CN110127839A

CN110127839A - 一种透水混凝土与轻质混凝土为主体的丛林生物栅及其水质净化方法和应用

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Publication number: CN110127839A
Application number: CN201910401116.9A
Authority: CN
Inventors: 吴义锋; 张家铭; 聂正鑫; 丁江涛; 钱怡君; 吕锡武
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2019-05-14
Filing date: 2019-05-14
Publication date: 2019-08-16

Abstract

本发明属于生态工程与环境工程学科中原位生态修复和污染水体净化领域，具体涉及一种透水混凝土与轻质混凝土为主体的丛林生物栅及其水质净化方法和应用。所述丛林生物栅包括下沉基座、净水填料和发散型生物接触填料；所述净水填料通过网格框承重并包裹形成净水填料盘，所述下沉基座通过竖向支撑机构与发散型生物接触填料和净水填料盘连接；其中，所述下沉基座为透水混凝土下沉基座；所述净水填料为轻质混凝土填料。该生物栅应用于城市黑臭水体治理、富营养化污染控制、生物链修复等水体的复合型原位生态修复与水质净化领域。

Description

一种透水混凝土与轻质混凝土为主体的丛林生物栅及其水质净化方法和应用

技术领域

本发明属于生态工程与环境工程学科中原位生态修复和污染水体净化领域，具体涉及一种透水混凝土与轻质混凝土为主体的丛林生物栅及其水质净化方法和应用。

背景技术

黑臭水体的原位治理和水体的富营养化污染控制是当前水环境质量改善的重要内容。一般来说，水质恶化的地表水体会伴随着生态系统的受损和生物生态链的断裂，再加上岸坡与河床（湖床）的人工硬体介质的广泛使用，限制了水生生态系统生物链的自我修复与完善。因此，在水体治理、生态修复等工程实践中，通用引进人工介质类型的生态鱼礁和微生物富集载体，以强化净化水质和修复生态系统。

当前，应用于水质净化的生物栅主要由高分子材料、化学纤维、塑料等材质的生物接触填料，又称作仿生水草或藻菌生物膜材料，投放于水体用于水质净化。传统生物栅需要外加绳索、漂浮体、定位框等组成，制作结构复杂，成本较高。多孔混凝土、轻质混凝土等均匀广泛适用的建筑材料，如建筑保温、隔墙、岸坡硬质防护等工程领域。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种透水混凝土与轻质混凝土为主体的丛林生物栅及其水质净化方法和应用，该生物栅应用于城市黑臭水体治理、富营养化污染控制、生物链修复等水体的复合型原位生态修复与水质净化领域。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种透水混凝土与轻质混凝土为主体的丛林生物栅，所述丛林生物栅包括下沉基座、净水填料和发散型生物接触填料；所述净水填料通过网格框承重并包裹形成净水填料盘，所述下沉基座通过竖向支撑机构与发散型生物接触填料和净水填料盘连接；其中，所述下沉基座为透水混凝土下沉基座；所述净水填料为轻质混凝土填料。

优选地，所述竖向支撑机构为竖向聚甲醛串接棒。竖向塑料串接棒采用聚甲醛（POM）材质，直径为20mm，底部穿越多孔混凝土下沉基座并定位。基座以上部分间隔串接净水填料盘和发散型生物接触填料。最上端设终端锁定结构，防止低密填料上浮脱离丛林生物栅。

优选地，所述透水混凝土下沉基座的孔隙率为20%，抗压强度不小于10MPa。所述多孔混凝土制备的下沉基座内部具有连续贯通的孔隙结构，以孔隙率为20%为配合比设计目标，粒径15mm单一级配砾石、水泥、石膏、矿物掺合料（矿渣微粉或粉煤灰等）的配合比为83:12:2:3，减水剂用量为水泥用户量的0.5~1.0%，水灰比为0.22~0.24。制备下沉基座的多孔混凝土表观密度为1600~1800kg/m³，抗压强度不小于10MPa，由多孔混凝土拌合料预制为多孔洞的柱形形状，中部为直径为80mm的大孔洞和周边直径60mm的小孔洞作为鱼虾等水生生物的栖息繁衍空间。下沉基座周边均匀分布一定数量的小直径（20mm）孔洞，作为竖向塑料串接棒的定位孔洞，其直径略大于塑料串接棒外径。

