥(或复合硅酸盐水泥)与粗砂所制备的多孔混凝土。

b.水泥土对污水的较佳净化效果主要与其表面微生物的生长较为旺盛有关。除此以外，还可能与其所含的粘土矿物、炉渣、粉煤灰等物质对污染物具有较强的吸附能力有关。

c.鉴于水泥土的制作成本低、处理污水的效果显著，且废弃后可破碎作为耕土，无需考虑其耐久性问题，因此它是一种能用于污水处理的理想材料。

参考文献

[1]Park Sung-Bum，Tia Mang，An Experimental Study on the Water-purification Properties of Porus Concrete[J]，Cementand Concrete Research，2004，34：177―184，

[2]陈志山，刘选举，生态混凝土净水机理及其应用_J]，科学技术与工程，2003，3(4)：371―373.

[3]许国东，高建明，吕锡武，多孔混凝土水质净化性能[J]，东南大学学报：自然科学版，2007，37(3)：504-507.

[4]邹长伟，金腊华，生态混凝土净水技术处理污水[J]，江西化工，2005(3)：1―3.

[5]袁东海，张孟群，高士祥，等，几种粘土矿物和粘粒土壤吸附净化磷素的性能和机理EJJ，环境化学，2005，24(1)：7一11.

[6]　王锐刚，张雁秋，粘土矿物治理重金属污染的机理及应用[J]，中国矿业，2007，16(2)：103―105.

[7]钟顺清，粘土矿物去除废水中磷的效应与机理[J]，衡阳师范学院学报，2007，28(6)：148―152.

[8]刘秀梅，张夫道，张树清，等，纳米级高岭土对氮、磷、钾和有机碳的吸附及解吸特性的研究[J]，中国农业科学，2005.38(1)：102―109，

[9]李海庆，吴跃明，刘建新，紫花苜蓿品种在石灰改良酸性土壤的筛选初报[J]，黑龙江畜牧兽医，2007(3)：56―57.

[10]杨全忠，李跃武，刘建阳，等，施用石灰改良土壤的试验研究[J]，烟草科技，1999(2)：43-44.

[11]牟俊山，朱书全・粉煤灰土壤改良剂在现代种植环境中的应用研究(英文)[J]，中山大学学报：自然科学版，2007.