張 睿,徐得潛,陳 慧,李興彩

(1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,安徽合肥 230009;2.安徽省建筑設(shè)計研究院,安徽合肥 230001)

生態(tài)護(hù)坡材料的工程選擇與凈化水質(zhì)作用探討

張 睿1,徐得潛1,陳 慧1,李興彩2

(1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,安徽合肥 230009;2.安徽省建筑設(shè)計研究院,安徽合肥 230001)

邊坡防護(hù);生態(tài)護(hù)坡材料;堿度釋放;凈化水質(zhì);城市河道

生態(tài)護(hù)坡是基于城市河道生態(tài)功能提出的護(hù)坡形式,不同護(hù)坡材料與河流水體、岸坡土壤存在相互影響,通過浸水試驗分析了鋪砌的混凝土護(hù)坡材料堿度釋放對植物種植的影響,為材料的工程選擇提出了檢測指標(biāo)和處理方法。以 CODCr、TN、TP為檢測和分析指標(biāo),研究護(hù)坡材料的凈水性能,定性得出了生態(tài)護(hù)坡材料的凈化水體性能比傳統(tǒng)材料更好的結(jié)論。

生態(tài)護(hù)坡是基于城市河道生態(tài)功能提出的護(hù)坡形式。傳統(tǒng)的生態(tài)護(hù)坡材料主要有石料類和水泥砂漿、水泥混凝土類,具有強(qiáng)度高、抗沖刷性能好、耐磨性能好和耐久性好的特點,但對土質(zhì)和生物有影響,對水環(huán)境也有一定的影響。目前采用的生態(tài)護(hù)坡材料強(qiáng)調(diào)與植物的相容性,達(dá)到透氣、透水的目的?，F(xiàn)階段生態(tài)護(hù)坡材料主要有兩種形式:一種是異構(gòu)型普通混凝土,利用施工時相互嵌接形成的空隙填充土壤,以達(dá)到在材料上種植植物的目的;另一種是生物相容型多孔混凝土,分為孔洞型綠化混凝土、多孔連續(xù)型綠化混凝土和孔洞型多層結(jié)構(gòu)綠化混凝土等,具有孔隙率大、保水性和生態(tài)性好等特點[1-2]。護(hù)坡材料與河道水體和土壤直接接觸,為弄清護(hù)坡材料與水體及岸坡土壤交互影響的情況,筆者設(shè)計了試驗裝置和試驗方法,開展了短期試驗研究。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料有普通混凝土、生態(tài)綠化砌磚和無砂混凝土。為滿足試驗的要求,將各種材料做成混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊,規(guī)格有 15 cm×15 cm×15 cm和 10 cm×10 cm×10 cm兩種。

1.2 試驗方法

針對護(hù)坡材料與接觸水體、岸坡土壤的相互影響關(guān)系,設(shè)計了兩類試驗。

1.2.1 護(hù)坡材料與接觸水體、岸坡土壤接觸時的堿度釋放影響試驗

混凝土材料的基本組分是水泥,水化時會產(chǎn)生 Ca(OH)2,從而使混凝土呈強(qiáng)堿性,這種強(qiáng)堿性環(huán)境不利于岸坡植物和水生生物的生長,影響護(hù)坡材料的生態(tài)相容性。本項研究針對護(hù)坡材料與水體作用時堿度釋放情況用浸水pH測定法測定表示,與土壤作用時采用土壤pH浸提法測定表示。①浸水pH測定法。將混凝土試塊放入試驗水箱的清水中,使試塊逐漸浸入清水,排除試塊孔隙中的空氣,直至完全浸沒試塊,記錄浸水量和試塊體積。定時取水箱中的水樣,采用玻璃電極法測定浸出水樣的pH值隨時間變化情況(若無 pH儀,也可采用精密pH試紙測定浸出水樣的pH值)。②土壤pH浸提法。選擇地表 5 cm以下的黃泥土,均勻取樣并填充到生態(tài)混凝土異構(gòu)體試塊圓形設(shè)計中心種植槽中,分別取種植槽周邊的土壤和中心土壤,各稱取通過 2mm孔徑篩的風(fēng)干試樣 20g(精確至 0.1 g)于 50 m L燒杯中,加入已去除 CO2的水 20mL,用攪拌器攪拌 1min,使土粒充分分散,放置 30m in后進(jìn)行土壤pH值的測定,實物選取的樣品土壤位置見圖1。

