蛭石净化路面径流污染初探

李 志 周科峰

(1.广东省长大公路工程有限公司第三分公司，广东广州 511430;2.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410000)

0 引言

近年来随着交通基础设施建设的发展，公路尤其是高速公路在建设期和使用期造成的生态问题和环境保护问题日益突出，其中路面径流污染是其中较为突出的一个方面。路表径流中的重金属离子、氨氮化合物的污染尤其严重，如果不进行有效处理将遗留下巨大的隐患。以往的路表径流净化方法存在投资大、见效慢的缺点。本文提出了利用在我国蕴藏量巨大的蛭石进行路表径流吸附净化的方法。经过实验证明，利用蛭石对水体净化具有显著效果，对路表径流中的污染物尤其有针对性。

1 路表径流主要污染物及其危害

公路路面径流中的污染物主要是与汽车交通有关的重金属离子和由于燃料的不完全燃烧而产生的有毒有机物;还有冲刷地表时携带的氨氮磷等，这些污染物多为生物难于降解的物质，而且绝大部分为固体物质或者黏附于固体物质上。影响其浓度的因素有交通量、路况、车况、天气状况、自然地理状况、路面清扫状况等，这些污染物直接排入受纳水体将可能改变受纳水体作为饮用水源地、娱乐用水或生态保护区的价值。

此外，公路径流中包含毒性物质，如重金属、毒性有机物等，这些物质绝大多数黏附于固体物质上并随着固体物质的沉积而存在于底泥当中，将对水体产生长期的、潜在的影响。

2 国内外路表径流主要处理方法及局限

目前国内处理路表径流的方法主要有植被控制、湿式滞留池、渗滤系统和湿地。由于我国幅员辽阔，各地气候不尽相同，在北方特别是西北地区利用植被控制、湿地对路表径流污染进行控制存在实际困难;传统的湿式滞留池和渗滤系统由于需要占用大片的土地，而我国却存在着土地资源严重不足的矛盾，因此此类方法也未得到大范围推广。目前一些科研机构也推出一些新型、高效的处理技术处理路表径流，例如高效纤维过滤技术、改性硅藻精土处理技术、膜分离技术等。但是此类技术虽然短时间内能取得较为显著的效果，但是也存在维持效果所需成本较高的缺点。

3 蛭石对污染物处理效果分析

蛭石是指结构单元层为2∶1型的三八面体和二八面体硅酸盐，其化学通式可表示为:Mgx(H2O){Mg3－x(AlSiO3O10)(OH)2}。蛭石的晶体结构是由3个基本结构层组合的结构单元层重复堆积而成，每个结构单元层中，中间为硅氢氧铝镁层，上下基本层均为硅氧四面体，层间具有水分子及可交换性阳离子，这种结构特点使蛭石具有很强的阳离子交换能力。中国有储量丰富的蛭石矿资源，新疆尉犁且干布拉克蛭石矿床是目前国内发现的最大蛭石矿床，估计总地质储量居世界第二，天然蛭石具有储量丰富、价格低廉、吸附容量大，对环境无毒无害且容易再生等优点。目前国内对蛭石的研究应用主要集中在进行建筑材料的制备，少量应用于工业废水处理方面，对于利用蛭石进行路表径流处理尚无相关研究。

为了证明蛭石处治路表径流污染的可行性，进行了一系列蛭石吸附净化路表径流的室内实验。

3.1 蛭石对重金属离子的吸附净化

称取0.200 0 g(±0.000 1 g)蛭石样品若干份，置于50 mL磨口锥形瓶中，加入50 mL浓度为20 mg/L的金属离子溶液。将吸附时间从1 min变化到60 min，测定滤液中金属离子的平衡浓度。每次实验重复3次。同时，分别在不加蛭石，不加金属离子两种情况下做空白实验。结果表明，两种空白值均很小，说明金属离子在玻璃器壁的吸附以及蛭石中溶出的Pb，Cd，Ni，Hg浓度很小，可忽略不计。

金属离子在蛭石上的吸附速率开始时很快，越接近平衡吸附速率越慢。以Pb2+为例，在最初吸附的10 min吸附率即达到80%以上。通过对实验数据分析发现，蛭石对金属离子的吸附可用Lagergren拟二级速率方程来描述，即:

其中，Qe，Qt分别表示平衡吸附量和 t时刻吸附量，mg/g;k2为吸附速率常数，g/(mg·min)－1。对式(1)分离变量积分后得:

