生态混凝土净水新技术

陈志山　　　　　　　　　　　　　　　 陈荷生
(同济大学材料科学与工程学院， 上海 200092)　 (太湖流域水资源保护局， 上海 200434)

　　摘要 介绍了用生态混凝土综合物理、化学、物理化学以及生化作用，多层次多反复地降解和消除污染物质的污水处理方法。采用侧滤，首先对污水进行预处理，去除固体悬浮物质后，再经过推流式生态混凝土水处理装置，达到污水净化的目的；另外，通过在生态混凝土中掺加缓释性净水材料，提高了生态混凝土的净水效果和耐久性。
　　关键词 生态混凝土　 污水净化　 侧滤 推流　 缓释性

1 前言

　　生态混凝土是一类特种混凝土，具有特殊的结构与表面特性，能减少环境负荷，与生态环境相协调，并能为环保作出贡献^[1]。目前研究开发的生态混凝土的功能有污水处理、降低噪音、防菌杀菌、吸收去除NO_x，阻挡电磁波以及植草固砂等。国外应用于污水处理的生态混凝土通常为大孔混凝土(Porous Concrete)。由于在混凝土内具有大量的连通孔，因此透水性好，并可通过其物理、化学、物理化学以及生化作用来净化污水。

2 需要研究的课题

　　生态混凝土污水处理技术国外曾在实验室研究多年，至今没有取得实质性应用效果，笔者认为其原因主要是没有完全解决下列关键问题：
2.1 避免污水中固体物质堵塞 混凝土孔隙，保持净水能力。
　　笔者曾将生态混凝土试块悬挂在同济大学校内池塘水中，1个月后，大部分孔隙已被污泥堵塞。但是也有人认为孔隙内的污泥可以成为水生植物根系的营养源，依靠水生植物来减少水中的氮、磷含量，降低富营养化程度。
2.2 研究实际工程应用方法
　　日本长崎大学于1994年起进行近海现场试验，将直径1m高0.5m的有孔试块10个一组地投入海中，并于1995年2月至1996年2月每月实测一次直径17cm预留孔内与试块外水质的变化，发现生态混凝土有富集营养物质的功能^{[ 2]}。日本大成建设(株)技术研究所是制成中空构造的大孔混凝土圆球，用针筒抽取圆球内的水与圆球外的水作比较^{[ 3]}。这些方法检测的结果离散性都很大，分析结果也比较勉强。
2.3 提高生态混凝土污水处理的有效寿命 。
　　水泥混凝土在水中会不断溶出Ca(OH)₂， 文献报道大孔混凝土泡在海水中18h， 溶出Ca(OH)₂达到大孔混凝土总重量的0.5%^[4]。Ca(OH)₂的大量溶出会导致水泥水化产物的分解，严重影响了混凝土的耐久性。另一方面，污水中的微生物也会造成混凝土的腐蚀，例如研究较多的硫酸盐还原菌和硫氧化菌会使混凝土石膏化，从而失去强度。
　　因此，提高生态混凝土的耐久性，提高生态混凝土污水处理的有效寿命也是需要解决的关键问题。

3 试验研究

3.1 侧滤
　　过滤和沉淀都是水处理常用的有效手段。滤池工作一段时间后，滤料空隙被污物充塞，过滤情况变差，就必须进行反冲洗，即反向高压供水冲洗滤料，排除滤料间的污物后重新恢复过滤工作。
　　笔者研制了一种沉淀、过滤、曝气三合一的处理装置，在沉淀的同时进行过滤和曝气。(专利号 ZL 99 2 26559.2 )

　

