高速公路路面徑流污染特性和滯留池填料選取

李洋??

摘要：針對大規(guī)模、長距離的高速公路修建對于公路沿線水環(huán)境造成的影響，通過討論高速公路路面徑流污染特性和相應(yīng)的工程類處理措施，對于高速公路路面徑流中重金屬污染和有機物污染并存的情況，測試了3種不同材料對有機污染物的去除效果。結(jié)果表明，活性碳和褐煤都可以作為高速公路路面徑流滯留池的填料，對路面徑流污染物進行處理。

關(guān)鍵詞：高速公路；路面徑流；滯留池；活性碳

中圖分類號：U416.21文獻標志碼：B

Characteristics of Highway Runoff Pollution and Selection of Retention Basin Adsorbent

LI Yang

（Periodical office of Changan University， Xian 710064， Shaanxi， China）

Abstract： Highway projects with large scale and long distance would bring huge influence on the water environment around. The characteristics of highway runoff pollution and the widely applied engineering methods of treatment were discussed. Since there are both heavy metals and organic pollutants in the highway runoff， three different adsorbent materials were tested for organic pollutants removal. The results show that both activated carbon and lignite are suitable to be the adsorbent materials for retention basins along highways.

Key words： expressway； highway runoff； retention basin； activated carbon

0引言

隨著高速公路的不斷發(fā)展，高速公路周邊的水環(huán)境問題，引起越來越多專家和學者的重視。高速公路路面徑流是高速公路周邊水環(huán)境污染的主要因素。高速公路路面降水形成路面徑流，而大量污染物被沖刷進入地表水體造成水源污染[1]。相對于污染更加嚴重和明顯的工業(yè)企業(yè)的點源污染，高速公路的面源污染長期以來未能引起足夠的重視[2]。然而，地表水，包括河流、水庫、湖泊等，是人們生活飲用水主要來源，高速公路的快速發(fā)展，使得越來越多的地表被公路覆蓋，也就有越來越多的水源受到公路運輸?shù)挠绊憽?/p>

1高速公路路面徑流污染特性

由于高速公路沿線水環(huán)境的污染主要由高速公路路面徑流造成，其污染物主要來自車輛的運行、雨水污染、大氣粉塵等。高速公路路面徑流主要污染物為懸浮物、重金屬等無機物污染和氮、磷以及汽油中添加劑等有機物污染[3]。

國內(nèi)外學者對于高速公路路面徑流污染物的研究發(fā)現(xiàn)，懸浮固體污染物以Cu、Zn為代表的重金屬以及燃油泄露帶來的有機污染物是路面徑流的主要污染物。Pontier研究了郊區(qū)一條車流量為30 000 veh·d-1的高速公路，結(jié)果發(fā)現(xiàn)周圍河流的循環(huán)、自凈功能很大程度上受到該高速公路路面徑流的影響[4]。甘華陽對3種情況下的路面徑流進行研究，發(fā)現(xiàn)懸浮物、重金屬以及石油類有機污染物是路面徑流污染的主要污染物，并且在徑流產(chǎn)生初期濃度較高[5]。

2高速公路路面徑流的防治

對于高速公路路面徑流的處理包括非工程措施和工程措施2類。其中，非工程措施指的是路面清掃，或是制定相應(yīng)的制度進行管理等。而比較常用的工程措施可以分為以下幾種。

（1）加強植被保護。公路沿線地表的植物可以截留地表徑流中的污染物。地表植被在路面徑流的流動的過程中可以實現(xiàn)污染物的自然沉淀，并通過土壤過濾、根系吸附等作用，在路面徑流到達地表水體之前將污染物從路面徑流中分離出來，最終達到保護地表水體、保護水質(zhì)的目的[6]。該方法因適用性廣、簡單易行被廣泛使用；然而它的去除效果卻很難保證，尤其是對污染程度較高的路面徑流。

（2）滯留池。滯留池包括沉淀灣、碎石石基、豎向排水管和安全帶4個部分。它不僅可以削弱暴雨洪峰流量，避免降雨初期高濃度污染徑流流入高速公路周邊清潔水體，還可以通過沉淀、吸附作用改善路面徑流水質(zhì)，去除污染物，使之最終安全排入自然地表水環(huán)境[7]。根據(jù)不同高速公路各自污染物的特點，滯留池還可以選擇不同的填料進行過濾、修復，以達到凈化路面徑流的目的。

