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改性透水混凝土铺装对雨水径流净化研究进展
来源:http://hbdp123.com2016/7/5 10:40:17
      城市雨水面源污染受到世界高度关注。研究表明,一般典型城市的不透水面积约占城市面积的67%,这会对城市水文循环造成严重的干挠。用透水铺装代替城市不透水面积,是复原水文技术的具体措施之一,同时也为去除雨水径流污染物提供了实际的技术支持。大量研究显示,透水铺装不仅可以复原城市水文环境,又可通过沉淀、离子交换、吸附、微生物新陈代谢等作用,去除雨水径流污染物,显著提高径流出水水质。根据污染物类型的不同,评估PP对径流污染物的去除率约为40%~90%。

  根据面层组成成分不同,透水铺装分为透水混凝土铺装、透水沥青铺装、透水网格铺装、透水砖铺装等。透水混凝土铺装是应用最广的透水铺装之一,透水混凝土铺装面层为透水水泥混凝土,采用开放级配结构设计,含有大量连通孔隙,目前已经应用于人行道、公园、广场、轻载道路、停车场等处。透水混凝土铺装作为城市可持续排水系统一部分,对实现雨水径流的收集、储存、净化和回用补充地下水具有重要意义。近年来,科研人员对透水混凝土铺装进行了大量的改性研究,改善透水混凝土铺装的强度、耐久性,提高对雨水径流污染物的去除效果。经过改性的透水混凝土铺装可以更加有效的去除雨水径流中重金属、有机物、烃、营养物质(氮和磷)等污染物,可以更好的在源头上控制雨水面源污染。从而在补充地下水的同时,提高补充水水质。与传统管道系统相比,透水混凝土铺装减小了后续排水管网和污水处理厂的负荷,对绿色城市的发展具有重要意义。

、透水混凝土路面典型结构

  透水混凝土铺装由透水混凝土面层、基层、底基层、路基组成。其中面层和基层(含底基层)均有净化去除污染物能力。研究人员通过物理化学等方法改性面层和基层材料,进而强化径流水质净化效果。

、改性透水混凝土面层

  透水混凝土面层由水泥、粗骨料,不含细骨料或少量细骨料组成。一般改性面层主要是对水泥、粗骨料、配合比和面层表面的处理。

1 、改性水泥

 一般认为水泥是透水混凝土面层组分中对径流污染物去除贡献最大的材料。但水泥的种类很多,对水质的净化效果也有所不同。根据我国自然资源的现状,在我国透水混凝土面层一般采用普通硅酸盐水泥。目前,对水泥的改性研究集中于加入添加剂的方法。

 工业废弃物添加剂粉煤灰改性水泥

  粉煤灰是煤炭火力发电厂所产生的颗粒状工业废弃物。我国粉煤灰产量很大,据预测2015年产生5.4亿吨粉煤灰。因此,将粉煤灰作为水泥添加剂,可以变废为宝,成本低廉适合大量工程应用。

  粉煤灰是碱性物质,内部存在大量的Al、Si等活性点,具有多孔结构、比表面积大的特点,作为添加剂加入水泥中后,可以通过化学沉淀、静电吸附和离子结合的方式去除重金属、无机氮、无机磷和有机物等污染物质。利用韩国保宁热电厂产生的粉煤灰,按水泥质量的20%加入透水混凝土中,研究其对TN和TP的去除效果。实验表明:在最适宜的条件下,TP去除率达96%,TN去除率为47%。

  在国内,徐大勇等研究了掺入粉煤灰的透水混凝土对模拟酸性矿井水的处理效果。实验表明:与普通透水混凝土相比,掺入粉煤灰后对酸性矿井水TP、CODcr和浊度的去除率分别提高了9.1%、10.0%和13.6%。

 总之,粉煤灰作为水泥添加剂具有高效、经济的特点。但由于粉煤灰呈碱性,会导致出水pH和电导率增加,所以粉煤灰的建议添加量为水泥质量的10%~20%。

 非金属矿物添加剂膨润土改性水泥

  我国膨润土总储量为24.6亿吨,占世界储量的60%。膨润土由两层Si-O四面体,中间夹着一层Al-O八面体组成。由于四面体中的硅离子可以被铝或铁的阳离子替换,八面体中的铝离子可以被镁或铁的阳离子替换,使膨润土层晶格具有静电负荷,可以吸附外部阳离子,进而净化径流污染物。将膨润土作为吸附剂掺入透水混凝土中,可以提高对重金属、有机物、氨氮等污染物的去除效率。

  崔素萍比较掺入膨润土的透水混凝土和普通透水混凝土对Cd、Cu、Pb、Zn的吸附净化情况。完成吸附净化后,分别对掺入和未掺入膨润土的透水混凝土进行ICP测试。掺入和未掺入膨润土的透水混凝土对重金属Cd、Cu、Pb、Zn的吸附浓度分别为150.7、294.9、846.9、349mg/L和13.19、17.3、76.5、78.9mg/L。说明掺入膨润土的透水混凝土对上述四种重金属离子的去除率大大提高。

