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摘要：本文作者结合多年来的工作经验，对公路路面径流水污染与控制技术进行了分析，具有一定的参考意义。
关键词:路面径流;污染现状;控制措施
中图分类号：X734 文献标识码：A 文章编号：
1路面雨水径流污染特性
1. 1水量特性
路面雨水径流水量变化复杂,随机性较大,具有水流间断性、水量突变性的特点。影响路面径流的主要因素有:降雨特性、路面温度、路面粗糙度、路面坡度和路面透水率等。其中降雨特性对路面径流影响较大,径流历时、径流总量、路面径流量,分别与降雨特性呈正相关性。路面温度较高,会导致路面蒸发量的增加,进而会影响径流量、径流总量和径流历时。路面粗糙度和坡度,则对径流强度方面的影响较为明显。从材料方面来看,沥青路面的透水率要比水泥混凝土路面低,因此一般沥青路面的径流洪峰值要比混凝土路面大,径流受降雨特性的影响更为强烈。
1. 2水质特性
路面雨水径流污染物成分复杂,主要包括SS、COD、BOD、TN、TP、重金属以及多环芳烃(PAHs)
和油等。其中, SS和COD的含量较高;重金属含量中, Pb含量较高。影响降雨径流污染物浓度的因素,有降雨特征、干期天数、大气沉降、交通量、路面材料等,其中干期天数和大气沉降对路面雨水径流的影响较大。因此,不同地区或同一地区的不同降雨所产生的路面径流水质差异较大。
对某高速路面40余场雨水径流的水质分析表明,初期雨水径流所含污染物的浓度较高,表现出较强的初期效应。此外,雨水径流中的其它污染物指标和SS有较强的相关性:约有70%的COD来自于雨水径流中的SS。赵剑强等对西临高速公路桥面径流的采样分析表明,高速公路路面排水具有较高的污染强度,污染指标值范围SS为813 ~ 126 mg/L, COD為412 ~58 mg/L,TPb为0. 77~0. 05mg/L。表1列出了两地路面径流的水质。
由表1可知,由于西安和南京气候特征的差异,西临高速桥面径流中的SS值,要高于南京机场高速禄口令桥段,但二者COD相差不大。通过径流水质和生活污水水质的比较可以得出,路面径流污染严重(特别是初期径流),污染物浓度值变化显著,对路域周围水体具有较强的危害性。由以上分析可以看出路面雨水径流的水质特征:
(1)污染物浓度高,且随降雨历时呈波浪式降低;
(2)污染物出流具有显著的初期效应;
(3)其他污染指标与SS具有较好的相关性。
2路面径流污染控制措施
随着对路面径流污染的深入研究和环境保护意识的增强,国外在路面径流污染控制方面做了大量的研究工作,并且已制定和颁布一套暴雨径流最佳控制措施BMP(BestManagementPractice),而国内对于路面径流控制方法的研究则相对较晚。目前,路面径流污染常见的控制措施有:滞留池、氧化塘、植被控制、人工湿地和渗滤系统。
2. 1滞留池
滞留池是一种有效控制路面径流污染的措施,主要功能类似于水量调节池和沉淀池。在水量方面,它可以缓解降雨洪峰流量对受纳水体的影响;在水质方面,通过沉淀作用,可去除径流中的污染物质。常见的有湿式、干式和双重滞留池几种形式。其中,湿式滞留池去除TSS效果明显,是一种更被广泛接受的形式。研究表明,湿式滞留池可以有效地去除SS、重金属、TN、TP、BOD等污染物质。Pettersson对瑞典Jarnbrott一个湿式滞留池的研究表明,其对TSS、Zn和Pb的去除率分别为14% ~82%、74%和10% ~82%。Hossain等对华盛顿Spokane地区一个湿式滞留池的研究表明,其对TSS去除率可达68. 1% ~99. 4%,平均达83. 9%,对重金属的平均去除率为54. 7% ~64. 6%。英国Hares和Ward对伦敦M25高速公路路边一个干式滞留池的重金属去除效果进行了研究,结果表明,干式滞留池对重金属的去除效果较好,去除率在85% ~95%之间。也有学者发现,滞留池在控制公路路面径流时尚存在着一些问题,如法国Lee和Ouray对法国A-71公路边的滞留池内沉淀颗粒的重金属污染状况进行的研究表明: 85%的沉淀颗粒粒径都小于20μm,大部分的重金属都吸附在这些细颗粒上。此外,由于汽车所造成的重金属只有5% ~11%能够传输到滞留池,大部分被路面的黏土所吸附,所以要想改善滞留池总的去除效果,就必须改用混凝土渠道,同时采用碳酸盐缓冲溶液来减少溶解性重金属的形成。
