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摘 要：通过室内模拟试验，研究了3种不同粒径与CMC掺量制备的生态混凝土对富营养化污水的净化效果。结果表明，整个试验周期内，A组（5～10mm粒径碎石骨料与0.05%掺量CMC）、B组（10～20mm粒径碎石骨料与0.1%掺量CMC）和C组（20～40mm粒径碎石骨料与0.15%掺量CMC）TP表面去除负荷分别为0.919g·m-3·d-1、0.722g·m-3·d-1和0.600g·m-3·d-1;TN表面去除负荷分别为5.756g·m-3·d-1、5.912g·m-3·d-1和5.949g·m-3·d-1;COD表面去除负荷分别为52.726g·m-3·d-1、53.710g·m-3·d-1和53.704g·m-3·d-1。说明生态混凝土净化污水的能力受粒径与CMC掺量的影响较大。
关键词：生态混凝土;粒径;CMC;污染去除效率
中图分类号 S18 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）19-0140-04
Study on Water Purification Effect of Ecological Concrete for Slope Protection of Farmland Ecological Ditches
LIANG Shijun et al.
（College of Environment and Resources， Zhejiang A & F University， Hangzhou 311300， China）
Abstract： The purification effect of three kinds of ecological concrete with different particle size and CMC dosage on eutrophication wastewater was studied by laboratory simulation test. The results show that， During the whole test period， group A（5-10mm gravel aggregate and 0.05% CMC）， group B（TP surface removal loads of 10-20mm gravel aggregate with 0.1% CMC and group C（20-40mm gravel aggregate with 0.15% CMC） were 0.919g·m-3·d-1， 0.722g·m-3·d-1 and 0.600g·m-3·d-1， respectively. TN surface removal loads were 5.756 g·m-3·d-1， 5.912g·m-3·d-1 and 5.949g·m-3·d-1， respectively. The surface removal loads of COD were 52.726 g·m-3·d-1， 53.710g·m-3·d-1 and 53.704 g·m-3·d-1， respectively. It shows that the capacity of ecological concrete to purify sewage is greatly affected by particle size and CMC content.
Key words： Ecological concrete; Particle size; CMC; Pollution removal efficiency
1 引言
生態护坡是为了解决传统护坡所造成的问题而提出的重要理念，结合工程力学、土壤学、生态学与植物学，满足工程性能的同时，保证环境与工程相容。生态护坡的核心在于将植物与工程材料相结合，在工程上减缓水流对坡面的侵蚀，防止边坡水土流失，确保边坡稳定，在生态上满足生态平衡需求，构建适合植物、鸟类、水生动物和微生物需要的生态圈，保留工程性，加强生态性，达到可持续发展的目的[1-3]。生态混凝土护坡因具备混凝土结构的强度、空隙可供微生物生长、具备污染吸附性能以及可在坡面种植植物等优势，充分满足了生态多样性、净化水质以及美化景观等需求，具备良好的发展前景。