　　仅仅依靠重力产生的沉淀过程需要一定高度和时间，并且沉淀时间长，造成沉淀池体积庞大，效率较低。通常的过滤除需要相当厚度的滤料外，由于水流方向与重力一致，使用一定时间后固体物质堆积在滤料上影响过滤的继续进行，所以需要进行反冲清洗。三合一处理(侧滤)装置水流方向与重力成一定角度，水流从侧面滤出，固体物质不容易在滤料上堆积而影响过滤的继续进行，并且出水以水滴或水膜的形式滤出，与空气有充分的接触，从而达到曝气的效果^{[ 5]}。侧滤可采用不锈钢丝网或尼龙丝网，根据污水情况，网孔为100至300目。
3.2 推流式生态混凝土水处理装置
　　笔者根据生态混凝土的特点，设计了一种推流式生物滤池。(专利号 ZL 99 2 26703.X )。装置如图2所示：

　　由砖、混凝土、工程塑料等材料制成的矩形水池，在池中安置了生态混凝土制成的滤料，生态混凝土可以是现场浇捣，也可以预先制造成块体堆放在水池内。
　　生态混凝土可以是实心的，也可以具有圆孔、方孔等预留孔，预留孔的方向可以是水平的也可以是垂直的。生态混凝土的厚度一般为5～10cm，在生态混凝土中积存的污物会随水流排入预留孔。在水池的出水端建有稍低于池壁的溢流坝，也可以在出水端将池壁建造得低一些，直接充当溢流坝。推流式生物滤池不专门设置布水系统和排水系统。
　　当污水通过污水泵等进入生态混凝土生物滤池的一端时，以推流的方式通过生态混凝土滤层，最后在溢流坝上溢出。依靠在生态混凝土上发生的化学、物理、物理化学及逐渐形成的生物膜的生物化学作用，清除和降解污染物质，达到净水的目的。
3.3 生态混凝土的研制
　　国外将普通的大孔混凝土作为污水处理的生态混凝土，虽然有效果，但普通大孔混凝土的净水效果还不够理想。另一方面，投放化学药剂是污水处理常用的应急方法，效果显著但作用时间短暂，且投放量较难控制，过量还会造成新的污染。采用材料科学的方法制备缓释性净水材料可以解决这个问题。通过缓慢释放的化学净水药剂的化学反应和离子交换来净化污水，可以在相当长的时间里发挥作用。并且缓释性净水材料完全溶解后留下的微孔扩大了混凝土的比表面积，可以成为微生物的载体，继续依靠生物化学作用来净化污水，提高了处理效果。
　　普通的大孔混凝土在流动水中由于钙离子大量流失，使水泥水化产物分解，造成强度降低，很快失去胶凝作用。采用增加镁、铝离子的方法可以阻缓钙离子的溶出。并且镁、铝离子也可以发挥净水作用。
　　另外，有机污染物质在富氧和缺氧的情况下都会产生酸性物质，所以混凝土的耐久性受到影响。掺加了特制的添加剂，形成新的水泥水化产物，可以有效地改善混凝土的耐久性。把生态混凝土试块和普通大孔混凝土试块分别浸泡在稀硫酸溶液中(0.2～0.7 %)，100天和1年后测定的抗压强度结果如表2所示。

表 1　 耐久性试验
Table 1　 Durability Test　　　　　　MPa 自然养护 浸泡100天 浸泡1年 普通大孔混凝土 3.67 2.74 1.81 生态混凝土 3.41 4.19 3.72

　　初步试验的结果表明，我们配制的生态混凝土具有较强的耐酸性。所以，生态混凝土净水装置可以有较长的设计使用寿命。
3.4 现场试验
　　为了实地验证生态混凝土的水处理效果，考察生态混凝土在连续供水条件下的污水处理情况，在上海市虹口区的南泗塘河段，直接在河道边进行现场试验，设计规模为10 m³/h河水，占地面积约100 m²(58 m×1.7 m)。从1999年12月14日起，每天连续供水处理8 h以上，一个月后的检测结果如表2所示。