优选地，所述轻质混凝土为泡沫或加气混凝土，所述泡沫或加气混凝土作为水质净化和生物富集的人工介质，较低的表观密度使之悬浮或漂浮于水体，其表观密度为600~900 kg/m³。制备轻质混凝土的配合比为：PII32.5 标号普通硅酸盐水泥、石膏、矿渣粉的配合比为25:3:2，减水剂用量为水泥的0.5~1.0%，水灰比0.55~0.65，混合料经胶砂搅拌机均匀拌合后添加水泥用量0.25%的铝粉发泡剂，预制为外形饱满的散粒状构型，等效直径为50mm。散粒状的泡沫（或加气）混凝土颗粒置于封闭的塑料网格框中形成净水填料盘，盘直径为600mm，高度为100mm。塑料网格框的网格孔径为30mm，略小于轻质混凝土的等效直径。托载有轻质混凝土介质的净水填料盘分层安装，由竖向的塑料串接棒分层固定，层间间隔为200~300mm，水流横向穿越净水填料盘间隔。低部位的塑料网格盘托载较高表观密度的轻质混凝土介质（表观密度750~900 kg/m³）；上部位的塑料网格盘托载较低表观密度的轻质混凝土介质（表观密度600~750 kg/m³）。

优选地，所述发散型生物接触填料设计为盘片状，由镂空的硬质塑料盘片作为骨架，圆形塑料盘直径为100mm，厚度5mm，中心部位设圆孔，孔径为20mm，略大于竖向塑料串接棒直径，确保塑料棒穿越中心孔洞并定位。盘片周围固定发散型亲水毛毡布条，布条宽度为10~15mm，长度为100~200mm，一端固定于圆形塑料盘片，另一端为自由端，随水流方向自由延展。每一塑料盘片固定20~30条亲水毛毡条。发散型生物接触填料通过竖向串接塑料棒在净水填料盘间隔安装，安装间距为50mm。

优选地，所述网格框为塑料网格框，且形状颗为任意形状，如扁圆形，方形等。

一种透水混凝土与轻质混凝土为主体的丛林生物栅的水质净水方法，包括以下步骤：将所述丛林生物栅列阵布置于污染水体或生态修复水体，投放体积比为15-~20%，生物栅的设置高度不超过常水位，以保证材料完全被淹没。其中，所述透水混凝土下沉基座起定位和下沉功能，列阵排布于水底形成生态鱼礁，并且可防止净水填料圆盘与填料随水流失；净水填料盘悬浮于水中自由空间延展，与分散型生物填料共同强大的水固接触界面，形成立体的水质净化与生态修复载体。另外，生物栅的投放密度应根据治理水体的污染程度而定，污染程度大，投放量可适当增加。

水流经过混凝土材质的丛林生物栅，在分层设置的轻质混凝土填料间穿越流动，再加上发散型生物接触填料，在净水区的固液接触界面产生强烈的物质交互作用。与此同时，多孔混凝土与轻质混凝土的制备材料都具有强化除磷功能。因此，本发明的混凝土材料的丛林生物栅具有较强的水质净化功能，显著降低水体总磷浓度，有效降低富营养化水体藻华产生的氮磷平衡动态，控制水体富营养化趋势，降低富营养化水平。