生态混凝土因其内部的空隙结构也被称为多孔混凝土，较高的空隙率和较大的比表面积使其能够提供植物、微生物的生长空间以及具备良好的污染吸附能力，通过自身的吸附以及微生物的协同作用，起到改善水质的作用[4]。其主要影响因素在于所采用的骨料种类与所用骨料的粒径，不同粒径的骨料会影响生态混凝土的强度与孔隙度，进而影响到其工程性能与净水能力[5]。
CMC全称为羧甲基纤维素，在混凝土制备中，可作为增稠剂，改善水泥浆的粘聚性和保水性能提高水泥的抗离析性，增强混凝土后期强度。CMC形成的膜结构可以覆盖混凝土表面，减小混凝土在水中释碱对环境造成的冲击，增强混凝土常年在水中的耐久性，同时可以在固定微生物，为微生物提供营养物质，增强混凝土生物去除污染的能力[6]。
本研究在保证空隙率为25%的前提下，以3种不同粒径的碎石骨料（5～10mm、10～20mm和20～40mm）和3种不同浓度的CMC（0.05%、0.1%和0.15%）为试验材料，构建出3套生态混凝土净水系统，通过室内动态过水模拟试验，研究其对富营养化水体的净水效果，为河道、沟渠的生态护坡改造提供设计数据。
2 材料与方法
2.1 供试材料
2.1.1 水泥 采用国标普通硅酸盐P.O52.5水泥，属于高标号水泥，具备凝结时间快、强度高、硬度高、稳定性好、可塑性强等特性。试验所用水泥产自硕顺建材，其内控指标如表1所示。 2.1.2 骨料 本试验为保证生态混凝土的目标空隙率与植草性能需求，不采用细骨料，粗骨料为天然碎石，粒径分别为5～10mm、10～20mm、20～40mm，江苏扬州产。
2.1.3 试验用水 本试验人模拟污水为人工配置的高水平污水，以葡萄糖为碳源，氯化铵为氮源，磷酸二氢钾为磷源配置，其TP、TN和COD具体污染物浓度为5mg·L-1、40mg·L-1、300mg·L-1。
2.1.4 减水剂 试验采用万山化工生产的粉状萘系高效减水剂，减水率为18～28%。
2.1.5 CMC-Na CMC-Na全名羧甲基纤维素钠，CMC本身难溶于水，故本试验采用易溶于水的CMC-Na作为实验材料，本试验所用CMC-Na产自利盛源化工，为工业级高粘度CMC-Na。
2.2 试验设计 制备3种粒径、空隙率为25%的150mm×150mm×150mm的标准混凝土模块，装入混凝土培养箱中标准养护28d，养护完成后装入白色聚乙烯矩形塑料箱，塑料箱内注入20L模拟污水，试验共设置3组，每组净水系统设置3个重复，并设置无生态混凝土的空白对照组。
设置微型循环水泵进行动态过水试验，模拟实际中的水动力环境。为初步试验不同组合的骨料粒径与CMC掺量对富营养化污水的净化能力，试验设计以下3种组合的生态混凝土净水系统：系统1：5～10mm粒径碎石骨料与0.05%掺量CMC（简称A组）;系统2：10～20mm粒径碎石骨料与0.1%掺量CMC（简称B组）;系统1：20～40mm粒径碎石骨料与0.15%掺量CMC（简称C组）。
试验于浙江农林大学实验室内进行，试验周期共计30d。试验期间每隔5d进行1次采样，测定水样TP、TN和COD浓度。
2.3 水样分析 试验中TN按照《水和废水监测分析方法》（第三章）所规定的方法进行检测，TP、COD使用5B-6C多参数水质测定仪检测。
2.4 数据处理 采用Excel2019进行数据计算与表格制作，Origin8进行绘图，SPSS19.0进行数据统计分析。各污染物质去除率与表面去除负荷按下列公式计算：
[η（%）=Ci-CtCi×100] （1）
[λ=Ci-CtVT] （2）
式中：[η]为污染物去除率;Ci为实验开始时污染物的浓度;Ct为实验第t天时污染物的浓度;[λ]为污染物的去除负荷;V为处理水量（20L）;V′为生态混凝土体积（0.003375m2）;T为时间。
3 结果与分析