（3）氧化塘。

氧化塘也稱穩(wěn)定塘，是指利用天然凈化能力對污水進行處理的建筑物，其凈化過程與自然水體的自凈過程很相似。

氧化塘處理方式簡單易行、造價低、效果好，同時還能實現(xiàn)雨水的資源化利用，因而得到廣泛的應(yīng)用。值得注意的是，運用氧化塘工藝的時候要注意水力停留時間（HRT）的控制，要得到好的污染物去除效果，必須保證HRT達到一定的數(shù)值[89]。

（4）人工濕地。

人工濕地是一種生態(tài)型的綠色的控制污染的措施。它包括在淺水區(qū)種植水生植物，利用植物對污染物的截留、沉淀效果對高速公路路面雨水徑流中的污染物起到去除作用。在國外，人工濕地已廣泛運用于路面徑流污染物的控制。D.M. Revitt對美國A34紐伯利公路沿線的人工濕地的處理效果進行分析研究，發(fā)現(xiàn)其對于路面徑流中的有機物、懸浮物等都可以有效去除，去除率在43%～85%。

3高速公路滯留池填料的選擇

本文選取了3種常被用來過濾、吸附重金屬的吸附材料，通過測試它們對有機污染物去除的效率，來判斷它們是否可以作為路面徑流滯留池填料，以去除路面徑流中重金屬和有機污染物。

3.1吸附材料的選取

本文選取的吸附材料包括顆粒狀褐煤HOX（Rheinbraun Brennstoff公司）、顆?；钚蕴縁300（Chemviron Carbon 公司）和半有機膨潤土Tixosorb（SuedChemie 公司）。

選擇褐煤、活性炭和半有機膨潤土作為吸附劑是由它們在重金屬吸附中表現(xiàn)出了良好的吸附性能。

3.2污染物的選取

本文的污染物側(cè)重于選取有機污染物中的極性有機污染物甲基叔丁基醚（MTBE）和非極性有機污染物萘。MTBE是一種汽油添加劑，雖然濃度很低，卻是路面徑流中的常見污染物，對環(huán)境有很大危害。萘可以代表路面徑流中的多環(huán)芳烴類污染物。

3.3試驗過程

將2 g吸附材料添加至100 mL不同濃度的MTBE或是萘溶液中，以20 rmp的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)振動24 h，然后將試驗液體通過玻璃纖維濾紙過濾后檢測其濃度。MTBE和萘的濃度檢測均采用GC/MS分析法測得。吸附量由下列公式計算

qe = （C0-Ce）·V/m

式中：C0、Ce分別為初始濃度和吸附后濃度；V為吸附試驗溶液體積（本文取100 mL）；m為吸附材料質(zhì)量（本文取2 g）。

3.4試驗結(jié)果分析

3.4.1吸附材料物理性質(zhì)對比

為了更好的對3種不同的吸附材料進行比較，表2列出了3種吸附材料的表面積、微孔體積等物理性質(zhì)。由表2可知，活性碳F300和褐煤HOK都具有比較大的表面積?；钚蕴糉300的表面積達到1 084 m2·g-1，褐煤HOK的表面積也達到了308 m2·g-1，而半有機膨潤土Tixosorb的表面積只有6 m2·g-1。半有機膨潤土通常具有較大的表面積，但是其數(shù)值在本次試驗中并不高，可能是受試驗條件所致。試驗中發(fā)現(xiàn)在BET試驗的脫氣階段，半有機膨潤土失去大量的水（氣體形式），而水分子的直徑是小于BET比表面積試驗中所使用的氮氣的分子直徑的。由此推斷，本文所采用的半有機膨潤土或具有大量小于5 的微孔，而這些微孔在本文的BET試驗中無法檢測，所以導致本文中的半有機膨潤土Tixosorb表面積數(shù)值較低。