2. 2氧化塘
氧化塘又称稳定塘或生物塘,是经过适当休整的土地,设围堤和防渗层的污水池塘,主要依靠自然生物净化污染水体,使污水得到净化的一种污水生物处理技术。根据出水方式的不同,可将氧化塘分为连续出水塘、控制出水塘和贮存塘三类。利用氧化塘处理路面径流的优点:可以调节雨水洪峰量、工程简单、造价低廉、雨水处理能耗较低、处理效果较好、易实现雨水资源化;缺点:处理效率随季节性变化明显、效果不稳定、对防渗的要求较高、占地面积较大。影响氧化塘处理效率的主要因素为水力停留时间,随着水力停留时间的增加,氧化塘的处理效率提高。自上世纪50年代开始,国内就有学者进行了对氧化塘处理污水的研究,但到目前为止,利用氧化塘处理路面雨水径流的研究实例尚较少。刘珊等[12]研究水力停留时间对氧化塘处理雨水效果的影响,结果表明:当水力停留时间为14天时,氧化塘内的污染物浓度达到最低,此时的COD去除率为73%,石油类去除率为80%。
2. 3植被控制
植被控制是一种利用地表密植的植物对地表径流中的污染物进行截留的方法,它能够在径流输送过程中,将污染物从径流中分离出来,使到达受纳水体的径流水质获得明显改善,从而达到保护受纳水体的目的。植被控制包括植草沟渠和漫流两种。植草沟渠,即在输送地表径流的沟、渠中密植草皮,以防止土壤侵蚀并提高悬浮固体沉降效率。国外研究表明,在较为平缓的坡度(<5% )上种植高于地面至少15 cm的草,保持植草沟渠内较小的流速(<46 cm/s),对保证良好的污染物去除效率十分重要。漫流是过滤带的理论应用,它是在坡度较小的带状地面密植草皮,使水流发散成面流,从而过滤污染物质并提高渗透性的一种方法。地表植被去除污染物的机理为:吸附、沉淀、过滤、共沉淀和生物吸附过程。重金属、氮、磷的去除,主要与渗透损失、地表贮留等有关。美国学者Yousef对弗罗里达州两座立交桥的植草渠道进行了研究,表明植草渠道对重金属,尤其对离子态和溶解态重金属有较好的去除效果,其中Zn、Pb、Ni和Cd的去除率分别为62%、57%、51%和43%,同时对P和N也有较好的去除效果。澳大利亚的De-letic和Fletcher对植草过滤污染物能力的研究表明,植草对污染物的去除效率主要跟径流的流速有关,径流速度越小, SS的去除效率越高。可见,该方法是路面雨水径流污染的一种较好的控制方法,但是,由于植被覆盖的地表面积,将影响污染物去除的效率及下渗量,因而在治理雨水径流的效果上存在着局限性。
2. 4人工湿地
作为控制地表径流污染的措施之一,人工湿地能有效地控制路面雨水径流的污染。在美国佛罗里达州建有多处人工湿地,用来控制暴雨径流的污染,为缓解暴雨径流污染起到非常重要的作用。人工湿地中的植物根系,将湿地分成若干个相互交叉的厌氧、缺氧和好氧小区,各个区间内的微生物能去除径流中的COD、TN等污染物;而径流中的TP、重金属污染,主要是依靠填料和土壤颗粒的吸附和络合作用得以去除。根据水流流动方式,人工湿地可分为:表面流人工湿地(SF)和潜流式人工湿地(SSF)。其中潜流式人工湿地又可以分为:水平流和垂直流。自由表面流湿地对磷(出水TP<1 mg/L)去除的效果较好,而潜流系统更易去除COD和SS。人工湿地控制路面径流污染的优点是:运行和维护费用低廉、处理效果好;缺点是:占地面积大、易堵塞。在控制路面雨水径流污染方面, SSF比SF更有潜力、效率更高,但SSF的存储能力相对较差,因而SSF一般需与储水池联合使用。因而,人工湿地对路面径流污染具有良好的控制作用。同时,要结合当地用地情况和造价因素对人工湿地的形式进行选择。如果用地不受限制,则可以利用表面流人工湿地控制污染,否者即选择潜流式湿地比较有效。