通过t/Qt对t作图，可求出平衡吸附量和速率常数k2。

由图1可见，拟二级速率方程式(2)能很好的描述蛭石对金属离子的吸附动力学，实验数据与方程吻合甚好，相关系数r达到0.99以上。因此，4种金属离子在蛭石上的吸附动力学行为均符合拟二级速率方程，其吸附速率大小分别为:Ag+＞Pb2+＞Cd2+＞Ni2+。由表1可见，蛭石对重金属离子吸附效果良好，即使是吸附速率最小的Ni2+，最终平衡吸附量也在21.98 mg/g以上。

图 1 Pb2+，Cd2+，Ni2+，Ag+吸附速率图

表1 蛭石对金属离子的吸附动力学参数

3.2 蛭石对氨氮的吸附净化作用的室内实验

用经100℃干燥过的氯化铵(分析纯)配制铵标准储备液，浓度为2 000 mg/L(以NH+4计)。使用时以蒸馏水稀释至所需浓度，并进行实测。将调配好的铵溶液，放入250 mL磨口三角瓶中，并向其加入一定量的蛭石，在室温(20℃左右)条件下，置于恒温振荡器中，转速为200 r/min，按要求在一定时间后取样，测定NH+4-N的浓度。蛭石的吸附和离子交换作用去除氨氮，其去除水中氨氮以及再生过程的机理可用如下反应式表示:

除氨过程:Z—M++NH+4→Z—N H+4+M+。

再生过程:Z—NH+4+Na+→Z—Na++NH+4。

在室温(20℃)条件下，取浓度分别为25 mg/L，50 mg/L，100 mg/L，200 mg/L的氯化铵标准溶液100 mL置于多个250 mL的磨口三角瓶中，向其加入2 g的蛭石，进行吸附实验，吸附平衡后，计算蛭石的饱和吸附容量。实验结果见表2。

表2 蛭石对不同浓度氯化铵溶液的饱和吸附容量

由表2可见蛭石对氯化铵的吸附净化能力，随着氯化铵溶液浓度的增加而显著增加，吸附效果较为明显，具有一定的实际意义。

4 蛭石吸附净化路表径流在实际工程中应用

作者在大庆至广州高速公路河北省境内衡水至大名段的排水系统中加入蛭石制品对收集的地表径流进行处理。图2，图3分别是在边沟、集水井中添加蛭石颗粒层对路表径流进行处理。蛭石颗粒粒径在15 mm～40 mm之间，当路表径流下渗汇聚后在沟渠中流动、渗透，蛭石层可对地表径流进行一定的吸附净化。实践证明蛭石颗粒层吸附净化效果良好，能清除95%以上的重金属离子和氨氮。

图2 沟渠底部铺设蛭石颗粒层

图3 渗透（沉淀）池底部铺设蛭石过滤层

除了设置蛭石过滤层外，为了增强吸附净化的效果，也可以将蛭石制成如图4所示之蛭石格栅，将其设置在渗透池、沉淀池等最终收集路表径流设施的底部。在下渗之前增加路表径流与蛭石材料的接触面积，以加强吸附净化的效果。

图4 蛭石隔栅结构图（单位：cm）

5 结语

目前广泛应用的膨胀蛭石，价格每吨仅450元左右，利用蛭石进行路表径流的污染防治，成本大大低于其他措施，并能节约大量的土地资源，适用于中国各地不同的自然环境。对于中国这样一个发展中国家，能够利用储量丰富，价格低廉的本地资源进行路表径流污染防治，符合可持续发展的战略思想。

［1］ 赵剑强，张志杰.城市道路路面径流水质特性及排污规律［J］.中国给水排水，2001，17(1):33-35.

［2］ 郑 远，贾 璐，杜豫川，等.道路路表径流污染处理体系研究［J］.城市道桥与防洪，2007(8):155-157.

［3］ 赵剑强，孙奇清.城市道路路面径流水质特性及排污规律［J］.长安大学学报，2002，22(2):21-23.

［4］ 王 峰，梁成华，杜丽宇，等.天然蛭石和沸石吸附铜和锌的特性研究［J］.沈阳农业大学学报，2007(8):531-534.

［5］ 甘华阳，卓慕宁，李定强，等.广州城市道路雨水径流的水质特征［J］.生态环境，2006，15(5):969-973.