此外，無論是微孔還是中孔，活性碳F300的孔體積都是3種材料最高的，分別是0.47 cm3·g-1的微孔體積和0.16 cm3·g-1的中孔體積。由此可知，在3種材料中，活性碳F300的孔徑范圍較廣、孔體積較大。半有機膨潤土Tixosorb的微孔和中孔孔體積在試驗中未能測得。

3.4.2MTBE吸附結(jié)果

3種吸附材料對MTBE的吸附量結(jié)果見圖1。由圖1可知，活性炭F300和褐煤HOK在對極性有機污染物MTBE的吸附中均表現(xiàn)出良好的吸附能力。有研究表明MTBE的吸附與8～11 的微孔體積有密切的關(guān)系。活性碳F300和褐煤HOK在這個孔徑范圍的孔體積分別是0167 cm3·g-1和0045 cm3·g-1，大約相差3倍，這與它們在試驗中對MTBE吸附量的倍數(shù)基本一致，驗證了8～11 的微孔對于MTBE的吸附具有重要意義。半有機膨潤土Tixosorb對于MTBE的吸附能力較弱，這也許與材料本身微孔孔徑大小不適于吸附MTBE有關(guān)。

3.4.3萘的吸附結(jié)果

圖2顯示了3種吸附材料對于萘的吸附量比較。由圖2可知，活性炭F300、褐煤HOK與半有機膨潤土Tixosorb都顯示出很好的對萘的吸附能力。這可能與萘的非極性特性有關(guān)，即萘非常容易從水溶液中析出，并附著于吸附材料上。3種吸附材料對于萘的去除率都達到了98%以上，都可以作為萘的吸附劑。

3.4.4吸附材料比較

通過對比3種不同吸附材料對MTBE和萘的吸附，可以發(fā)現(xiàn)：無論是極性有機污染物還是非極性有機污染物，活性碳都可以起到很好的吸附效果，褐煤次之，半有機膨潤土對非極性有機污染物萘具有很好的吸附能力，但對于極性有機污染物MTBE的吸附卻差強人意，不適用于含有多種污染物的高速公路路面徑流的處理。

4結(jié)語

通過驗證活性炭、褐煤和半有機膨潤土對有機污染物的吸附能力得知，活性炭和褐煤是比較合適的、能用于滯留池去除重金屬和有機污染物的填料材料；半有機膨潤土由于缺少相應(yīng)的微孔孔徑，對MTBE的吸附較弱，不適用于含有較高有機污染物濃度的高速公路路面徑流的滯留池作為填料材料。

參考文獻：

[1]王研，唐克旺，徐志俠，等.全國城鎮(zhèn)地表水飲用水水源地水質(zhì)評價[J].水資源保護，2009，25（2）：14.

[2]路兵華.水源保護區(qū)內(nèi)高速公路路面的面源污染處置措施[J].凈水技術(shù)，2013，32（5）：4143.

[3]趙金輝，陳衛(wèi).高速公路降雨徑流污染特征及其污染控制[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2006，7（11）：6670.

[4]湯逸帆，陳圓，范弟武，等.生物炭作為海綿城市雨水滯留池填料的效果初探[J].濕地科學與管理，2016，12（2）：3336.

[5]趙建勛.基于寶漢高速公路環(huán)境保護及資源循環(huán)利用的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安：長安大學，2014.

[6]趙劍強，劉珊，邱立萍.高速公路路面徑流水質(zhì)特性及排污規(guī)律[J].中國環(huán)境科學，2001，21（5）：445448.

[7]王萍.水源保護區(qū)高速公路路面徑流處理技術(shù)研究[D].西安：長安大學，2010.

[8]李華，陳玉成，楊志敏，等.高速公路路面徑流污染負荷初期效應(yīng)的數(shù)學解析[J].公路交通科技，2011，28（10）：141145，152.

[9]趙劍強，孫奇清.城市道路路面徑流水質(zhì)特性及排污規(guī)律[J].長安大學學報：自然科學版，2002，22（2）：2123.

[10]謝娟.工程機械對環(huán)境的影響及控制措施[J].筑路機械與施工機械化，2008，25（8）：7780.

[責任編輯：杜敏浩]