使用透水混凝土处理酸性矿井排水及其对化学堵塞影响的评估——柱状实验

《Environmental Technology》：Acid mine drainage treatment using pervious concrete and evaluation of chemical clogging impacts – column experiment

透水混凝土反应屏障处理酸性矿井排水时，化学堵塞导致孔隙率下降30-40%，渗透率降低80-90%，金属去除效率（RE）下降30-40%，瓶颈堵塞现象距入口75mm处最显著，微CT证实孔隙连通性下降。

　　酸性矿井排水（AMD）是一种全球性的环境问题，对地下水、地表水以及生态系统造成严重危害，甚至对植物、动物、人类健康以及基础设施如管道和泵站产生腐蚀性影响。为了解决这一问题，科学家们不断探索有效的处理技术，其中渗透性反应屏障（PRB）作为一种新兴的被动处理方法，因其成本低、可持续性高而受到广泛关注。PRB主要依赖于材料的物理和化学特性来吸附或去除重金属污染物，而其中渗透性混凝土作为一种新型的PRB材料，因其高碱性特性能够有效中和AMD的酸性并促进重金属的沉淀。

在本研究中，研究人员通过实验室实验，评估了渗透性混凝土PRB在处理来自金矿和煤矿的AMD时的水力性能和化学堵塞情况。实验中使用了CEM I 52.5R水泥，并加入了30%的粉煤灰，同时采用9.5毫米的花岗岩骨料来制备混凝土混合物。混合比例设定为0.27的水/水泥浆比例，以确保混凝土具备足够的渗透性。为了评估材料的性能，研究人员在处理AMD前后测量了其孔隙率和渗透性，并利用X射线微计算机断层扫描（microCT）技术对混凝土的孔隙结构进行了二维切片图像分析。

实验结果显示，渗透性混凝土对Al、Zn、Fe、Mn、Mg、Ni和Co等重金属具有较高的去除效率，达到了70%至100%的水平。其中，TDB（来自煤矿的AMD）的去除效率略高于WZ（来自金矿的AMD），这可能是因为不同来源的AMD中重金属的种类和浓度存在差异。此外，研究人员还发现，在柱状反应器中，孔隙率和渗透率的显著下降集中在距离入口75毫米的位置，形成了所谓的“瓶颈堵塞”现象。这种堵塞导致了水力性能的下降，具体表现为孔隙率减少30–40%，渗透率减少80–90%，从而影响了重金属去除效率。这些变化表明，随着AMD的持续处理，渗透性混凝土的孔隙结构逐渐被沉淀物填充，进而降低了其处理能力。

microCT分析进一步证实了这种“瓶颈堵塞”现象的存在，显示出孔隙连接性的显著减少。这种连接性的下降可能意味着某些区域的孔隙被孤立，从而限制了水流的通透性。同时，研究人员还发现，使用粉煤灰作为掺合料的混凝土在处理AMD时表现出较低的孔隙率和渗透率，这可能是由于粉煤灰的密度较低，导致其在混合过程中增加了浆体含量，从而降低了整体的渗透性。

值得注意的是，尽管孔隙连接性显著下降，但研究人员并未观察到渗透性混凝土的水力性能受到严重影响。这表明，即使在孔隙连接性降低至89.4%的情况下，混凝土仍能维持相对稳定的水力传输能力。然而，这种降低仍然对重金属去除效率产生了负面影响，尤其是在瓶颈区域，其去除效率下降了30–40%。因此，未来的研究需要进一步探讨化学堵塞对渗透性混凝土PRB长期性能的影响，以确定其使用寿命的临界点。

此外，实验还发现，处理后的AMDpH值显著升高，从原始的酸性环境（如WZ的pH为4.15，TDB的pH为5.79）提升至10–11的碱性范围。这种pH的升高有助于重金属的沉淀，从而提高去除效率。然而，随着堵塞的加剧，pH值的上升趋势可能逐渐减弱，这可能会影响处理效果。对于非pH依赖的污染物，如Ca、Na、K和硫酸盐（SO?），其去除效率较低，甚至在某些情况下，其浓度在处理后略有上升，这可能是由于这些元素从混凝土材料中渗出。

研究还强调了渗透性混凝土在实际应用中的重要性，特别是在处理AMD时的长期效果。虽然目前的实验仅持续了六个月，但研究人员指出，需要更长时间的观察来评估化学堵塞的累积效应，以及其对PRB性能的潜在影响。这包括对孔隙结构变化的长期监测，以及对重金属去除效率的持续评估。此外，通过microCT技术获得的孔隙连接性数据与传统孔隙率测量方法之间存在强相关性，但孔隙率的数值略高，这可能是由于microCT技术在检测微小孔隙时存在一定的局限性。

总体而言，本研究揭示了渗透性混凝土在处理AMD中的有效性，同时也指出了化学堵塞对水力性能和处理效率的潜在负面影响。通过实验数据和图像分析，研究人员确认了瓶颈堵塞的存在，并提出了未来研究的方向，包括进一步探索堵塞的长期影响以及如何优化混凝土配方以提高其抗堵塞能力。这些发现为开发更高效的AMD处理技术提供了理论依据和实践指导，有助于在实际工程中更好地应用渗透性混凝土PRB。