3.1 TP处理效果 生态混凝土对总磷的主要去除方式在于空隙对磷的吸附与过滤，其次通过多孔结构可以形成生物膜提高总磷去除率。水泥水化释放的Ca（OH）2能与水中磷酸盐形成羟基磷酸钙等沉淀，其化学反应也具备高效快速的除磷效果，小粒径混凝土pH一直保持高碱度状态，能持续释放Ca（OH）2，拥有更强的化学除磷能力。由图1可知，3种类型的生态混凝土净水系统中TP浓度及去除率变化趋势具备一致性，均表现为随着净化时间的延长，TP浓度逐渐降低，TP去除率逐渐增加，其主要去除阶段在于最初始的5d，在该时间段内各组TP去除量最高，5d累计去除量达83.89（A组）、39.89（B组）、20.85（C组）mg，至试验结束时（第30天），TP去除率可达98.23%（A组）、78.48%（B组）、57.76%（C组），多重比较分析发现（图2），3种净水系统在整个试验期间的TP表面去除负荷具备显著性差异，表现为A组的去除负荷0.919g·m-3·d-1显著高于B组的0.722g·m-3·d-1，同时B组显著高于C组的0.600g·m-3·d-1。
3.2 TN处理效果 在生态混凝土净化水质去除总氮的过程中，主要去除方式在于生态混凝土内部空隙对氮的吸附过滤的物理去除方式与生态混凝土表面形成生物膜，通过微生物进行脱氮的生物去除方式。物理去除方式在于生态混凝土内部具备大量细小的空隙与巨大的比表面积，可通过毛细作用将氮进行吸附。生物去除方式在于微生物脱氮，有机氮在微生物作用下氧化成氨氮，硝化菌在好氧条件下可将氨氮通过硝化作用氧化为硝态氮，再由反硝化菌在厌氧条件下进行反硝化作用转化为气态的氮气。由图3可知，3种净水系统中的TN浓度随着净化时间的延长逐渐降低，去除率逐渐增加，至试验结束时（第30天），3种净水系统去除率分别达到72.33%（A组）、74.64%（B组）和75.3%（C组）。3种净水系统总体去除率差异不大，但各时间段去除量存在差异，3种净水系统在第5天的5d累计去除量达到峰值，为252.4（A组）、158.8（B组）与201.2（C组）mg，但在总体净化效果上，B组与C组净水系统较为均衡。由图4可知，于整个试验周期而言（30d），3种净水系统均各自呈现出显著性差异，具体表现为C组5.949g·m-3·d-1，大于B组5.912g·m-3·d-1，大于A組5.756g·m-3·d-1。
3.3 COD处理效果 整个试验期间3种净水系统COD浓度及其去除率的变化如图5所示。由图5可知，3种净水系统在初始阶段呈现出良好的COD去除效果，在第10天后COD去除能力明显下降。试验第5天，3种净水系统的COD去除效率最高，5d累计去除量达到2.659（A组）、3.221（B组）、3.933（C组）g。至试验结束时，3种净水系统COD去除率分别达到88.98%（A组）、90.64（B组）和90.63（C组），表面去除负荷分别达到52.726g·m-3·d-1、53.710g·m-3·d-1和53.704g·m-3·d-1。
4 结论
（1）随着净化时间的延长，A、B、C3种净水系统TP、TN和COD的去除率均呈现出逐渐增加的趋势。至试验结束时（第30天），A、B、C3种净水系统的TP去除率分别为98.23%、78.48%、57.76%，TP去除率分别为72.33%、74.64%和75.3%，COD去除率分别为88.98%、90.64%和90.63%。
（2）3种净水系统各周之间污染物去除量存在较大波动，3种污染物均在第5天时出现峰值，3种净水系统5d累计去除量分别达到TP：83.89、39.89、20.85mg;TN：252.4、158.8、201.2mg;COD：2.659、3.221、3.933g。
（3）至试验结束时（第30天），A、B、C3种净水系统的TP表面去除负荷分别为0.919g·m-3·d-1、0.722g·m-3·d-1和0.600g·m-3·d-1;TN表面去除负荷分别为5.756g·m-3·d-1、5.912g·m-3·d-1和5.949g·m-3·d-1;COD表面去除负荷分别为52.726g·m-3·d-1、53.710g·m-3·d-1和53.704g·m-3·d-1。
参考文献
[1]杨艳.水利工程对生态系统的胁迫[J].南方农机，2018，49（22）：174.
[2]聂欣岩.干砌石护坡与混凝土护坡在堤防加固中的应用比较[J].中国水利，2006（16）：38-39.
[3]Mehta P K.Building durable structures in 21 stcentury[J].Concrete international，2001（3）：5-8.
[4]王海祥.浅析生态混凝土技术方法[J].建筑机械化，2018，39（4）：55-56.
