公路路面径流污染生态处理初探

叶 颖，李定策，王亚琴，杨 帆，刘 微，陈 琳

(湖南省交通科学研究院，湖南 长沙 410015)

公路路面径流污染是一种重要的非点源污染，具有较高的污染强度，主要含SS、COD、油脂等污染物，其污水水质远超过《污水综合排放标准》一级标准［1，2］，如果未经处理的路面径流污水直接排放到公路环境或自然水体中，将对公路环境或自然水体造成严重污染。基于环保要求，现今大部分的高速公路都建议对地表径流进行收集和处理。高速公路路面属于不可透水性路面，公路径流中能够下渗到土壤中的量很少，只能进行区域性地分段收集和处理。地表径流收集系统发展相对较成熟，并已形成专门的《公路排水设计手册》，为公路收集系统设计提供可靠依据和规范。然而，地表径流处理技术发展相对滞后，并未形成成熟的相关理论或技术规范。因此，公路路面径流污染的处理近年来成为国内外竞相研究的热点，也是一个非常具有实践意义的环保课题。

1 公路路面径流处理现状

公路路面径流污染分布较分散，且沿着公路线性延伸，不能像城市生活污水一样进行集中处理，只能分段进行收集和处理。分段收集到的路面径流污水水量远低于生活污水水量，因而其处理复杂度和处理要求也会低于城市生活污水。然而，由于路面径流污水处理设施常设在公路沿途，且污水水质水量变化性很大，这使路面径流污水处理的设计复杂度、管理难度和与生态环境的协调性要求增大。路面径流处理措施有很多，包括沉淀、过滤、渗滤、植物控制等基本方法［3］，单一的处理方法虽能在一定程度上去除地表径流的污染物，但去除效果不是很理想，不能达到最佳的环境效益，经简单处理后的地表径流仍然成为高速公路沿线的环境隐患。生态处理技术融合了多种基本方法的作用效果，以其成本低、无二次污染且具有良好的环境协调性等优点在废水处理中具有十分重要的地位，针对城市生活污水的生态处理技术发展已经相当成熟，但针对地表径流的生态技术尚处于起步阶段。

2 公路路面径流的生态处理

2.1 国内外路面径流生态处理技术的研究和应用

生态处理技术是一种非常理想的处理手段，它能有效地降低地表径流中污染物的浓度，国内外针对高速公路常用的生态处理技术包括氧化塘、生物过滤、地下渗滤、沼泽地或人工湿地等。James 等［4］研究了沼泽地对高速公路地表径流的去除效率，证明沼泽能够有效地降低径流污染物总量以及TSS、重金属等的浓度，提高径流水质。Michio 等［5］利用土壤渗滤系统对路面径流污染物进行渗滤实验，结果发现地下渗滤系统能够有效去除径流中的污染物质，包括有机物质、COD、多环芳烃、重金属等。Da等［6］利用以碎石为过滤基质的人工湿地系统进行路面径流的去除实验，结果它对TSS 和NH3—N 有很高的去除率，且对COD 和TN 有较高的去除率。

我国目前虽然对公路路面径流污染处理有一定的研究，但是真正进行路面径流污染治理实践的很少。对于地表径流，国内多采用简单的沉淀池进行物化处理，少数地段会进行进一步的生化处理或被建议采用好氧塘进行沉淀和净化，如服务区所在路段。刘道行［7］针对江西九景高速鄱阳湖服务区采用地下渗滤系统进行了研究和实际应用，该系统对COD、TN、TP 的去除率分别可以达到 89.1%、87.5%和95.5%，其出水还能作为中水回用。广东渝湛高速公路首次采用了人工湿地技术来处理路(桥)面径流污水，而衷平［8］针对广东渝湛高速公路人工湿地对路(桥)面径流处理的效果进行了试验研究，结果发现该系统对SS 和COD 的处理率达到82%和75%，对BOD 和石油类物质处理率均超过了90%。因此，生态处理技术在高速公路环保领域具有很好的应用前景。

