陳志山　　　　　　　　　　　　　　　 陳荷生
(同濟大學材料科學與工程學院， 上海 200092)　 (太湖流域水資源保護局， 上海 200434)

　　摘要 介紹了用生態混凝土綜合物理、化學、物理化學以及生化作用，多層次多反復地降解和消除污染物質的污水處理方法。采用側濾，首先對污水進行預處理，去除固體懸浮物質后，再經過推流式生態混凝土水處理裝置，達到污水凈化的目的；另外，通過在生態混凝土中摻加緩釋性凈水材料，提高了生態混凝土的凈水效果和耐久性。
　　關鍵詞 生態混凝土　 污水凈化　 側濾 推流　 緩釋性

1 前言

　　生態混凝土是一類特種混凝土，具有特殊的結構與表面特性，能減少環境負荷，與生態環境相協調，并能為環保作出貢獻^[1]。目前研究開發的生態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。國外應用于污水處理的生態混凝土通常為大孔混凝土(Porous Concrete)。由于在混凝土內具有大量的連通孔，因此透水性好，并可通過其物理、化學、物理化學以及生化作用來凈化污水。

2 需要研究的課題

　　生態混凝土污水處理技術國外曾在實驗室研究多年，至今沒有取得實質性應用效果，筆者認為其原因主要是沒有完全解決下列關鍵問題：
2.1 避免污水中固體物質堵塞 混凝土孔隙，保持凈水能力。
　　筆者曾將生態混凝土試塊懸掛在同濟大學校內池塘水中，1個月后，大部分孔隙已被污泥堵塞。但是也有人認為孔隙內的污泥可以成為水生植物根系的營養源，依靠水生植物來減少水中的氮、磷含量，降低富營養化程度。
2.2 研究實際工程應用方法
　　日本長崎大學于1994年起進行近海現場試驗，將直徑1m高0.5m的有孔試塊10個一組地投入海中，并于1995年2月至1996年2月每月實測一次直徑17cm預留孔內與試塊外水質的變化，發現生態混凝土有富集營養物質的功能^{[ 2]}。日本大成建設(株)技術研究所是制成中空構造的大孔混凝土圓球，用針筒抽取圓球內的水與圓球外的水作比較^{[ 3]}。這些方法檢測的結果離散性都很大，分析結果也比較勉強。
2.3 提高生態混凝土污水處理的有效壽命 。
　　水泥混凝土在水中會不斷溶出Ca(OH)₂， 文獻報道大孔混凝土泡在海水中18h， 溶出Ca(OH)₂達到大孔混凝土總重量的0.5%^[4]。Ca(OH)₂的大量溶出會導致水泥水化產物的分解，嚴重影響了混凝土的耐久性。另一方面，污水中的微生物也會造成混凝土的腐蝕，例如研究較多的硫酸鹽還原菌和硫氧化菌會使混凝土石膏化，從而失去強度。
　　因此，提高生態混凝土的耐久性，提高生態混凝土污水處理的有效壽命也是需要解決的關鍵問題。

3 試驗研究

3.1 側濾
　　過濾和沉淀都是水處理常用的有效手段。濾池工作一段時間后，濾料空隙被污物充塞，過濾情況變差，就必須進行反沖洗，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，在沉淀的同時進行過濾和曝氣。(專利號 ZL 99 2 26559.2 )

　

