具高效脱氮除磷特性的植生混凝土护砌材料开发及其作用机理研究

富营养化是我国当前最为频发的水环境灾害。传统的混凝土护砌材料破坏了滨水生态系统，加剧了水环境的恶化。植生混凝土具有微生物－植物微生态体系水体净化功能和景观美化特性，是一种应用前景广阔的生态型护砌材料。本项目拟对植生混凝土进行改进，开发具高效脱氮、除磷功能的植生混凝土。通过筛选氮、磷特性吸附材料作为高效植生混凝土的原、辅材料，考察不同材料组配、粒径配比等对高效植生混凝土的结构特征和吸附性能的影响；通过研究高效植生混凝土－富营养化水体滨水区"水-气-固-微生物-植物"多相生态系统中的微生物膜结构特征，脱氮、除磷微生物特性及高效植生混凝土对N、P营养元素的化学吸附与生物再生过程，考察高效植生混凝土净化富营养化水体的效能及脱氮、除磷机理。本项目的研究将强化植生混凝土的水质净化功能，丰富和完善植生混凝土技术和理论，为多功能生态护砌材料的开发和应用提供技术借鉴，具有重要的学术价值和广阔的应用前景。

本研究针对水体富营养化这一最为频发的水环境灾害，通过对传统植生混凝土进行改进，首次提出利用沸石作为骨料制作植生混凝土护砌材料，并通过材料配比与植物筛选优化、脱氮除磷净化效果观测及作用机理研究，开发出了具有高效脱氮除磷功能的“沸石—百喜草植生混凝土”护砌材料，并对其工程应用进行了探讨。主要结论包括：（1）通过吸附实验研究，在多种备选材料中筛选出了具氮、磷吸附特性的多孔混凝土骨料—沸石，其对氨氮的饱和吸附量为823mg/kg。（2）通过正交试验，优化出沸石—百喜草植生混凝土的制作配比：沸石粒径2～3cm，水灰骨比0.28:1:8，该配比下其孔隙率为42.32%，对氨氮的饱和吸附量为47.54mg/kg。（3）沸石—百喜草植生混凝土的静态吸附研究结果表明：模拟水体氨氮、总磷浓度分别为20mg/L、5mg/L时，8天后沸石—百喜草植生混凝土对氨氮、总磷去除率分别为99%、80%；沸石—百喜草植生混凝土模拟河道试验结果表明：模拟水体氨氮、总磷浓度分别为20mg/L与5mg/L、流速约12m/h、水力停留时间为40min时，模拟河道对氨氮、总磷去除率分别为9%和5%。（4）通过15N同位素示踪实验，研究了氮素在沸石—百喜草植生混凝土内部的分配及作用机理：6天后，模拟水体中15N基本被去除，其中14(±2)%被沸石吸附，26(±5)%通过植物吸收，35(±10)%被截留在土壤基质中。（5）通过ECO微平板及PCR-DGGE实验，研究了沸石—百喜草植生混凝土内部微生物群落结构，结果表明：植生混凝土内部微生物多样性指数和物种丰度值均很高，黄杆菌、芽孢杆菌、假单胞杆菌、慢生根瘤菌等为优势菌群，其对沸石—百喜草植生混凝土净水效能具有重要影响。（6）以南方某城市河道生态型堤岸构建新建工程为例，考虑材料、人工、机械及日常维护等成本，护砌堤坡的植被覆盖率以30%计算时，总成本可控制在35元/m2以内，较传统普通混凝土护砌材料高约20%左右，但其具有无可比拟的生态景观功能，技术经济性优越。上述研究强化了植生混凝土的水质净化功能，丰富和完善植生混凝土技术和理论，为多功能生态护砌材料的开发和应用提供技术借鉴，具有重要的学术价值和广阔的应用前景。