[5]Yi Zhang，Hui Li，Ahmed Abdelhady，et al. Comparative laboratory measurement of pervious concrete permeability using constant-head and falling-head permeameter methods[J].Construction and Building Materials， 2020，263：120614.
[6]方一莉.羧甲基纤维素改性纳米零价铁协同微生物修复铬污染土壤[D].广州：华南理工大学，2018.
（责编：张宏民）
关键词：生态混凝土;粒径;CMC;污染去除效率
中图分类号 S18 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）19-0140-04
Study on Water Purification Effect of Ecological Concrete for Slope Protection of Farmland Ecological Ditches
LIANG Shijun et al.
（College of Environment and Resources， Zhejiang A & F University， Hangzhou 311300， China）
Abstract： The purification effect of three kinds of ecological concrete with different particle size and CMC dosage on eutrophication wastewater was studied by laboratory simulation test. The results show that， During the whole test period， group A（5-10mm gravel aggregate and 0.05% CMC）， group B（TP surface removal loads of 10-20mm gravel aggregate with 0.1% CMC and group C（20-40mm gravel aggregate with 0.15% CMC） were 0.919g·m-3·d-1， 0.722g·m-3·d-1 and 0.600g·m-3·d-1， respectively. TN surface removal loads were 5.756 g·m-3·d-1， 5.912g·m-3·d-1 and 5.949g·m-3·d-1， respectively. The surface removal loads of COD were 52.726 g·m-3·d-1， 53.710g·m-3·d-1 and 53.704 g·m-3·d-1， respectively. It shows that the capacity of ecological concrete to purify sewage is greatly affected by particle size and CMC content.
Key words： Ecological concrete; Particle size; CMC; Pollution removal efficiency
1 引言
生態护坡是为了解决传统护坡所造成的问题而提出的重要理念，结合工程力学、土壤学、生态学与植物学，满足工程性能的同时，保证环境与工程相容。生态护坡的核心在于将植物与工程材料相结合，在工程上减缓水流对坡面的侵蚀，防止边坡水土流失，确保边坡稳定，在生态上满足生态平衡需求，构建适合植物、鸟类、水生动物和微生物需要的生态圈，保留工程性，加强生态性，达到可持续发展的目的[1-3]。生态混凝土护坡因具备混凝土结构的强度、空隙可供微生物生长、具备污染吸附性能以及可在坡面种植植物等优势，充分满足了生态多样性、净化水质以及美化景观等需求，具备良好的发展前景。
生态混凝土因其内部的空隙结构也被称为多孔混凝土，较高的空隙率和较大的比表面积使其能够提供植物、微生物的生长空间以及具备良好的污染吸附能力，通过自身的吸附以及微生物的协同作用，起到改善水质的作用[4]。其主要影响因素在于所采用的骨料种类与所用骨料的粒径，不同粒径的骨料会影响生态混凝土的强度与孔隙度，进而影响到其工程性能与净水能力[5]。