  可见,膨润土作为吸附剂,对透水混凝土铺装的净化性能有显著的提高,特别针对雨水径流中的目标污染物,如重金属、营养物质等。

 聚合物改性水泥

  将聚合物掺入水泥中,不仅可以提高透水混凝土的强度,同时可以提高对径流污染物的去除率。Calkins等发现将尼龙纤维掺入水泥中,可以增加透水混凝土的有效表面积,提高透水混凝土对Cu的吸附去除率。通过实验分别向水泥中掺入0~1.5kg/m3尼龙纤维,得出当掺入量为1.2kg/m3时,Cu的去除率达最高。

  除上述常用改性水泥的方法外,还有OCS(Oxide Coated Sand)技术等多种改性水泥方法。可见国内外在改性水泥提高净化性能研究方面已有大量的研究,但是实际的工程应用并不多。作者认为主要是由于改性水泥后的综合性研究不足,缺乏关于改性水泥透水混凝土铺装的强度、耐久性、堵塞性质和日常维护一系列研究。

2. 改性粗骨料

  透水混凝土铺装中常用碎石作为粗骨料,粗骨料也会有一部分和雨水径流接触,研究表明,将一些材料混入或者替换碎石也可提高透水混凝土铺装对污染物的去除效果。

沸石

  沸石是一种比表面积大于250m2/g的天然硅酸盐矿石,除了自然界中天然存在沸石,也可以利用废弃物粉煤灰合成人工沸石。沸石由Si-O四面体和Al-O四面体组成,内部存在大量孔穴,具有网状结构,并且带有负电。所以沸石主要通过分子筛作用、离子交换和吸附作用来去除金属、氨氮和有机物[18]。将沸石代替或者混入常用的碎石作为PCP的粗骨料可以提高对雨水径流的处理效果。Seung Bum Park等在碎石骨料中混入了粒径为5mm的颗粒沸石,制成沸石透水混凝土。实验表明用人造颗粒沸石的透水混凝土对TN、TP的去除率比普通透水混凝土约提高23.5%。

  在国内,张政科探究了多孔混凝土材料的优选,比较了沸石、浮石、钢渣、砾石对氮、磷的吸附效果。结果得出当氨氮浓度为5mg/L时,沸石对氨氮的饱和吸附量为823mg/kg,沸石可以作为透水混凝土的优选材料。

  综上所述,沸石作为粗骨料,可以更好的去除雨水径流中的营养物质(氮和磷),对容易发生富营养化的河流附近地区来说,是首选的粗骨料材料。

陶粒

 陶粒作为一种绿色材料,被广泛的应用于建筑材料、滤池滤料、混凝土中。以水处理污泥、河道淤泥、城市垃圾、工业废渣为原材料可制成陶粒,不仅实现了废弃物回收利用,而且成本经济,减少环境负荷。陶粒具有多孔结构,通过自身吸附作用和表面微生物新陈代谢作用可以去除水中污染物质。G.R.Xu利用污泥陶粒净化生活污水。实验证明,生活污水经过陶粒滤池后浊度、COD、SCOD、NH3-N去除率分别为96.4%、72.2%、59.6%和82.3%。

 在国内,张盛斌[26]比较了以陶粒和碎石为粗骨料的PCP对人工废水TN、TP的去除效果。结果表明陶粒透水混凝土对废水中TP的吸附去除效果更好。

  此外,还有对其他材料如火山渣、大颗粒膨胀珍珠岩、煤矸石等作为粗骨料的研究。但是由于粗骨料被水泥包裹,其净化能力受到了一定的限制。目前,新型滤池滤料的研究已经比较成熟,作者认为在改性透水混凝土铺装的粗骨料时可以借鉴滤池滤料的研究成果,但是也要注意到二者的不同。由于滤池对强度的要求低于透水混凝土铺装,在选择粗骨料时要平衡净化性能和强度要求。

3、 优化面层配合比

  不同的配合比对透水混凝土铺装强度、孔隙率等产生很大的影响,同时也影响对污染物的去除效率。Sung-Bum Park等比较了粒径5~10mm和10~20mm两种级配碎石骨料的PCP对氮、磷去除率的影响。实验表明,采用碎石骨料粒径5~10mm时,TN去除率高2.8倍,TP去除率高1.7倍。Joe D. Luck对比了两种粒径的粗骨料对农业污水中污染物的截留效果,分别是粒径为6.9mm,8号河砾石;11.0mm,57号河砾石。结果表明选用粒径为6.9mm河砾石时,截留污染效果更好。

  在国内,岳衡等针对沸石透水混凝土的配合比对氨氮去除率的影响进行了研究。实验表明在水、灰、骨料配合比为0.28:1:8,沸石粒径为20~30mm时,沸石透水混凝土对氨氮吸附量最大。许国东研究了10~20mm,5~10mm两种集料粒径对废水中营养物质的去除效果。实验得出粒径为10~20mm的骨料多孔混凝土对TP去除效果更好。采用10~20mm粗骨料,设计孔隙率为25%时,对TN去除率最高。