列阵投放于水体内的丛林生物栅，底部固定于密度较大的多孔混凝土下沉基座，上部依赖材料的低密度特性保持悬浮或漂浮特性。多孔混凝土表观密度为1600~1800kg/m³，自然下沉实施定位功能，且材料本身具有生物适宜性，也是生物鱼礁的重要组成部分。泡沫（或加气）混凝土和塑料网格框制作的净水填料盘作为水质净化的介质区，依靠材料自身表观密度比水小的特征，材料自身能够悬浮或漂浮于水中，从而保证丛林生物栅在水面下的有序排阵，且不会互相缠绕或杂乱交织。竖向串接的塑料棒仅起到平面定位作用，受力条件温和，材料耐久性强。

本发明基于多孔混凝土、轻质混凝土等材质本身具备除磷脱氮性能，通过配比优化和构型设置，利用透水混凝土连续透水球体的生态鱼礁特性和泡沫混凝土的低密度水中漂浮特性，设计透水与轻质混凝土的丛林生物栅净水材料，创新混凝土材料的使用范围，材料易得、价格低廉，易于实施。

另外，多孔混凝土、轻质混凝土的主要材质均为普通硅酸盐水泥、砾石或矿渣外加剂，都是氮磷污染物去除的天然材质，具有水环境适用性，不导致水体二次污染。透水与轻质混凝土的丛林生物栅适用于水体生态功能需求，不减少水域面积，不破坏水体景观，具有一定的力学强度，抵御水流和涌浪的侵扰，为水生植物营造栖息繁衍生境。

本发明的一种透水混凝土与轻质混凝土为主体的丛林生物栅应用于城市黑臭水体治理、富营养化污染控制、生物链修复水体的复合型原位生态修复与水质净化领域。

有益效果：

本发明的多孔与轻质混凝土材质的丛林生物栅及其作为生物载体，列阵投放于污染水体或生态修复水域，材料自身的巨大比表面积具有吸附和降解污染物功能，制备混凝土的材料都是除磷的天然材质，有效富集土著微生物，形成生物接触氧化膜，多孔混凝土生态鱼礁吸引鱼虾群集生长，完善修复区生态链，从而实现生态修复功能。丛制备材料易得，价格低廉，可实现废物利用和以废治污，如采用粉煤灰、脱硫石膏、废弃矿渣等制备多孔混凝土或轻质混凝土用于净化污水。

本发明还具有以下特点：

（1）丛林生物栅具有较强的原位生态修复功能，修复和完善水生生态系统。

（2）强化总磷去除，改变富营养化水体的藻华暴发的营养动态平衡，降低富营养化水平。

（3）生物栅水下丛林式排布，不减少水域面积，不影响水域景观。

（4）多孔混凝土和轻质混凝土制备材料易得，以废治污，节能减排，造价低廉，易于实施。

（5）丛林生物栅依据重力下沉定位，无需外置锁定机构，水质改善和生态修复后便于拆除，恢复水体。

附图说明

图1 多孔和轻质混凝土的丛林生物栅结构示意图；

图2 多孔混凝土下沉基座的平面与剖视图；

图3 竖向塑料串接棒与下沉基座的连接方式；

图4 发散型生物接触填料示意图；

图5 轻质混凝土与网格塑料框组成的净水填料盘的示意图；

附图标记说明：1-竖向塑料串接棒；2-轻质混凝土净水填料；3-塑料网格框；4-发散型生物接触填料；5-多孔混凝土下沉基座；6-亲水毛毡条；7-镂空塑料盘片；8-连接扣；9-固定连接垫片。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细说明。但本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件按照说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

实施例1

一种透水混凝土与轻质混凝土为主体的丛林生物栅，如图1-5所示：所述丛林生物栅由竖向塑料串接棒1、轻质混凝土填料2及其塑料网格盘3组合的形成净水填料盘、散发型生物接触填料4、透水混凝土下沉基座5所组成。其中，所述透水混凝土下沉基座5为底部，其起到固定支撑和生态鱼礁作用；竖向塑料串接棒1底端穿越透水混凝土下沉基座5的预留孔洞，通过固定连接垫片9对竖向塑料串接棒1进行定位，净水填料盘以类“树状”分层通过外置连接扣8固定于竖向塑料串接棒1，间隔距离为200~400mm，并防止各层或相邻的轻质混凝土净水填料网盘互相缠绕或碰撞；间隔部位悬挂散发型生物接触填料4，形成立体型的 “树”状丛林生物净水栅。净水填料盘设置层数由水深而定，最高层低于水面下200mm。