CMC全称为羧甲基纤维素，在混凝土制备中，可作为增稠剂，改善水泥浆的粘聚性和保水性能提高水泥的抗离析性，增强混凝土后期强度。CMC形成的膜结构可以覆盖混凝土表面，减小混凝土在水中释碱对环境造成的冲击，增强混凝土常年在水中的耐久性，同时可以在固定微生物，为微生物提供营养物质，增强混凝土生物去除污染的能力[6]。
本研究在保证空隙率为25%的前提下，以3种不同粒径的碎石骨料（5～10mm、10～20mm和20～40mm）和3种不同浓度的CMC（0.05%、0.1%和0.15%）为试验材料，构建出3套生态混凝土净水系统，通过室内动态过水模拟试验，研究其对富营养化水体的净水效果，为河道、沟渠的生态护坡改造提供设计数据。
2 材料与方法
2.1 供试材料
2.1.1 水泥 采用国标普通硅酸盐P.O52.5水泥，属于高标号水泥，具备凝结时间快、强度高、硬度高、稳定性好、可塑性强等特性。试验所用水泥产自硕顺建材，其内控指标如表1所示。 2.1.2 骨料 本试验为保证生态混凝土的目标空隙率与植草性能需求，不采用细骨料，粗骨料为天然碎石，粒径分别为5～10mm、10～20mm、20～40mm，江苏扬州产。
2.1.3 试验用水 本试验人模拟污水为人工配置的高水平污水，以葡萄糖为碳源，氯化铵为氮源，磷酸二氢钾为磷源配置，其TP、TN和COD具体污染物浓度为5mg·L-1、40mg·L-1、300mg·L-1。
2.1.4 减水剂 试验采用万山化工生产的粉状萘系高效减水剂，减水率为18～28%。
2.1.5 CMC-Na CMC-Na全名羧甲基纤维素钠，CMC本身难溶于水，故本试验采用易溶于水的CMC-Na作为实验材料，本试验所用CMC-Na产自利盛源化工，为工业级高粘度CMC-Na。
2.2 试验设计 制备3种粒径、空隙率为25%的150mm×150mm×150mm的标准混凝土模块，装入混凝土培养箱中标准养护28d，养护完成后装入白色聚乙烯矩形塑料箱，塑料箱内注入20L模拟污水，试验共设置3组，每组净水系统设置3个重复，并设置无生态混凝土的空白对照组。
设置微型循环水泵进行动态过水试验，模拟实际中的水动力环境。为初步试验不同组合的骨料粒径与CMC掺量对富营养化污水的净化能力，试验设计以下3种组合的生态混凝土净水系统：系统1：5～10mm粒径碎石骨料与0.05%掺量CMC（简称A组）;系统2：10～20mm粒径碎石骨料与0.1%掺量CMC（简称B组）;系统1：20～40mm粒径碎石骨料与0.15%掺量CMC（简称C组）。
试验于浙江农林大学实验室内进行，试验周期共计30d。试验期间每隔5d进行1次采样，测定水样TP、TN和COD浓度。
2.3 水样分析 试验中TN按照《水和废水监测分析方法》（第三章）所规定的方法进行检测，TP、COD使用5B-6C多参数水质测定仪检测。
2.4 数据处理 采用Excel2019进行数据计算与表格制作，Origin8进行绘图，SPSS19.0进行数据统计分析。各污染物质去除率与表面去除负荷按下列公式计算：
[η（%）=Ci-CtCi×100] （1）
[λ=Ci-CtVT] （2）
式中：[η]为污染物去除率;Ci为实验开始时污染物的浓度;Ct为实验第t天时污染物的浓度;[λ]为污染物的去除负荷;V为处理水量（20L）;V′为生态混凝土体积（0.003375m2）;T为时间。
3 结果与分析
3.1 TP处理效果 生态混凝土对总磷的主要去除方式在于空隙对磷的吸附与过滤，其次通过多孔结构可以形成生物膜提高总磷去除率。水泥水化释放的Ca（OH）2能与水中磷酸盐形成羟基磷酸钙等沉淀，其化学反应也具备高效快速的除磷效果，小粒径混凝土pH一直保持高碱度状态，能持续释放Ca（OH）2，拥有更强的化学除磷能力。由图1可知，3种类型的生态混凝土净水系统中TP浓度及去除率变化趋势具备一致性，均表现为随着净化时间的延长，TP浓度逐渐降低，TP去除率逐渐增加，其主要去除阶段在于最初始的5d，在该时间段内各组TP去除量最高，5d累计去除量达83.89（A组）、39.89（B组）、20.85（C组）mg，至试验结束时（第30天），TP去除率可达98.23%（A组）、78.48%（B组）、57.76%（C组），多重比较分析发现（图2），3种净水系统在整个试验期间的TP表面去除负荷具备显著性差异，表现为A组的去除负荷0.919g·m-3·d-1显著高于B组的0.722g·m-3·d-1，同时B组显著高于C组的0.600g·m-3·d-1。