2. 5渗滤系统
渗滤系统是使地表径流雨水暂时存储起来,并渗透到地下的一种暴雨径流的管理方法。渗滤系统通常包括渗坑、渗渠、渗井等,它主要用以去除溶解性污染物,对污染物的去除机理主要是过滤、颗粒吸附或离子交换等。德国和日本的渗滤系统处理雨水,普遍被用于城市雨水径流的资源化,并制定了相关规范。Sansalone[19]等的研究表明, PET系统可以有效去除公路路面径流中的SS、PAHs及重金属等污染物质,并指出, PET系统中的渗坑最为有效。渗滤系统的最大难点为渗滤系统的堵塞问题,当处理雨水径流中的SS含量较高时,渗滤系统便容易堵塞。澳大利亚Siriwardene[20]等对渗滤系统的堵塞问题进行了研究,并建立了相关模型,表明:以恒水头方式供水,且供水水头高于滤料层与其下端土壤层间的分界层(滤料/土壤界面)45 cm时,渗滤系统的堵塞速度最慢;变水头的供水方式很容易引起渗滤系统的堵塞。
3路面径流控制措施研究的建议
由于各地气候和交通条件,以及路面径流污染特性的差异,在实际应用中,需根据各地径流的污染特性、路面特征、路域周边地形特征、可用土地面积和工程造价等因素,并结合各种控制措施的特点,对以上几种措施进行合理地选用或组合使用。对路面雨水径流污染控制措施选取的建议为:
(1)根据当地路面径流水量、水质来选取控制措施;
(2)充分考虑道路周边土地的使用状况;
(3)考虑道路周边地形及土壤特征,如渗透率、含水率等;
(4)结合当地气候及植物生长特征;
(5)比较工程造价。对地下水位较低、植物生长困难、土壤透水率高的北方而言,利用渗滤系统来控制路面径流的污染,相对要经济适用;而对于地下水位较高、降雨较多、植物生长容易的南方,利用植被控制和人工湿地的方法相对容易。
参考文献
[1]赵剑强,邱艳华.公路路面径流水污染与控制技术探讨[J].长安大学学报(建筑与环境科学版), 2004, 21(3): 50-53.
[2]杨敦.潜流式人工湿地在暴雨径流污染控制中应用[J].农业环境保护, 2002, 21(4): 334-336.
关键词:路面径流;污染现状;控制措施
中图分类号：X734 文献标识码：A 文章编号：
1路面雨水径流污染特性
1. 1水量特性
路面雨水径流水量变化复杂,随机性较大,具有水流间断性、水量突变性的特点。影响路面径流的主要因素有:降雨特性、路面温度、路面粗糙度、路面坡度和路面透水率等。其中降雨特性对路面径流影响较大,径流历时、径流总量、路面径流量,分别与降雨特性呈正相关性。路面温度较高,会导致路面蒸发量的增加,进而会影响径流量、径流总量和径流历时。路面粗糙度和坡度,则对径流强度方面的影响较为明显。从材料方面来看,沥青路面的透水率要比水泥混凝土路面低,因此一般沥青路面的径流洪峰值要比混凝土路面大,径流受降雨特性的影响更为强烈。
1. 2水质特性
路面雨水径流污染物成分复杂,主要包括SS、COD、BOD、TN、TP、重金属以及多环芳烃(PAHs)
和油等。其中, SS和COD的含量较高;重金属含量中, Pb含量较高。影响降雨径流污染物浓度的因素,有降雨特征、干期天数、大气沉降、交通量、路面材料等,其中干期天数和大气沉降对路面雨水径流的影响较大。因此,不同地区或同一地区的不同降雨所产生的路面径流水质差异较大。
对某高速路面40余场雨水径流的水质分析表明,初期雨水径流所含污染物的浓度较高,表现出较强的初期效应。此外,雨水径流中的其它污染物指标和SS有较强的相关性:约有70%的COD来自于雨水径流中的SS。赵剑强等对西临高速公路桥面径流的采样分析表明,高速公路路面排水具有较高的污染强度,污染指标值范围SS为813 ~ 126 mg/L, COD為412 ~58 mg/L,TPb为0. 77~0. 05mg/L。表1列出了两地路面径流的水质。