  目前,针对透水混凝土铺装配合比的研究已经比较深入,但并没有很好的普及到相关工程应用当中。究其原因,主要是缺乏相关规范标准。针对不同粗骨料规定不同配合比,制定详细的规范标准是今后的行业趋势之一。

4 、透水混凝土面层表面处理

  将光触媒材料,如TiO2,通过涂刷或喷雾的方式覆盖在透水混凝土面层表面,形成TiO2涂层。在光照紫外线激活的条件下,可以更加有效的去除氮氧化物和有机污染物。张力通过实验证明涂有光触媒涂层的透水混凝土铺装对甲基蓝水样和河底污水都有很好的净化效果。这与Somayeh等研究结果一致。

  将TiO2涂层覆盖于混凝土面层表面的方法有很多,不同的方法所需要的成本有很大的差异。BurtonMaria等比较了透水混凝土铺装覆盖TiO2涂层的5种方法,得出最经济的方法是用特制的静电喷雾器将水溶性TiO2喷到透水混凝土面层的表面,成本为平均1.08美元/m2

  综上所述,TiO2涂层若大量应用在工程中,经济成本依然是最大的制约因素。另外,TiO2涂层位于面层表面,在使用过程中由于摩擦等因素会造成涂层磨损,而关于涂层的磨损程度和磨损后的涂层对径流水质的净化作用的削弱程度却鲜见研究。

三、改性基层

 目前对面层改性的研究已比较深入和系统,但对基层的改性研究还是处于探索阶段,主要在优选材料和涂层技术有初步的涉猎。

1、 优选基层材料

  砾石、碎石、卵石常用作透水混凝土铺装的基层材料。随着透水铺装的大量应用,科研人员探究了代替砾石、碎石的基层材料,提高了对雨水径流的净化效果。LuisA等通过3个实验停车场的定期检测水质,比较了石灰石和高炉炉渣两种基层材料对水质的净化效果。实验得出用石灰石做基层材料的透水混凝土铺装对雨水的净化效果更好。Myers等研究了方解石、石灰岩两种基层材料对雨水水质的净化效果,结果得出方解石、石灰岩做基层材料对TN的去除率分别为18%和67%,石灰岩做基层材料的PCP对Zn、Cu、Pb的去除率略高。

 可见基层材料的选择对透水混凝土铺装的净化性能有显著的影响。但另一方面,基层材料的选择同时受到地域的限制,尽量利用当地材料,减少工程成本也是选择改性方法衡量标准之一。

2 、纳米涂层技术

 用纳米技术改性卵石,在处理工业用水及净化饮用水方面有较多的研究。纳米材料和水泥混合制成卵石混凝土;或者通过离子扩散技术将纳米材料嵌入卵石混凝土中形成纳米涂层,可以有效的去除水中重金属、有机物等。Suman实验证明改性纳米卵石混凝土对含有25mg/L Pb和Cr溶液去除率分别为99.48%和98.30%。但是,目前对纳米改性卵石作为基层材料的研究很少,是今后应研究发展方向之一。

 在以前的研究中对PCP基层改性关注度不高。一般认为,透水混凝土铺装面层是去除径流污染物的主要承担者。但LuisA等通过相关性分析得出,基层和面层相比,基层与水质参数的相关性更高。即基层材料对水质参数的影响比面层材料对水质的影响更大。上述貌似矛盾的现象却暗示了对透水混凝土铺装系统研究的不足。作者认为在评估透水混凝土铺装对雨水径流污染物去除能力时,不能简单地从表观现象进行推断,而应该从透水混凝土铺装结构组成,径流污染物经过每层独立结构后逐步去除效果。即对污染物下渗迁移规律以及去除机理进行更为深入的系统性探索。

四、研究前景


  从目前研究和应用的情况来看,我国对改性透水混凝土铺装已有一定程度的研究。但改性PCP基层研究和改性PCP设计施工方面尚需进一步的深入。

  在改性面层方面,水泥的改性已经趋于成熟,各自关于强度、耐久性和净化性能的改性都已有大量研究,但是缺乏平衡3者的研究,即在不降低强度、耐久性的情况下,提高透水混凝土铺装净化性能,或者强度、耐久性和净化性能都同时加强提高。而不是单一的关注其中一方面,忽略了其他方面的性能。另外,粗骨料是面层的重要组成成分,可以借鉴成熟的新型滤池滤料的研究成果,对新型粗骨料进行探究。

  在改性基层方面,长期对基层的忽略导致研究的不足,而基层在体积上约占到透水混凝土铺装的2/3左右,所以基层的研究对透水混凝土铺装影响很大。基层材料的创新和探索以及改性手段是今后的重点研究方向之一。

 另外,透水混凝土铺装是一个整体,不能忽略它的系统性。目前的研究较多停留在单一面层或基层,将不同的改性面层和改性基层组合后,对污染物的综合去除效果如何有待探索。目前的研究多停留在量化分析,缺乏深层本质研究。研究径流污染物在透水混凝土铺装中下渗迁移规律以及去除机理,有助于深入的解析污染物的转化分解过程,指导透水混凝土铺装设计、施工、维护等工程实践。


 
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