3.2 TN处理效果 在生态混凝土净化水质去除总氮的过程中，主要去除方式在于生态混凝土内部空隙对氮的吸附过滤的物理去除方式与生态混凝土表面形成生物膜，通过微生物进行脱氮的生物去除方式。物理去除方式在于生态混凝土内部具备大量细小的空隙与巨大的比表面积，可通过毛细作用将氮进行吸附。生物去除方式在于微生物脱氮，有机氮在微生物作用下氧化成氨氮，硝化菌在好氧条件下可将氨氮通过硝化作用氧化为硝态氮，再由反硝化菌在厌氧条件下进行反硝化作用转化为气态的氮气。由图3可知，3种净水系统中的TN浓度随着净化时间的延长逐渐降低，去除率逐渐增加，至试验结束时（第30天），3种净水系统去除率分别达到72.33%（A组）、74.64%（B组）和75.3%（C组）。3种净水系统总体去除率差异不大，但各时间段去除量存在差异，3种净水系统在第5天的5d累计去除量达到峰值，为252.4（A组）、158.8（B组）与201.2（C组）mg，但在总体净化效果上，B组与C组净水系统较为均衡。由图4可知，于整个试验周期而言（30d），3种净水系统均各自呈现出显著性差异，具体表现为C组5.949g·m-3·d-1，大于B组5.912g·m-3·d-1，大于A組5.756g·m-3·d-1。
3.3 COD处理效果 整个试验期间3种净水系统COD浓度及其去除率的变化如图5所示。由图5可知，3种净水系统在初始阶段呈现出良好的COD去除效果，在第10天后COD去除能力明显下降。试验第5天，3种净水系统的COD去除效率最高，5d累计去除量达到2.659（A组）、3.221（B组）、3.933（C组）g。至试验结束时，3种净水系统COD去除率分别达到88.98%（A组）、90.64（B组）和90.63（C组），表面去除负荷分别达到52.726g·m-3·d-1、53.710g·m-3·d-1和53.704g·m-3·d-1。
4 结论
（1）随着净化时间的延长，A、B、C3种净水系统TP、TN和COD的去除率均呈现出逐渐增加的趋势。至试验结束时（第30天），A、B、C3种净水系统的TP去除率分别为98.23%、78.48%、57.76%，TP去除率分别为72.33%、74.64%和75.3%，COD去除率分别为88.98%、90.64%和90.63%。
（2）3种净水系统各周之间污染物去除量存在较大波动，3种污染物均在第5天时出现峰值，3种净水系统5d累计去除量分别达到TP：83.89、39.89、20.85mg;TN：252.4、158.8、201.2mg;COD：2.659、3.221、3.933g。
（3）至试验结束时（第30天），A、B、C3种净水系统的TP表面去除负荷分别为0.919g·m-3·d-1、0.722g·m-3·d-1和0.600g·m-3·d-1;TN表面去除负荷分别为5.756g·m-3·d-1、5.912g·m-3·d-1和5.949g·m-3·d-1;COD表面去除负荷分别为52.726g·m-3·d-1、53.710g·m-3·d-1和53.704g·m-3·d-1。
参考文献
[1]杨艳.水利工程对生态系统的胁迫[J].南方农机，2018，49（22）：174.
[2]聂欣岩.干砌石护坡与混凝土护坡在堤防加固中的应用比较[J].中国水利，2006（16）：38-39.
[3]Mehta P K.Building durable structures in 21 stcentury[J].Concrete international，2001（3）：5-8.
[4]王海祥.浅析生态混凝土技术方法[J].建筑机械化，2018，39（4）：55-56.
[5]Yi Zhang，Hui Li，Ahmed Abdelhady，et al. Comparative laboratory measurement of pervious concrete permeability using constant-head and falling-head permeameter methods[J].Construction and Building Materials， 2020，263：120614.
[6]方一莉.羧甲基纤维素改性纳米零价铁协同微生物修复铬污染土壤[D].广州：华南理工大学，2018.
（责编：张宏民）