圖1 異構(gòu)體浸提土壤位置圖

1.2.2 護(hù)坡材料對河流水質(zhì)的影響試驗

鋪砌護(hù)坡材料時堿度釋放對水體水質(zhì)會產(chǎn)生影響。堿性較大的護(hù)坡材料在初期使用過程中,會使水體的堿度稍有增加,能適當(dāng)提高河流的緩沖能力,但由于河水的流動,河水對護(hù)坡材料釋放的堿度有稀釋和中和作用,故而堿度釋放對河水pH值的影響很微弱,宏觀上不影響原河水的酸堿度。目前,國內(nèi)城市內(nèi)河都被不同程度污染,基本污染物主要是有機(jī)物和營養(yǎng)物氮和磷。筆者針對生態(tài)混凝土材料對水質(zhì)凈化的影響設(shè)計了試驗,試驗用水是某高校生活污水,設(shè)計試驗裝置如圖 2所示。該裝置采用動水循環(huán)法模擬天然河流的流動性,以階段性的 CODCr、TN、TP和吸光度 Abs等指標(biāo)值來反映各污染物凈化情況。

圖2 生態(tài)混凝土材料對水質(zhì)凈化影響試驗裝置

1.3 試驗器材和檢測項目

試驗器材主要有精密 pH儀、PVC水箱、循環(huán)潛水泵、普通分光光度計、751紫外分光光度計、COD消解設(shè)備、TN/TP微波消解儀等。檢測項目包括 pH值、CODCr、TN、TP、UVA。

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝土護(hù)坡材料對種植植物的影響

2.1.1 生態(tài)護(hù)坡材料堿度在水體中的釋放分析

根據(jù)設(shè)計試驗,采用浸水pH測定法得出水體的pH值,一定程度上可代表試塊的可釋放堿度值,而這個值決定著植物種類的選擇和種植成活率。根據(jù)試塊在水體中的堿度釋放值與水體和試塊體積的關(guān)系,由 pH值的定義,可以推導(dǎo)出如下公式來校正體積比的影響誤差,得出標(biāo)準(zhǔn)且有可比性的一組pH值。

式中:P1為浸水中的實測pH值;V1為試驗加入水的體積,L;V0為護(hù)坡材料體積,L;P浸水為校正后的 pH值。

對比P浸水,根據(jù)護(hù)坡混凝土的植物種植要求,為保證植物的成活率,應(yīng)對護(hù)坡混凝土材料進(jìn)行pH浸水試驗測試,根據(jù)測試結(jié)果選擇合適的植物種植或進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理。根據(jù) 3種混凝土堿度釋放的試驗結(jié)果,可以看出各混凝土材料的 pH值在 10.2～13.0之間變化。其中生態(tài)混凝土pH值較低(10.2),其他品種的pH值均超過 12.0;在無砂混凝土中,孔隙率越大的多孔無砂混凝土在浸水時堿度釋放速度越快。護(hù)坡材料浸水試驗后釋放堿性程度分類見表 1。

表1 護(hù)坡材料浸水后釋放堿性程度的分類

根據(jù)表 1,護(hù)坡材料進(jìn)行浸水試驗后的pH值超過弱堿性要求時,為保證種植植物的成活率,施工前應(yīng)對護(hù)坡材料進(jìn)行釋放堿度的浸水預(yù)處理操作等。