由表1可知,由于西安和南京气候特征的差异,西临高速桥面径流中的SS值,要高于南京机场高速禄口令桥段,但二者COD相差不大。通过径流水质和生活污水水质的比较可以得出,路面径流污染严重(特别是初期径流),污染物浓度值变化显著,对路域周围水体具有较强的危害性。由以上分析可以看出路面雨水径流的水质特征:
(1)污染物浓度高,且随降雨历时呈波浪式降低;
(2)污染物出流具有显著的初期效应;
(3)其他污染指标与SS具有较好的相关性。
2路面径流污染控制措施
随着对路面径流污染的深入研究和环境保护意识的增强,国外在路面径流污染控制方面做了大量的研究工作,并且已制定和颁布一套暴雨径流最佳控制措施BMP(BestManagementPractice),而国内对于路面径流控制方法的研究则相对较晚。目前,路面径流污染常见的控制措施有:滞留池、氧化塘、植被控制、人工湿地和渗滤系统。
2. 1滞留池
滞留池是一种有效控制路面径流污染的措施,主要功能类似于水量调节池和沉淀池。在水量方面,它可以缓解降雨洪峰流量对受纳水体的影响;在水质方面,通过沉淀作用,可去除径流中的污染物质。常见的有湿式、干式和双重滞留池几种形式。其中,湿式滞留池去除TSS效果明显,是一种更被广泛接受的形式。研究表明,湿式滞留池可以有效地去除SS、重金属、TN、TP、BOD等污染物质。Pettersson对瑞典Jarnbrott一个湿式滞留池的研究表明,其对TSS、Zn和Pb的去除率分别为14% ~82%、74%和10% ~82%。Hossain等对华盛顿Spokane地区一个湿式滞留池的研究表明,其对TSS去除率可达68. 1% ~99. 4%,平均达83. 9%,对重金属的平均去除率为54. 7% ~64. 6%。英国Hares和Ward对伦敦M25高速公路路边一个干式滞留池的重金属去除效果进行了研究,结果表明,干式滞留池对重金属的去除效果较好,去除率在85% ~95%之间。也有学者发现,滞留池在控制公路路面径流时尚存在着一些问题,如法国Lee和Ouray对法国A-71公路边的滞留池内沉淀颗粒的重金属污染状况进行的研究表明: 85%的沉淀颗粒粒径都小于20μm,大部分的重金属都吸附在这些细颗粒上。此外,由于汽车所造成的重金属只有5% ~11%能够传输到滞留池,大部分被路面的黏土所吸附,所以要想改善滞留池总的去除效果,就必须改用混凝土渠道,同时采用碳酸盐缓冲溶液来减少溶解性重金属的形成。
2. 2氧化塘
氧化塘又称稳定塘或生物塘,是经过适当休整的土地,设围堤和防渗层的污水池塘,主要依靠自然生物净化污染水体,使污水得到净化的一种污水生物处理技术。根据出水方式的不同,可将氧化塘分为连续出水塘、控制出水塘和贮存塘三类。利用氧化塘处理路面径流的优点:可以调节雨水洪峰量、工程简单、造价低廉、雨水处理能耗较低、处理效果较好、易实现雨水资源化;缺点:处理效率随季节性变化明显、效果不稳定、对防渗的要求较高、占地面积较大。影响氧化塘处理效率的主要因素为水力停留时间,随着水力停留时间的增加,氧化塘的处理效率提高。自上世纪50年代开始,国内就有学者进行了对氧化塘处理污水的研究,但到目前为止,利用氧化塘处理路面雨水径流的研究实例尚较少。刘珊等[12]研究水力停留时间对氧化塘处理雨水效果的影响,结果表明:当水力停留时间为14天时,氧化塘内的污染物浓度达到最低,此时的COD去除率为73%,石油类去除率为80%。
2. 3植被控制
植被控制是一种利用地表密植的植物对地表径流中的污染物进行截留的方法,它能够在径流输送过程中,将污染物从径流中分离出来,使到达受纳水体的径流水质获得明显改善,从而达到保护受纳水体的目的。植被控制包括植草沟渠和漫流两种。植草沟渠,即在输送地表径流的沟、渠中密植草皮,以防止土壤侵蚀并提高悬浮固体沉降效率。国外研究表明,在较为平缓的坡度(<5% )上种植高于地面至少15 cm的草,保持植草沟渠内较小的流速(<46 cm/s),对保证良好的污染物去除效率十分重要。漫流是过滤带的理论应用,它是在坡度较小的带状地面密植草皮,使水流发散成面流,从而过滤污染物质并提高渗透性的一种方法。地表植被去除污染物的机理为:吸附、沉淀、过滤、共沉淀和生物吸附过程。