论文部分内容阅读
水体富营养化是导致水体产生水华、赤潮等污染及水质变差的主要原因之一。利用可漂浮多孔植生混凝土,及其生长的水生植物吸收、降解水体养分,是消除污染、净化水质、美化景观的有效途径之一。可漂浮轻骨料植生混凝土是环境友好型材料,其多孔结构为水生植物、微生物提供了附着生长的空间,增加了水体的生物多样性,有利于水体生态系统的完善。利用可漂浮轻骨料植生混凝土实现对富营养水体进行有效且科学地修复净化方面,逐渐得到人们的认可。本文主要围绕轻骨料植生混凝土的制备及其脱氮除磷性能展开研究。首先探究硫铝酸盐水泥与絮凝剂的匹配性,选用聚合硫酸铁、聚合硫酸铝和三氯化铁三种絮凝剂掺入到硫铝酸盐水泥中,研究絮凝剂对水泥性能的影响。然后,研究发泡轻骨料、絮凝发泡轻骨料以及核壳结构发泡轻骨料的制备及性能表征,通过静态浸泡法,分析了富营养水体的营养元素的变化,表征轻骨料的脱氮除磷性能。最后研究轻骨料植生混凝土的制备及其净水性能表征。得到以下结论:(1)聚合硫酸铁和三氯化铁均可延长硫铝酸盐水泥的凝结时间和增加了水泥净浆流动度,说明聚合硫酸铁和三氯化铁延缓了硫铝酸盐水泥的早期水化速率,同时降低了硫铝酸盐水泥的早期强度。相反地,聚合硫酸铝则缩短了硫铝酸盐水泥的凝结时间和减小了净浆流动度,促进了其早期水化。三种絮凝剂的掺入均没有对硫铝酸盐水泥水化产物造成影响。(2)以双氧水为发泡剂制备多孔发泡轻骨料,其松散容重最低能达到492.87 kg/m~3,远远低于水的密度。筒压强度能够达到8.62 MPa。发泡骨料浸泡后的最高软化系数为94.13%,其浸泡后依然保持良好的力学性能。骨料最高吸水率达到26.05%,高吸水率有利于轻骨料对营养物质的吸收。发泡轻骨料浸泡45天后,水体的碱度没有很大的变化,最大pH值仅为9.3。水质分析发现,水泥释放的钙、镁离子与氮、磷可发生沉淀反应,及多孔发泡轻骨料的吸附作用,骨料对水体的总氮、总磷去除率分别为43.36%和48.96%。(3)相比双氧水,以铝粉为发泡剂制备的发泡轻骨料力学性能较好,最大筒压强度和软化系数分别为11.57 MPa和96.11%。但其骨料内部的孔尺寸较小,其密度偏高,最低松散容重为810.22 kg/m~3,接近于水的密度,吸水率仅为16.09%。发泡轻骨料浸泡45天后,总氮、总磷去除率分别为24.85%和31.14%,其脱氮除磷效果低于双氧水系列。(4)聚合硫酸铁-发泡轻骨料的最低松散容重仅为443.53 kg/m~3,远远小于水的密度,最大吸水率可达到26.99%,高吸水率有利于轻骨料的吸附性能。发泡轻骨料在满足低密度的情况下,依然具备良好的力学性能,筒压强度不低于5.4 MPa,骨料浸泡后,软化系数也不低于81.87%。聚合硫酸铁-发泡轻骨料浸泡于富营养水体后,水体的pH值介于7-9之间,溶解氧稳定在8-9 mg/L之间。研究发现,聚合硫酸铁溶解后形成多核络合物可以在富营养水体中进行发挥卷扫和吸附作用,浸泡龄期达60天时,水体的总氮、氨氮、硝态氮、总磷、磷酸根的最大去除率分别高达:83.70%、66.06%、71.31%、94.74%、87.72%。(5)聚合硫酸铝-发泡轻骨料的最低松散容重为426.11 kg/m~3,最大吸水率达到26.82%,筒压强度不低于5.43 MPa,骨料浸泡后,软化系数也不低于81.17%。聚合硫酸铝-发泡轻骨料浸泡于富营养水体后,对水体的碱度和溶解氧几乎没有影响。聚合硫酸铝溶解后亦可形成多核络合物,对水体中的氮、磷元素亦可进行吸附或絮凝沉淀,浸泡龄期达60天时,水体的总氮、氨氮、硝态氮、总磷、磷酸根的最大去除率分别高达:72.08%、65.60%、70.40%、96.36%、100%。(6)核壳发泡轻骨料改变了骨料的结构,但没有影响其密度,骨料的最低松散容重仅为562.98 kg/m~3。核壳结构依然具备良好的力学性能,其筒压强度不低于5.56 MPa,软化系数最小不低于85.08%。核壳结构的发泡轻骨料的吸水率最高达到25.97%,说明骨料具备较强的吸附性能。(7)通过对骨料外壳进行电子扫描分析和能谱分析表明,可以判断聚合硫酸铁是可以穿透孔壁释放到富营养水体中。结合骨料浸泡后聚合硫酸铁溶出率的计算,核壳发泡轻骨料每浸泡5天,各实验组溶出率介于2-4%之间,表明核壳结构发泡轻骨料可以控制聚合硫酸铁匀速释放。(8)由于核壳结构起到对聚合硫酸铁的控制释放,与絮凝发泡轻骨料相比,其对氮磷物质的去除速率缓慢,其对富营养水体的净化是稳定、高效的和是长期性的。(9)以发泡轻骨料制备的可漂浮植生混凝土,28天的抗压强度为6.23 MPa;空隙率设计为25%时,干密度为785.83 kg/m~3,透水系数为5.72 cm/s;发泡轻骨料植生混凝土浸泡后,水体的碱度略有上升。由于自身的吸附性能和释放金属离子,尽管没有添加聚合硫酸铁,发泡轻骨料植生混凝土仍具有脱氮除磷性能,浸泡60天后,总氮去除率为7.74%,总磷去除率为43.86%。(10)以絮凝发泡轻骨料制备的植生混凝土,28天抗压强度能达到6.2 MPa左右,不同骨料对植生混凝土的抗压强度影响不大;空隙率设计为25%时,干密度为750 kg/m~3左右,透水系数以低于5.88 cm/s,可以满足植物根系穿透混凝土所需的空间,絮凝发泡轻骨料植生混凝土浸泡后,富营养水体的碱度会降低,可以释放出聚合硫酸铁,氮、磷去除效果比空白组明显,浸泡60天后,总氮和总磷去除率分别达到87.50%、91.23%。