2.1.2 材料堿度滲入土壤的過程分析

如圖 1所示,土壤填充在試塊圓形區(qū)域內(nèi),選取有代表性的周邊土壤(與試塊直接接觸)和中心區(qū)域土壤(與試塊材料接觸距離最遠(yuǎn)),采用土壤pH浸提法研究材料堿度滲入土壤的過程。生態(tài)混凝土異構(gòu)體圓形區(qū)域周邊和中心土壤pH值變化趨勢見圖 3。

圖3 材料堿度滲入對土壤 pH值的影響

試驗前期,測定要填充的土壤試樣pH初值為 7.3。在試驗過程中,兩者的 pH值均呈上升趨勢,但增長速率存在差別:周邊土壤因直接接觸混凝土試塊,在接觸的一小段時間內(nèi)堿度迅速增大,pH值達(dá)到 7.68,而后進(jìn)入一個相對緩慢的增長過程,其增長的快慢程度主要受混凝土試塊種類和物理特性的影響;中心區(qū)域土壤在最初pH值增長緩慢,由于土壤、試塊和水三者形成系統(tǒng),試塊釋放的堿性溶于水,再逐步把堿性傳遞給中心區(qū)域土壤,表現(xiàn)為梯度變化的趨勢。因此,中心區(qū)域的土壤pH值是由低到高上升的過程,間接受到試塊堿度釋放的影響,并較周邊土壤具有一定的 pH值變化滯后性。最終,周邊及中心土壤 pH值會達(dá)到一個近似平衡值,這個值比周邊土壤最大 pH浸提值往往要小,此時的pH值約為 7.8,即混凝土試塊堿度釋放對周邊土壤影響的最終值。

2.2 混凝土護(hù)坡材料對水質(zhì)改善的影響

試驗選擇河道基本污染物指標(biāo) CODCr、TN、TP作為衡量各種材料凈水性能的指標(biāo),另外選擇吸光度 Abs作為綜合影響的參照性指標(biāo)[3]。試驗裝置采用 450mm×350mm×300mm聚乙烯試驗水箱 6個,其中 5個水箱分別放入有代表性的不同品種混凝土護(hù)坡試塊,1號水箱作為空白對照試驗水箱不放試塊。本次試驗 2號水箱中放入 15 cm×15 cm×15 cm的普通混凝土試塊;3號水箱中放入 10 cm×10 cm×10 cm的生態(tài)混凝土試塊;4號水箱中放入生態(tài)混凝土異構(gòu)體試塊;5號水箱中放入 10 cm×10 cm×10 cm的無砂大骨?；炷猎噳K(粒徑 16～20 mm);6號水箱中放入10 cm×10 cm×10 cm的無砂小骨?；炷猎噳K(粒徑 10～15mm)。

循環(huán)水樣采用學(xué)校附近排水溝內(nèi)的混合生活污水,原生活污水的 CODCr為 189～240mg/L,TN為 39.0 mg/L,TP為 2.78 mg/L。鑒于原水中TN和 TP濃度不高,以 CODCr為主要指標(biāo)分析凈水性能,各水箱中的 CODCr變化趨勢見圖 4。

圖4 各水箱中的 CODCr變化趨勢

由圖 4分析,原水取自生活污水,水體本身含有一定量的微生物,在 1號空白水箱中體現(xiàn)出自然水體微生物凈化水質(zhì)的過程:微生物在初期經(jīng)歷對數(shù)生長期,CODCr降解速度快,而后經(jīng)歷穩(wěn)定期和衰亡期,CODCr降解速度變緩,隨著水中微生物因為貧營養(yǎng)和種群淘汰而死亡,CODCr降解速度出現(xiàn)波動。隨同生物作用,混凝土組成材料中的水泥在水化過程中,以及混凝土浸泡在水中時,會不斷地釋放Ca(OH)2,當(dāng)溶出的Ca(OH)2的量達(dá)到生態(tài)混凝土總量的0.5%時,會有一定的凈水功能,且在生態(tài)混凝土中緩慢釋放的鋁離子在水中形成的氫氧化鋁膠體也會包裹河水中的懸浮物質(zhì)共同沉淀,從而達(dá)到凈水的目的[4]。根據(jù)試驗結(jié)果,2—6號水箱中,初期 CODCr均有一個明顯的下降過程,證明混凝土材料在初期有一定的吸附水體污染物的作用。對比 5號、6號水箱與 3號、4號水箱可得:吸附作用的大小與混凝土比表面積大小成正比,混凝土內(nèi)部孔隙率的大小及其孔隙分布情況會導(dǎo)致吸附能力的差異,孔隙率大,比表面積大,則吸附作用較大。