　　僅僅依靠重力產生的沉淀過程需要一定高度和時間，并且沉淀時間長，造成沉淀池體積龐大，效率較低。通常的過濾除需要相當厚度的濾料外，由于水流方向與重力一致，使用一定時間后固體物質堆積在濾料上影響過濾的繼續進行，所以需要進行反沖清洗。三合一處理(側濾)裝置水流方向與重力成一定角度，水流從側面濾出，固體物質不容易在濾料上堆積而影響過濾的繼續進行，并且出水以水滴或水膜的形式濾出，與空氣有充分的接觸，從而達到曝氣的效果^{[ 5]}。側濾可采用不銹鋼絲網或尼龍絲網，根據污水情況，網孔為100至300目。
3.2 推流式生態混凝土水處理裝置
　　筆者根據生態混凝土的特點，設計了一種推流式生物濾池。(專利號 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，在池中安置了生態混凝土制成的濾料，生態混凝土可以是現場澆搗，也可以預先制造成塊體堆放在水池內。
　　生態混凝土可以是實心的，也可以具有圓孔、方孔等預留孔，預留孔的方向可以是水平的也可以是垂直的。生態混凝土的厚度一般為5～10cm，在生態混凝土中積存的污物會隨水流排入預留孔。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，直接充當溢流壩。推流式生物濾池不專門設置布水系統和排水系統。
　　當污水通過污水泵等進入生態混凝土生物濾池的一端時，以推流的方式通過生態混凝土濾層，最后在溢流壩上溢出。依靠在生態混凝土上發生的化學、物理、物理化學及逐漸形成的生物膜的生物化學作用，清除和降解污染物質，達到凈水的目的。
3.3 生態混凝土的研制
　　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，投放化學藥劑是污水處理常用的應急方法，效果顯著但作用時間短暫，且投放量較難控制，過量還會造成新的污染。采用材料科學的方法制備緩釋性凈水材料可以解決這個問題。通過緩慢釋放的化學凈水藥劑的化學反應和離子交換來凈化污水，可以在相當長的時間里發揮作用。并且緩釋性凈水材料完全溶解后留下的微孔擴大了混凝土的比表面積，可以成為微生物的載體，繼續依靠生物化學作用來凈化污水，提高了處理效果。
　　普通的大孔混凝土在流動水中由于鈣離子大量流失，使水泥水化產物分解，造成強度降低，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、鋁離子也可以發揮凈水作用。
　　另外，有機污染物質在富氧和缺氧的情況下都會產生酸性物質，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物，可以有效地改善混凝土的耐久性。把生態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年后測定的抗壓強度結果如表2所示。

表 1　 耐久性試驗
Table 1　 Durability Test　　　　　　MPa 自然養護 浸泡100天 浸泡1年 普通大孔混凝土 3.67 2.74 1.81 生態混凝土 3.41 4.19 3.72

　　初步試驗的結果表明，我們配制的生態混凝土具有較強的耐酸性。所以，生態混凝土凈水裝置可以有較長的設計使用壽命。
3.4 現場試驗
　　為了實地驗證生態混凝土的水處理效果，考察生態混凝土在連續供水條件下的污水處理情況，在上海市虹口區的南泗塘河段，直接在河道邊進行現場試驗，設計規模為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，每天連續供水處理8 h以上，一個月后的檢測結果如表2所示。

表2 水質檢測結果 ¹⁾
Table 2　 Analytic results of water samples (scene treatment) mg/L 水樣 時 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境監測中心測試；實驗室試驗裝置累計18個月。表中原水18 ^#為南泗塘的河水，處理XC為現場處理，處理18 ^# 為實驗室試驗裝置處理的結果。

　　因為南泗塘河段整治，2000年8月河邊的生態混凝土污水處理裝置必須拆除。為了使生態混凝土污水處理技術的研究繼續進行下去，所以在上海松江區佘山鎮另外建造生態混凝土生活污水處理站，設計處理水量也是每小時10立方米。從2001年3月起，每天抽取佘山鎮的生活污水進入處理裝置進行凈水處理。運行半年后請松江區環境監測站進行凈水處理前后的水質檢測，結果如下：
　　水質檢測結果表明：凈水裝置對生活污水各項污染指標的去除率都在70 % 以上。除懸浮物數據處于指標上限外，均可以達到城市污水處理廠二級處理后的排放水質標準。并且生態混凝土凈水技術的除磷效果較好，可以改變水體的氮磷比，為改善天然水域的富營養化發揮作用。

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

時間

項目

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 結語

　　通過試驗研究，發現用材料科學的方法來改善水質，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化問題提供了新的技術途徑。
　　生態混凝土污水處理技術有下列特點：大幅度降低投資, 采用生態混凝土凈水技術建設直接費用僅為傳統活性污泥法二級處理的二分之一左右；日常運轉及維護費低，僅為傳統二級處理的三分之一左右；規模大小比較靈活，建設場地的適應性強，并且可以設計成地埋式，同時在水處理裝置上面進行綠化，達到環境綜合治理的效果。
　　經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。邯鄲市亞太世紀花園住宅小區采用生態混凝土污水處理技術來建設小區污水處理站，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月開始蓄水調試。并且處理后作為“回用水”在小區內試點使用，現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
　　1 水口裕之. エココンクリートとは.　コンクリート工學. 1998 (3):9 ー12
　　2 石橋康弘. 臨海域にぉける多孔質コンクリートの水質凈化機能. 無機マテリアル.1997(4):212-222
　　3 金子文夫. エココンクリートによゐ水質凈化. コンクリート工學. 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と水質凈化の可能性.
　　　　　　　　セメント·コンクリート論文集. 1992 No46: 880 ー 885
　　5 陳志山. 側濾及其在污水處理中的應用. 給水排水. 1999 (11)

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* 國家自然科學基金項目 (50078039)