陳志山　　　　　　　　　　　　　　　 陳荷生
(同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 200092)　 (太湖流域水資源保護(hù)局， 上海 200434)

　　摘要 介紹了用生態(tài)混凝土綜合物理、化學(xué)、物理化學(xué)以及生化作用，多層次多反復(fù)地降解和消除污染物質(zhì)的污水處理方法。采用側(cè)濾，首先對污水進(jìn)行預(yù)處理，去除固體懸浮物質(zhì)后，再經(jīng)過推流式生態(tài)混凝土水處理裝置，達(dá)到污水凈化的目的；另外，通過在生態(tài)混凝土中摻加緩釋性凈水材料，提高了生態(tài)混凝土的凈水效果和耐久性。
　　關(guān)鍵詞 生態(tài)混凝土　 污水凈化　 側(cè)濾 推流　 緩釋性

1 前言

　　生態(tài)混凝土是一類特種混凝土，具有特殊的結(jié)構(gòu)與表面特性，能減少環(huán)境負(fù)荷，與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)，并能為環(huán)保作出貢獻(xiàn)^[1]。目前研究開發(fā)的生態(tài)混凝土的功能有污水處理、降低噪音、防菌殺菌、吸收去除NO_x，阻擋電磁波以及植草固砂等。國外應(yīng)用于污水處理的生態(tài)混凝土通常為大孔混凝土(Porous Concrete)。由于在混凝土內(nèi)具有大量的連通孔，因此透水性好，并可通過其物理、化學(xué)、物理化學(xué)以及生化作用來凈化污水。

2 需要研究的課題

　　生態(tài)混凝土污水處理技術(shù)國外曾在實(shí)驗(yàn)室研究多年，至今沒有取得實(shí)質(zhì)性應(yīng)用效果，筆者認(rèn)為其原因主要是沒有完全解決下列關(guān)鍵問題：
2.1 避免污水中固體物質(zhì)堵塞 混凝土孔隙，保持凈水能力。
　　筆者曾將生態(tài)混凝土試塊懸掛在同濟(jì)大學(xué)校內(nèi)池塘水中，1個(gè)月后，大部分孔隙已被污泥堵塞。但是也有人認(rèn)為孔隙內(nèi)的污泥可以成為水生植物根系的營養(yǎng)源，依靠水生植物來減少水中的氮、磷含量，降低富營養(yǎng)化程度。
2.2 研究實(shí)際工程應(yīng)用方法
　　日本長崎大學(xué)于1994年起進(jìn)行近?，F(xiàn)場試驗(yàn)，將直徑1m高0.5m的有孔試塊10個(gè)一組地投入海中，并于1995年2月至1996年2月每月實(shí)測一次直徑17cm預(yù)留孔內(nèi)與試塊外水質(zhì)的變化，發(fā)現(xiàn)生態(tài)混凝土有富集營養(yǎng)物質(zhì)的功能^{[ 2]}。日本大成建設(shè)(株)技術(shù)研究所是制成中空構(gòu)造的大孔混凝土圓球，用針筒抽取圓球內(nèi)的水與圓球外的水作比較^{[ 3]}。這些方法檢測的結(jié)果離散性都很大，分析結(jié)果也比較勉強(qiáng)。
2.3 提高生態(tài)混凝土污水處理的有效壽命 。
　　水泥混凝土在水中會(huì)不斷溶出Ca(OH)₂， 文獻(xiàn)報(bào)道大孔混凝土泡在海水中18h， 溶出Ca(OH)₂達(dá)到大孔混凝土總重量的0.5%^[4]。Ca(OH)₂的大量溶出會(huì)導(dǎo)致水泥水化產(chǎn)物的分解，嚴(yán)重影響了混凝土的耐久性。另一方面，污水中的微生物也會(huì)造成混凝土的腐蝕，例如研究較多的硫酸鹽還原菌和硫氧化菌會(huì)使混凝土石膏化，從而失去強(qiáng)度。
　　因此，提高生態(tài)混凝土的耐久性，提高生態(tài)混凝土污水處理的有效壽命也是需要解決的關(guān)鍵問題。

3 試驗(yàn)研究

3.1 側(cè)濾
　　過濾和沉淀都是水處理常用的有效手段。濾池工作一段時(shí)間后，濾料空隙被污物充塞，過濾情況變差，就必須進(jìn)行反沖洗，即反向高壓供水沖洗濾料，排除濾料間的污物后重新恢復(fù)過濾工作。
　　筆者研制了一種沉淀、過濾、曝氣三合一的處理裝置，在沉淀的同時(shí)進(jìn)行過濾和曝氣。(專利號(hào) ZL 99 2 26559.2 )

　