2.2 各生态处理技术的作用机理

2.2.1 氧化塘

氧化塘又称稳定塘或生物塘，是20世纪50年代迅速发展起来的一种污水处理工艺，具有基建投资少、运行管理简便、节省能耗等特点［9］。由于其水力停留时间长、占地面积大，因而常用于污水深度处理。污水在氧化塘内缓慢的流动、较长时间的贮留，通过污水中存活微生物的代谢活动和包括原、后生动物等在内的多种生物的综合作用，使污染物降解，污水得到净化。

2.2.2 生物滤池

生物滤池作为一种古老而又充满生机的污水处理工艺，具有基建投资少、占地面积小、运行费用低、单位体积所含生物量高且不易产生污泥膨胀等优点，日益得到人们的广泛关注与认同，并已应用在国内外许多城市污、废水处理及废水回用中［10］。生物滤池利用滤料的截污吸附作用和滤料上附着生物膜的生物降解作用，可以获得较好的污染物去除效果。

2.2.3 地下渗滤

污水土壤渗滤处理技术是下土壤渗滤法，是一种集自然生态净化与人工工艺于一体的小规模原位污水净化技术。地下渗滤系统的核心是土壤微生物及土壤－植物构成的稳定生态系统，将污水有控制地投配到具有一定构造和良好扩散性能的土层中，利用毛细管浸润、扩散原理，污染物则通过土壤生态系统的物质循环和能量流动逐级得到降解，最后达到净化水质的目的[11]。

2.2.4 人工湿地

人工湿地是20世纪70年代发展起来的一种污水生态处理技术，常应用于生活污水、路面径流、工矿业废水、垃圾渗滤液等各类废水的处理，具有很强的污水处理和环境恢复能力［12］。人工湿地作为一种自然处理系统，其核心是土壤－微生物－植物体系。该体系构成了一个“生态过滤器”，具有良好的自然净化功能，这其中包括土壤物理、化学、絮凝等作用，土壤微生物的生物降解和吸收作用，植物的根部吸收和过滤作用等。

2.3 不同高速公路路段径流污水的生态处理分析

高速公路路面径流污染是沿着高速公路线性延伸的，而路面径流污染对环境的影响范围是以高速公路为轴向公路两边蔓延的。基于这些特点，对高速公路径流一般进行分段收集和处理，不同路段的路面径流污染性质和污染程度随不同路段所经过的周围环境的变化而变化，那么针对不同路段收集到的路面径流污水，其处理技术和方法也会存在一定的差异，一般可分为普通路段、过桥路段和服务区所在路段径流污水3 种。

2.3.1 针对普通路段径流污水的生态处理

高速公路沿线一般都会经过农林地区或者城市郊区，这些地区主要以农业生产为主，那么路面径流对环境的污染主要体现在对农田、草地、树林等自然生态系统的破坏上。经处理过的路面径流如果不能被地表水体接纳，那将直接排放到这些自然生态系统中，进入到自然生态系统的循环之中。按照就近原则，高速公路上的污水处理设施一般会设置在高速公路沿线，所经区域人烟稀少，管理难度较大，因此需要选取无需专人管理的处理系统。针对该路段径流，可以考虑采用土壤地下渗透系统对径流污水进行处理。

为减少地下渗滤系统堵塞的可能性，预处理设备应加强对径流污水SS 的去除能力。地下渗滤系统一般为地埋式，这种方式不会占用很多地上空间，封闭式处理系统也能避免周围居民因误闯该区域而引起的意外事件。地下渗滤系统多采用土壤、砂土等作为基质，底部设防渗措施，以免未处理完全的污水下渗而污染地下水，而且系统上方地上空间可种植植物，这与周围的自然环境比较融洽，符合景观生态适应性的要求。经预处理的路面径流污水进入地下渗滤系统，主要利用土壤、砂土的过滤作用以及土壤微生物的降解作用，再协同地上植物的根部吸收作用，经过渗滤系统处理的污水还能回用在农林生产中。因此，地下渗透系统既满足了污水治理的基本要求，又进一步做到了路面径流资源化，是一种非常理想的路面径流处理系统。如图1。

