高速公路路面径流污染特性和滞留池填料选取

李洋��

摘要：针对大规模、长距离的高速公路修建对于公路沿线水环境造成的影响，通过讨论高速公路路面径流污染特性和相应的工程类处理措施，对于高速公路路面径流中重金属污染和有机物污染并存的情况，测试了3种不同材料对有机污染物的去除效果。结果表明，活性碳和褐煤都可以作为高速公路路面径流滞留池的填料，对路面径流污染物进行处理。

关键词：高速公路；路面径流；滞留池；活性碳

中图分类号：U416.21文献标志码：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

随着高速公路的不断发展，高速公路周边的水环境问题，引起越来越多专家和学者的重视。高速公路路面径流是高速公路周边水环境污染的主要因素。高速公路路面降水形成路面径流，而大量污染物被冲刷进入地表水体造成水源污染[1]。相对于污染更加严重和明显的工业企业的点源污染，高速公路的面源污染长期以来未能引起足够的重视[2]。然而，地表水，包括河流、水库、湖泊等，是人们生活饮用水主要来源，高速公路的快速发展，使得越来越多的地表被公路覆盖，也就有越来越多的水源受到公路运输的影响。

1高速公路路面径流污染特性

由于高速公路沿线水环境的污染主要由高速公路路面径流造成，其污染物主要来自车辆的运行、雨水污染、大气粉尘等。高速公路路面径流主要污染物为悬浮物、重金属等无机物污染和氮、磷以及汽油中添加剂等有机物污染[3]。

国内外学者对于高速公路路面径流污染物的研究发现，悬浮固体污染物以Cu、Zn为代表的重金属以及燃油泄露带来的有机污染物是路面径流的主要污染物。Pontier研究了郊区一条车流量为30 000 veh·d-1的高速公路，结果发现周围河流的循环、自净功能很大程度上受到该高速公路路面径流的影响[4]。甘华阳对3种情况下的路面径流进行研究，发现悬浮物、重金属以及石油类有机污染物是路面径流污染的主要污染物，并且在径流产生初期浓度较高[5]。

2高速公路路面径流的防治

对于高速公路路面径流的处理包括非工程措施和工程措施2类。其中，非工程措施指的是路面清扫，或是制定相应的制度进行管理等。而比较常用的工程措施可以分为以下几种。

（1）加强植被保护。公路沿线地表的植物可以截留地表径流中的污染物。地表植被在路面径流的流动的过程中可以实现污染物的自然沉淀，并通过土壤过滤、根系吸附等作用，在路面径流到达地表水体之前将污染物从路面径流中分离出来，最终达到保护地表水体、保护水质的目的[6]。该方法因适用性广、简单易行被广泛使用；然而它的去除效果却很难保证，尤其是对污染程度较高的路面径流。

（2）滞留池。滞留池包括沉淀湾、碎石石基、竖向排水管和安全带4个部分。它不仅可以削弱暴雨洪峰流量，避免降雨初期高浓度污染径流流入高速公路周边清洁水体，还可以通过沉淀、吸附作用改善路面径流水质，去除污染物，使之最终安全排入自然地表水环境[7]。根据不同高速公路各自污染物的特点，滞留池还可以选择不同的填料进行过滤、修复，以达到净化路面径流的目的。

（3）氧化塘。

氧化塘也称稳定塘，是指利用天然净化能力对污水进行处理的建筑物，其净化过程与自然水体的自净过程很相似。

氧化塘处理方式简单易行、造价低、效果好，同时还能实现雨水的资源化利用，因而得到广泛的应用。值得注意的是，运用氧化塘工艺的时候要注意水力停留时间（HRT）的控制，要得到好的污染物去除效果，必须保证HRT达到一定的数值[89]。

（4）人工湿地。

人工湿地是一种生态型的绿色的控制污染的措施。它包括在浅水区种植水生植物，利用植物对污染物的截留、沉淀效果对高速公路路面雨水径流中的污染物起到去除作用。在国外，人工湿地已广泛运用于路面径流污染物的控制。D.M. Revitt对美国A34纽伯利公路沿线的人工湿地的处理效果进行分析研究，发现其对于路面径流中的有机物、悬浮物等都可以有效去除，去除率在43%～85%。

3高速公路滞留池填料的选择

本文选取了3种常被用来过滤、吸附重金属的吸附材料，通过测试它们对有机污染物去除的效率，来判断它们是否可以作为路面径流滞留池填料，以去除路面径流中重金属和有机污染物。