　　僅僅依靠重力產(chǎn)生的沉淀過程需要一定高度和時(shí)間，并且沉淀時(shí)間長，造成沉淀池體積龐大，效率較低。通常的過濾除需要相當(dāng)厚度的濾料外，由于水流方向與重力一致，使用一定時(shí)間后固體物質(zhì)堆積在濾料上影響過濾的繼續(xù)進(jìn)行，所以需要進(jìn)行反沖清洗。三合一處理(側(cè)濾)裝置水流方向與重力成一定角度，水流從側(cè)面濾出，固體物質(zhì)不容易在濾料上堆積而影響過濾的繼續(xù)進(jìn)行，并且出水以水滴或水膜的形式濾出，與空氣有充分的接觸，從而達(dá)到曝氣的效果^{[ 5]}。側(cè)濾可采用不銹鋼絲網(wǎng)或尼龍絲網(wǎng)，根據(jù)污水情況，網(wǎng)孔為100至300目。
3.2 推流式生態(tài)混凝土水處理裝置
　　筆者根據(jù)生態(tài)混凝土的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種推流式生物濾池。(專利號(hào) ZL 99 2 26703.X )。裝置如圖2所示：

　　由磚、混凝土、工程塑料等材料制成的矩形水池，在池中安置了生態(tài)混凝土制成的濾料，生態(tài)混凝土可以是現(xiàn)場澆搗，也可以預(yù)先制造成塊體堆放在水池內(nèi)。
　　生態(tài)混凝土可以是實(shí)心的，也可以具有圓孔、方孔等預(yù)留孔，預(yù)留孔的方向可以是水平的也可以是垂直的。生態(tài)混凝土的厚度一般為5～10cm，在生態(tài)混凝土中積存的污物會(huì)隨水流排入預(yù)留孔。在水池的出水端建有稍低于池壁的溢流壩，也可以在出水端將池壁建造得低一些，直接充當(dāng)溢流壩。推流式生物濾池不專門設(shè)置布水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)。
　　當(dāng)污水通過污水泵等進(jìn)入生態(tài)混凝土生物濾池的一端時(shí)，以推流的方式通過生態(tài)混凝土濾層，最后在溢流壩上溢出。依靠在生態(tài)混凝土上發(fā)生的化學(xué)、物理、物理化學(xué)及逐漸形成的生物膜的生物化學(xué)作用，清除和降解污染物質(zhì)，達(dá)到凈水的目的。
3.3 生態(tài)混凝土的研制
　　國外將普通的大孔混凝土作為污水處理的生態(tài)混凝土，雖然有效果，但普通大孔混凝土的凈水效果還不夠理想。另一方面，投放化學(xué)藥劑是污水處理常用的應(yīng)急方法，效果顯著但作用時(shí)間短暫，且投放量較難控制，過量還會(huì)造成新的污染。采用材料科學(xué)的方法制備緩釋性凈水材料可以解決這個(gè)問題。通過緩慢釋放的化學(xué)凈水藥劑的化學(xué)反應(yīng)和離子交換來凈化污水，可以在相當(dāng)長的時(shí)間里發(fā)揮作用。并且緩釋性凈水材料完全溶解后留下的微孔擴(kuò)大了混凝土的比表面積，可以成為微生物的載體，繼續(xù)依靠生物化學(xué)作用來凈化污水，提高了處理效果。
　　普通的大孔混凝土在流動(dòng)水中由于鈣離子大量流失，使水泥水化產(chǎn)物分解，造成強(qiáng)度降低，很快失去膠凝作用。采用增加鎂、鋁離子的方法可以阻緩鈣離子的溶出。并且鎂、鋁離子也可以發(fā)揮凈水作用。
　　另外，有機(jī)污染物質(zhì)在富氧和缺氧的情況下都會(huì)產(chǎn)生酸性物質(zhì)，所以混凝土的耐久性受到影響。摻加了特制的添加劑，形成新的水泥水化產(chǎn)物，可以有效地改善混凝土的耐久性。把生態(tài)混凝土試塊和普通大孔混凝土試塊分別浸泡在稀硫酸溶液中(0.2～0.7 %)，100天和1年后測定的抗壓強(qiáng)度結(jié)果如表2所示。

表 1　 耐久性試驗(yàn)
Table 1　 Durability Test　　　　　　MPa 自然養(yǎng)護(hù) 浸泡100天 浸泡1年 普通大孔混凝土 3.67 2.74 1.81 生態(tài)混凝土 3.41 4.19 3.72