由圖 4看出,后期裝有混凝土試塊的水箱中,CODCr值比 1號水箱小,經(jīng)過前期不同試塊達(dá)到表面吸附平衡后,可以推斷混凝土試塊孔隙的存在為微生物的附著生長提供了很好的場所,有助于加快微生物增長速度,提高種群數(shù)量。生態(tài)混凝土一般較普通混凝土孔隙率大,孔隙連通性好,基于本身的特性從而存在更好的生物凈化作用。綜上,生態(tài)護(hù)坡混凝土材料對水質(zhì)有一定的凈化作用,而不同的混凝土種類凈化水質(zhì)的作用大小和機(jī)理也不盡相同,與普通混凝土相比,生態(tài)多孔混凝土材料的環(huán)境價值更高。

3 結(jié) 論

普通混凝土與生態(tài)混凝土在結(jié)構(gòu)上的不同決定了各自在工程上的應(yīng)用范圍,前者比較密實,在工程上承受壓力大;后者孔隙率大、透水性好,作為河道生態(tài)護(hù)岸的護(hù)砌材料在滿足力學(xué)性能要求的條件下有著良好的生態(tài)性能。

生態(tài)混凝土材料作為水泥制品,出廠后堿度很大,對種植植物有很大影響。工程上應(yīng)用時需要根據(jù)混凝土材料的種類有選擇地種植植物,若有特殊需要則應(yīng)對試塊進(jìn)行堿度釋放的預(yù)處理。一般預(yù)處理前以浸水pH法得出試塊樣品達(dá)到最終pH值時的堿度釋放時間,根據(jù)釋放時間成批處理試塊,當(dāng)浸水時間大于釋放時間后可認(rèn)為堿度釋放基本完畢,此時護(hù)坡試塊可安全用于種植相應(yīng)植物的生態(tài)護(hù)岸工程。

生態(tài)混凝土材料作為河道護(hù)岸工程的新型材料,較大的孔隙率和比表面積使其具有更強(qiáng)的容污能力,并能為微生物提供更大的聚集場所,因此具有比傳統(tǒng)混凝土材料更好的凈水性能。采用生態(tài)混凝土鋪砌河道護(hù)坡工程,在保證護(hù)坡工程本身質(zhì)量和安全的前提下,能夠很好地達(dá)到工程與環(huán)境的和諧統(tǒng)一[5]。

[1]羅楠.生態(tài)護(hù)坡在河道治污工程中的應(yīng)用[J].中國水土保持,2006(6):32-33.

[2]陳楊輝,吳義鋒,呂錫武.生態(tài)混凝土在河道護(hù)坡中的應(yīng)用[J].中國水土保持,2007(6):42-43.

[3]吳義鋒,呂錫武.生態(tài)混凝土介質(zhì)預(yù)處理富營養(yǎng)化源水[J].凈水技術(shù),2007,26(4):17-20.

[4]陳志山.生態(tài)混凝土的凈水機(jī)理和存在問題[J].給水排水,2001,27(3):40-41.

[5]馮婷,賈亞軍.生態(tài)護(hù)坡技術(shù)在城市河道整治中的應(yīng)用[J].中國給水排水,2008,24(20):58-60.

S157;TV 861

A

1000-0941(2011)05-0062-03

張睿 (1986—),男,山東濰坊市人,在讀碩士,研究方向為城市給水排水工程與技術(shù)。

2010-09-10

(責(zé)任編輯 孫占鋒)