3.1吸附材料的选取

本文选取的吸附材料包括颗粒状褐煤HOX（Rheinbraun Brennstoff公司）、颗粒活性炭F300（Chemviron Carbon 公司）和半有机膨润土Tixosorb（SuedChemie 公司）。

选择褐煤、活性炭和半有机膨润土作为吸附剂是由它们在重金属吸附中表现出了良好的吸附性能。

3.2污染物的选取

本文的污染物侧重于选取有机污染物中的极性有机污染物甲基叔丁基醚（MTBE）和非极性有机污染物萘。MTBE是一种汽油添加剂，虽然浓度很低，却是路面径流中的常见污染物，对环境有很大危害。萘可以代表路面径流中的多环芳烃类污染物。

3.3试验过程

将2 g吸附材料添加至100 mL不同浓度的MTBE或是萘溶液中，以20 rmp的转速旋转振动24 h，然后将试验液体通过玻璃纤维滤纸过滤后检测其浓度。MTBE和萘的浓度检测均采用GC/MS分析法测得。吸附量由下列公式计算

qe = （C0-Ce）·V/m

式中：C0、Ce分别为初始浓度和吸附后浓度；V为吸附试验溶液体积（本文取100 mL）；m为吸附材料质量（本文取2 g）。

3.4试验结果分析

3.4.1吸附材料物理性质对比

为了更好的对3种不同的吸附材料进行比较，表2列出了3种吸附材料的表面积、微孔体积等物理性质。由表2可知，活性碳F300和褐煤HOK都具有比较大的表面积。活性碳F300的表面积达到1 084 m2·g-1，褐煤HOK的表面积也达到了308 m2·g-1，而半有机膨润土Tixosorb的表面积只有6 m2·g-1。半有机膨润土通常具有较大的表面积，但是其数值在本次试验中并不高，可能是受试验条件所致。试验中发现在BET试验的脱气阶段，半有机膨润土失去大量的水（气体形式），而水分子的直径是小于BET比表面积试验中所使用的氮气的分子直径的。由此推断，本文所采用的半有机膨润土或具有大量小于5 的微孔，而这些微孔在本文的BET试验中无法检测，所以导致本文中的半有机膨润土Tixosorb表面积数值较低。

此外，无论是微孔还是中孔，活性碳F300的孔体积都是3种材料最高的，分别是0.47 cm3·g-1的微孔体积和0.16 cm3·g-1的中孔体积。由此可知，在3种材料中，活性碳F300的孔径范围较广、孔体积较大。半有机膨润土Tixosorb的微孔和中孔孔体积在试验中未能测得。

3.4.2MTBE吸附结果

3种吸附材料对MTBE的吸附量结果见图1。由图1可知，活性炭F300和褐煤HOK在对极性有机污染物MTBE的吸附中均表现出良好的吸附能力。有研究表明MTBE的吸附与8～11 的微孔体积有密切的关系。活性碳F300和褐煤HOK在这个孔径范围的孔体积分别是0167 cm3·g-1和0045 cm3·g-1，大约相差3倍，这与它们在试验中对MTBE吸附量的倍数基本一致，验证了8～11 的微孔对于MTBE的吸附具有重要意义。半有机膨润土Tixosorb对于MTBE的吸附能力较弱，这也许与材料本身微孔孔径大小不适于吸附MTBE有关。

3.4.3萘的吸附结果

图2显示了3种吸附材料对于萘的吸附量比较。由图2可知，活性炭F300、褐煤HOK与半有机膨润土Tixosorb都显示出很好的对萘的吸附能力。这可能与萘的非极性特性有关，即萘非常容易从水溶液中析出，并附着于吸附材料上。3种吸附材料对于萘的去除率都达到了98%以上，都可以作为萘的吸附剂。

3.4.4吸附材料比较

通过对比3种不同吸附材料对MTBE和萘的吸附，可以发现：无论是极性有机污染物还是非极性有机污染物，活性碳都可以起到很好的吸附效果，褐煤次之，半有机膨润土对非极性有机污染物萘具有很好的吸附能力，但对于极性有机污染物MTBE的吸附却差强人意，不适用于含有多种污染物的高速公路路面径流的处理。

4结语

通过验证活性炭、褐煤和半有机膨润土对有机污染物的吸附能力得知，活性炭和褐煤是比较合适的、能用于滞留池去除重金属和有机污染物的填料材料；半有机膨润土由于缺少相应的微孔孔径，对MTBE的吸附较弱，不适用于含有较高有机污染物浓度的高速公路路面径流的滞留池作为填料材料。

参考文献：

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[责任编辑：杜敏浩]