　　初步試驗(yàn)的結(jié)果表明，我們配制的生態(tài)混凝土具有較強(qiáng)的耐酸性。所以，生態(tài)混凝土凈水裝置可以有較長的設(shè)計(jì)使用壽命。
3.4 現(xiàn)場試驗(yàn)
　　為了實(shí)地驗(yàn)證生態(tài)混凝土的水處理效果，考察生態(tài)混凝土在連續(xù)供水條件下的污水處理情況，在上海市虹口區(qū)的南泗塘河段，直接在河道邊進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，設(shè)計(jì)規(guī)模為10 m³/h河水，占地面積約100 m²(58 m×1.7 m)。從1999年12月14日起，每天連續(xù)供水處理8 h以上，一個(gè)月后的檢測結(jié)果如表2所示。

表2 水質(zhì)檢測結(jié)果 ¹⁾
Table 2　 Analytic results of water samples (scene treatment) mg/L 水樣 時(shí) 間 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 處理
XC 2000.01.14 2 12.1 63.9 6.09 0.395 15.7 12.1 處理
18 ^# 2000.01.14 2 10.8 60.0 3.81 0.134 12.6 7.24

　　注：1)水樣由水利部太湖流域水環(huán)境監(jiān)測中心測試；實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)裝置累計(jì)18個(gè)月。表中原水18 ^#為南泗塘的河水，處理XC為現(xiàn)場處理，處理18 ^# 為實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)裝置處理的結(jié)果。

　　因?yàn)槟香籼梁佣握危?000年8月河邊的生態(tài)混凝土污水處理裝置必須拆除。為了使生態(tài)混凝土污水處理技術(shù)的研究繼續(xù)進(jìn)行下去，所以在上海松江區(qū)佘山鎮(zhèn)另外建造生態(tài)混凝土生活污水處理站，設(shè)計(jì)處理水量也是每小時(shí)10立方米。從2001年3月起，每天抽取佘山鎮(zhèn)的生活污水進(jìn)入處理裝置進(jìn)行凈水處理。運(yùn)行半年后請松江區(qū)環(huán)境監(jiān)測站進(jìn)行凈水處理前后的水質(zhì)檢測，結(jié)果如下：
　　水質(zhì)檢測結(jié)果表明：凈水裝置對生活污水各項(xiàng)污染指標(biāo)的去除率都在70 % 以上。除懸浮物數(shù)據(jù)處于指標(biāo)上限外，均可以達(dá)到城市污水處理廠二級處理后的排放水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。并且生態(tài)混凝土凈水技術(shù)的除磷效果較好，可以改變水體的氮磷比，為改善天然水域的富營養(yǎng)化發(fā)揮作用。

表3　 水質(zhì)檢測結(jié)果
Table 3　 Analytic results of water samples (scene treatment)　 mg / L 采樣 處理前 排放口

時(shí)間

項(xiàng)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 結(jié)語

　　通過試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)用材料科學(xué)的方法來改善水質(zhì)，賦予了混凝土材料新的功能，也為污水處理和解決天然水域的富營養(yǎng)化問題提供了新的技術(shù)途徑。
　　生態(tài)混凝土污水處理技術(shù)有下列特點(diǎn)：大幅度降低投資, 采用生態(tài)混凝土凈水技術(shù)建設(shè)直接費(fèi)用僅為傳統(tǒng)活性污泥法二級處理的二分之一左右；日常運(yùn)轉(zhuǎn)及維護(hù)費(fèi)低，僅為傳統(tǒng)二級處理的三分之一左右；規(guī)模大小比較靈活，建設(shè)場地的適應(yīng)性強(qiáng)，并且可以設(shè)計(jì)成地埋式，同時(shí)在水處理裝置上面進(jìn)行綠化，達(dá)到環(huán)境綜合治理的效果。
　　經(jīng)過深度處理的污水還可能成為“回用水”，用于沖廁、洗車、綠化澆地等用途。邯鄲市亞太世紀(jì)花園住宅小區(qū)采用生態(tài)混凝土污水處理技術(shù)來建設(shè)小區(qū)污水處理站，日處理生活污水800立方米，污水處理站從2001年5月開始施工，到10月基本建成，11月開始蓄水調(diào)試。并且處理后作為“回用水”在小區(qū)內(nèi)試點(diǎn)使用，現(xiàn)在隨著居民的開始入住，污水處理站開始逐步正常工作。

參考文獻(xiàn)
　　1 水口裕之. エココンクリートとは.　コンクリート工學(xué). 1998 (3):9 ー12
　　2 石橋康弘. 臨海域にぉける多孔質(zhì)コンクリートの水質(zhì)凈化機(jī)能. 無機(jī)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質(zhì)凈化. コンクリート工學(xué). 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質(zhì)と水質(zhì)凈化の可能性.
　　　　　　　　セメント·コンクリート論文集. 1992 No46: 880 ー 885
　　5 陳志山. 側(cè)濾及其在污水處理中的應(yīng)用. 給水排水. 1999 (11)

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* 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (50078039)