重金属、氮、磷的去除,主要与渗透损失、地表贮留等有关。美国学者Yousef对弗罗里达州两座立交桥的植草渠道进行了研究,表明植草渠道对重金属,尤其对离子态和溶解态重金属有较好的去除效果,其中Zn、Pb、Ni和Cd的去除率分别为62%、57%、51%和43%,同时对P和N也有较好的去除效果。澳大利亚的De-letic和Fletcher对植草过滤污染物能力的研究表明,植草对污染物的去除效率主要跟径流的流速有关,径流速度越小, SS的去除效率越高。可见,该方法是路面雨水径流污染的一种较好的控制方法,但是,由于植被覆盖的地表面积,将影响污染物去除的效率及下渗量,因而在治理雨水径流的效果上存在着局限性。
2. 4人工湿地
作为控制地表径流污染的措施之一,人工湿地能有效地控制路面雨水径流的污染。在美国佛罗里达州建有多处人工湿地,用来控制暴雨径流的污染,为缓解暴雨径流污染起到非常重要的作用。人工湿地中的植物根系,将湿地分成若干个相互交叉的厌氧、缺氧和好氧小区,各个区间内的微生物能去除径流中的COD、TN等污染物;而径流中的TP、重金属污染,主要是依靠填料和土壤颗粒的吸附和络合作用得以去除。根据水流流动方式,人工湿地可分为:表面流人工湿地(SF)和潜流式人工湿地(SSF)。其中潜流式人工湿地又可以分为:水平流和垂直流。自由表面流湿地对磷(出水TP<1 mg/L)去除的效果较好,而潜流系统更易去除COD和SS。人工湿地控制路面径流污染的优点是:运行和维护费用低廉、处理效果好;缺点是:占地面积大、易堵塞。在控制路面雨水径流污染方面, SSF比SF更有潜力、效率更高,但SSF的存储能力相对较差,因而SSF一般需与储水池联合使用。因而,人工湿地对路面径流污染具有良好的控制作用。同时,要结合当地用地情况和造价因素对人工湿地的形式进行选择。如果用地不受限制,则可以利用表面流人工湿地控制污染,否者即选择潜流式湿地比较有效。
2. 5渗滤系统
渗滤系统是使地表径流雨水暂时存储起来,并渗透到地下的一种暴雨径流的管理方法。渗滤系统通常包括渗坑、渗渠、渗井等,它主要用以去除溶解性污染物,对污染物的去除机理主要是过滤、颗粒吸附或离子交换等。德国和日本的渗滤系统处理雨水,普遍被用于城市雨水径流的资源化,并制定了相关规范。Sansalone[19]等的研究表明, PET系统可以有效去除公路路面径流中的SS、PAHs及重金属等污染物质,并指出, PET系统中的渗坑最为有效。渗滤系统的最大难点为渗滤系统的堵塞问题,当处理雨水径流中的SS含量较高时,渗滤系统便容易堵塞。澳大利亚Siriwardene[20]等对渗滤系统的堵塞问题进行了研究,并建立了相关模型,表明:以恒水头方式供水,且供水水头高于滤料层与其下端土壤层间的分界层(滤料/土壤界面)45 cm时,渗滤系统的堵塞速度最慢;变水头的供水方式很容易引起渗滤系统的堵塞。
3路面径流控制措施研究的建议
由于各地气候和交通条件,以及路面径流污染特性的差异,在实际应用中,需根据各地径流的污染特性、路面特征、路域周边地形特征、可用土地面积和工程造价等因素,并结合各种控制措施的特点,对以上几种措施进行合理地选用或组合使用。对路面雨水径流污染控制措施选取的建议为:
(1)根据当地路面径流水量、水质来选取控制措施;
(2)充分考虑道路周边土地的使用状况;
(3)考虑道路周边地形及土壤特征,如渗透率、含水率等;
(4)结合当地气候及植物生长特征;
(5)比较工程造价。对地下水位较低、植物生长困难、土壤透水率高的北方而言,利用渗滤系统来控制路面径流的污染,相对要经济适用;而对于地下水位较高、降雨较多、植物生长容易的南方,利用植被控制和人工湿地的方法相对容易。
参考文献
[1]赵剑强,邱艳华.公路路面径流水污染与控制技术探讨[J].长安大学学报(建筑与环境科学版), 2004, 21(3): 50-53.
[2]杨敦.潜流式人工湿地在暴雨径流污染控制中应用[J].农业环境保护, 2002, 21(4): 334-336.