其中，所述透水混凝土下沉基座5的多孔混凝土具有连续的透水透气和不小于10MPa的抗压强度，1600~1800kg/m³左右的表观密度能够自然下沉和定位，其中特殊设计孔洞结构为鱼虾类提供生存空间，实施生态鱼礁功能。

丛林生物栅的透水混凝土下沉基座5为多孔混凝土预圆形制块（可不限于圆柱形），圆形砌块直径600mm左右，预制块中间为一大直径（80mm）孔洞，大空洞均匀分布小直径（40~60mm）孔洞。透水混凝土下沉基座5的多孔洞设计是为鱼虾类提供洞穴式生存空间，形成生态鱼礁，同时降低基材重量，节省材料。透水混凝土下沉基座5的边缘附近为均匀分布直接为20mm的小孔洞，将竖向塑料串接棒1插入预留孔洞，并底端通过固定连接垫片9紧固于透水混凝土下沉基座5以保持稳定，以利于上部支撑轻质混凝土净水填料2。其中，所述多孔混凝土的制备方式是：将粒径为15mm的饱满颗粒石子作为骨料，砾石、水泥、石膏、矿物外加剂的质量比为83:12:3:2，以水灰比0.22~0.24，制备多孔混凝土混合料，将混合料置于模具中，经静压或振动成型后脱模养护，形成强度后作为丛林生物栅的透水混凝土下沉基座5。

轻质的泡沫（或加气混凝土）为水中的悬浮性的轻质混凝土净水填料2，所述轻质混凝土净水填料2外部构型为饱满型的散粒状，等效直径为5mm。泡沫（或加气混凝土）其设计质量比例为：80%水泥、10%石膏、8%粉煤灰以及2%外加剂（建筑纤维、稳泡剂、减水剂），水胶比0.55~0.65，拌合混合料浆体后，可采用物理发泡法（泡沫剂）和化学发泡法（添加混凝土专用铝粉）进行发泡，添加泡沫或发泡剂后制备的混合浆料置于模具中成型，制备得到轻质混凝土净水填料2，适宜的表观密度为600~900kg/m³。物理发泡时采用泡沫量为混合浆料的50%~70%，泡沫量越大，填料的表观密度越大。相应的，化学发泡时，铝粉投加量为水泥用量为1.0~1.5%，该范围内，铝粉量越大，制备的混凝土填料表观密度越小。

散粒状的轻质混凝土填料2由格网塑料框3承载和包裹，格网塑料框3为扁圆柱形，填充轻质混凝土填料后，封闭圆柱形塑料筐，防治轻质混凝土在水中散溢，从而制作净水填料盘。圆柱形塑料框的高度为100mm，格网孔径为3mm，略小与散粒状的轻质混凝土颗粒。塑料框外边缘设有连接扣8，使之固定于竖向塑料串接棒1。承载着轻质混凝土净水填料2的网格塑料框3分层间隔固定于竖向塑料串接棒1，间隔距离为200~400mm。其间隔部位悬挂发散型生物填料，本实施例中为亲水毛毡条6。

本发明的发散型生物接触填料6由镂空硬质塑料盘片7作为骨架，周边绑系亲水毛毡条6。圆形塑料盘直径为100mm，中心部位设孔径为20mm的圆孔，略大于竖向塑料串接棒1的直径，确保塑料棒穿越中心孔洞并定位。盘片周围固定发散型的亲水毛毡条6，布条宽度为10~15mm，长度为100~200mm，一端固定于圆形的镂空塑料盘片7，另一端为自由端，随水流方向自由延展，同时具有亲水性，容易挂膜富集微生物。每一镂空塑料盘片7的周边固定20~30根亲水性毛毡条6。发散型生物接触填料通过竖向塑料串接棒1在轻质混凝土净水填料2的盘间隙多片安装，安装间距为50mm。