图1 路面径流地下渗滤处理系统流程图

2.3.2 针对过桥路段桥面径流污水的生态处理

过桥路段桥面径流污水性质与普通路段径流基本相似，但由于该路段经过敏感水体，桥面径流不可避免地会进入到敏感水体中，而未经处理的桥面径流污水对于敏感水体来说是个巨大的威胁。由于大部分桥面径流水最终会排入到受纳水体中，因此对桥面经流污水处理后的出水水质要求相对较高。不同于农业用水和景观用水，敏感水体一般属于GB3838 Ⅲ类以上的水域，那排入该类水体的污水出水则要求达到《污水综合排放标准》一级标准。此外，考虑到桥面径流污水处理设施通常位于桥体和水体附近，针对该路段桥面径流污水，可考虑采用人工湿地系统对径流污水进行处理。

人工湿地的设置方式可分为两种，一种是平流式人工湿地，一种是塔式人工湿地，可根据不同的环境条件和地形条件设置不同方式的人工湿地。普通公路路段区域不适宜采用平流式人工湿地，因为人工湿地一般占地面积较大，但在桥体附近的水体两岸可提供较广阔的面积修建人工湿地。平流式人工湿地底部由土壤和填料混合组成填料床，再种植具有良好环境效应和景观效应的水生植物，经预处理的径流污水进入湿地系统后。基于跨越水体的要求，桥面与地面之间存在一定的高度差，而这段高度差产生的垂直空间为塔式人工湿地提供了有利的条件，这是普通公路路段所不具有的特点。塔式人工湿地指将人工湿地分为几层，污水经预处理后直接进入塔顶湿地系统，形成潜流式人工湿地，漫流的污水直接下流进入下层人工湿地，形成瀑布式表面流人工湿地，进行进一步的污水处理［13］。经过多层次人工湿地系统的作用，径流污水能够得到比较理想的净化效果。如图2。

2.3.3 针对服务区所在路段径流污水的生态处理

与普通路段不同，服务区所在路段产生的污水中除包含路面径流产生的污水外，还包含服务区产生的生活污水以及加油站和停车场地区的地面冲洗污水等，因而其污水性质较复杂。服务区生活污水属于小流量的高浓度 COD 高浓度氨氮生活污水［14］，因此，其对污水处理系统在COD 和氨氮去除效率方面的要求相对较高。针对服务区路段径流污水，其处理系统相对较复杂，建议考虑采用生物滤池－氧化塘组合工艺对径流污水进行处理。

图2 桥面径流污水人工湿地处理系统流程图

服务区生活污水预处理设备可采用化粪池，对污水各类污染物进行初步处理，主要是去除污水中的SS。经预处理的污水进入到生物滤池单元，生物滤池中可根据需要形成好氧、缺氧或厌氧区域，对有机物、TN、TP 等指标有很好的去除效果。为节约占地面积，可设置塔式生物滤池，既避免了大量蚊蝇生长，又无需设置专门的供氧设备。生物滤池出水排入氧化塘中进行深度处理，氧化塘中可种植具有景观功能的植物，与氧化塘中的水生微生物一起形成小型的水生生态系统，既具景观效果又能进一步净化污水中残留的污染物。此外，氧化塘也可作为服务区景观功能区的一部分，美化服务区的外部环境，而氧化塘出水还能回用于服务区地面冲洗等过程。如图3。

图3 服务区污水生物滤池－氧化塘组合处理系统流程图

3 结论

生态处理技术是一种理想的解决高速公路路面径流污染问题的处理手段，它具有成本低、无二次污染、良好的环境协调性等优点，主要包括氧化塘、生物过滤、地下渗滤、沼泽地或人工湿地等处理工艺。根据污水水质特征、公路环境特征等因素，将高速公路路段径流污水分成普通路段径流污水、过桥路段桥面径流污水和服务区所在路段径流污水。对于普通路段径流污水，建议采用地下渗滤系统进行处理;对于过桥路段桥面径流污水，建议采用人工湿地系统进行处理;对于服务区所在路段径流污水，建议采用生物滤池－氧化塘组合系统进行处理。

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