表2 水质检测结果 ¹⁾
Table 2　 Analytic results of water samples (scene treatment) mg/L 水样 时 间 SS COD_MN COD_Cr BOD₅ TP TN NH₃-N 原水
18 ^# 2000.01.14 175 28.2 143 34.4 1.80 20.9 14.3 处理
XC 2000.01.14 2 12.1 63.9 6.09 0.395 15.7 12.1 处理
18 ^# 2000.01.14 2 10.8 60.0 3.81 0.134 12.6 7.24

　　注：1)水样由水利部太湖流域水环境监测中心测试；实验室试验装置累计18个月。表中原水18 ^#为南泗塘的河水，处理XC为现场处理，处理18 ^# 为实验室试验装置处理的结果。

　　因为南泗塘河段整治，2000年8月河边的生态混凝土污水处理装置必须拆除。为了使生态混凝土污水处理技术的研究继续进行下去，所以在上海松江区佘山镇另外建造生态混凝土生活污水处理站，设计处理水量也是每小时10立方米。从2001年3月起，每天抽取佘山镇的生活污水进入处理装置进行净水处理。运行半年后请松江区环境监测站进行净水处理前后的水质检测，结果如下：
　　水质检测结果表明：净水装置对生活污水各项污染指标的去除率都在70 % 以上。除悬浮物数据处于指标上限外，均可以达到城市污水处理厂二级处理后的排放水质标准。并且生态混凝土净水技术的除磷效果较好，可以改变水体的氮磷比，为改善天然水域的富营养化发挥作用。

表3　 水质检测结果
Table 3　 Analytic results of water samples (scene treatment)　 mg / L 采样 处理前 排放口

时间

项目

2001年9月17日 2001年9月17日 9:30 10:00 10:30 11:00 9:30 10:00 10:30 11:00 SS 117 126 123 111 32 32 30 28 COD_Cr 265 316 273 281 68 71 74 70 BOD₅ 70.8 73.6 72.9 73.2 18.3 18.0 18.0 17.5 NH₃-N 2.84 2.69 2.92 2.78 0.86 0.78 0.98 0.84 TP 2.20 2.21 2.45 2.36 0.86 0.73 0.67 0.70 TN 35.43 37.81 32.45 36.22 10.01 8.78 9.57 8.18

4 结语

　　通过试验研究，发现用材料科学的方法来改善水质，赋予了混凝土材料新的功能，也为污水处理和解决天然水域的富营养化问题提供了新的技术途径。
　　生态混凝土污水处理技术有下列特点：大幅度降低投资, 采用生态混凝土净水技术建设直接费用仅为传统活性污泥法二级处理的二分之一左右；日常运转及维护费低，仅为传统二级处理的三分之一左右；规模大小比较灵活，建设场地的适应性强，并且可以设计成地埋式，同时在水处理装置上面进行绿化，达到环境综合治理的效果。
　　经过深度处理的污水还可能成为“回用水”，用于冲厕、洗车、绿化浇地等用途。邯郸市亚太世纪花园住宅小区采用生态混凝土污水处理技术来建设小区污水处理站，日处理生活污水800立方米，污水处理站从2001年5月开始施工，到10月基本建成，11月开始蓄水调试。并且处理后作为“回用水”在小区内试点使用，现在随着居民的开始入住，污水处理站开始逐步正常工作。

参考文献
　　1 水口裕之. エココンクリートとは.　コンクリート工学. 1998 (3):9 ー12
　　2 石桥康弘. 临海域にぉける多孔質コンクリートの水質净化機能. 无機マテリアル.1997(4):212-222
　　3 金子文夫. エココンクリートによゐ水质净化. コンクリート工学. 1998(3): 46 ー 48
　　4 玉井元治. まぶしコンクリートの海中における性质と水质净化の可能性.
　　　　　　　　セメント·コンクリート论文集. 1992 No46: 880 ー 885
　　5 陈志山. 侧滤及其在污水处理中的应用. 给水排水. 1999 (11)

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* 国家自然科学基金项目 (50078039)