将丛林生物栅投放至生态修复或富营养化的水体中，阵列均匀布置，投放密度根据水体的污染程度而定，相对于污染水体来说，投放体积比为15~20%。丛林生物栅的水下设置不影响水体流动，不妨碍水面景观，可随水流在小范围内自由活动，投放丛林生物栅的固液界面上物质交互作用强烈，同时吸附水中的悬浮物和胶体物，有效提高水体透明度。本发明应用于马鞍山市某河道一排水管口的污染物拦截和水质净化，首先采用土工布软围挡以排水口为中心、半径4m围合扇形水质净化区域，区域内投放多孔与轻质混凝土的丛林生物栅，投放密度为20%，运行6个月后的水质数据见表1，丛林生物栅对COD、氨氮、总磷等污染物去除效果显著，有效降低管口排水的影响范围，改善河道水质。

表1 多孔与轻质混凝土的丛林生物栅水质改善效果

水样采集位置	COD	NH<sub>3</sub>-N	TN	TP
					排水管口（mg/L）	68	6.78	13.68	2.77
围合周边（mg/L）	33	2.76	6.02	0.32
					去除率（%）	51.5	59.3	56.0	88.4

以上所述，仅是本发明较佳的实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何细微修改、等同变化和修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种透水混凝土与轻质混凝土为主体的丛林生物栅，其特征在于，所述丛林生物栅包括下沉基座、净水填料和发散型生物接触填料；所述净水填料通过网格框承重并包裹形成净水填料盘，所述下沉基座通过竖向支撑机构与发散型生物接触填料和净水填料盘连接；其中，所述下沉基座为透水混凝土下沉基座；所述净水填料为轻质混凝土填料。

2.根据权利要求1所述的一种透水混凝土与轻质混凝土为主体的丛林生物栅，其特征在于，所述透水混凝土下沉基座的表观密度为1600~1800kg/m³，所述轻质混凝土填料的表观密度为600~900kg/m³。

3.根据权利要求1所述的一种透水混凝土与轻质混凝土为主体的丛林生物栅，其特征在于，所述竖向支撑机构为竖向聚甲醛串接棒。

4.根据权利要求2所述的一种透水混凝土与轻质混凝土为主体的丛林生物栅，其特征在于，所述轻质混凝土填料按表观密度由大到小填充至网格框形成净水填料盘。

5.根据权利要求2所述的一种透水混凝土与轻质混凝土为主体的丛林生物栅，其特征在于，所述透水混凝土下沉基座的孔隙率为20%，抗压强度不小于10MPa。

6.根据权利要求2所述的一种透水混凝土与轻质混凝土为主体的丛林生物栅，其特征在于，所述网格框为塑料网格框。

7.基于权利要求1-6任一权利要求所述的一种透水混凝土与轻质混凝土为主体的丛林生物栅的水质净水方法，其特征在于，包括以下步骤：将所述丛林生物栅列阵布置于污染水体或生态修复水体，投放体积比为15-~20%，水流经过混凝土材质的丛林生物栅，在分层设置的轻质混凝土填料间穿越流动，再加上发散型生物接触填料，在净水区的固液接触界面产生强烈的物质交互作用；列阵投放于水体内的丛林生物栅，底部固定于密度较大的多孔混凝土下沉基座，上部的净水填料盘依赖材料的低密度特性保持悬浮或漂浮特性，悬浮于水中自由空间延展，与分散型生物填料共同强大的水固接触界面，形成立体的水质净化与生态修复载体。

8.权利要求1-6任一权利要求所述的一种透水混凝土与轻质混凝土为主体的丛林生物栅应用于城市黑臭水体治理、富营养化污染控制、生物链修复水体的复合型原位生态修复与水质净化领域。