透水瀝青路面凈化雨水徑流的研究進(jìn)展

章澤宇，駱輝，荊肇乾

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

城市道路雨水徑流對(duì)城市生態(tài)的負(fù)面影響已逐漸被研究人員所重視[1]。城市道路徑流污染物主要來自雨水沖刷路面、大氣濕沉降[2]。經(jīng)過上述途徑，大氣中的粉塵、灰塵，路面中的SS、各類有機(jī)物及Cu、Zn、Pb等重金屬進(jìn)入雨水徑流中[3]。

透水瀝青路面是由排水瀝青為面層，并可以允許雨水徑流進(jìn)入路面甚至允許徑流通過路面基層進(jìn)入路基的一類路面的總稱[4]。20世紀(jì)70年代，美國(guó)賓夕法尼亞州東南部城市費(fèi)城修建了一條透水瀝青路面，由于面層易被顆粒物堵塞，該路面在當(dāng)時(shí)并沒有得到推廣[5]。之后隨著土工織物及各類解決方案的出現(xiàn)，堵塞問題得到了很大程度的改善。在美國(guó)，透水瀝青路面已大量應(yīng)用于商業(yè)中心停車場(chǎng)、大學(xué)操場(chǎng)和廣場(chǎng)等中、輕交通量的區(qū)域。20世紀(jì)70年代，日本為解決地基沉降問題開啟了透水瀝青路面的研究，如今透水瀝青路面在日本得到了大范圍的應(yīng)用[6]。我國(guó)對(duì)透水瀝青路面的研究起步較晚，2012年，《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 190—2012)正式頒發(fā)，明確提出透水瀝青路面在我國(guó)城鎮(zhèn)道路工程中的應(yīng)用[7]。

1 路面徑流水質(zhì)污染特征

根據(jù)我國(guó)各城市的道路雨水徑流污染情況可知，道路徑流COD和TN的濃度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，TP的濃度一定程度的超出地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，SS的濃度也普遍較高，具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 部分城市道路雨水徑流次降雨徑流平均濃度

2 透水瀝青路面類型和結(jié)構(gòu)形式

2.1 國(guó)內(nèi)透水瀝青路面結(jié)構(gòu)和類型

我國(guó)透水瀝青路面的主要設(shè)計(jì)依據(jù)是《透水路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 190—2012)，結(jié)合道路所在土質(zhì)與道路用途決定道路具體結(jié)構(gòu)，路面設(shè)計(jì)時(shí)需考慮路用性能和透水性的因素[20]。

透水瀝青路面結(jié)構(gòu)類型可分為以下3種類型(圖1～圖3)。

Ⅰ型透水瀝青路面，也稱排水瀝青路面，徑流通過面層內(nèi)部向鄰近排水設(shè)施流出。

Ⅱ型透水瀝青路面，其面層和基層均具有透水能力。

Ⅲ型透水瀝青路面，也被稱為全透性透水瀝青路面，雨水徑流進(jìn)入路面后直接進(jìn)入路基。

圖1 Ⅰ型透水瀝青路面結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of type Ⅰ permeable asphalt pavement

圖2 Ⅱ型透水瀝青路面結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of type Ⅱ permeable asphalt pavement

圖3 Ⅲ型透水瀝青路面結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of type Ⅲ permeable asphalt pavement

Ⅰ型透水瀝青路面具有降噪、路面抗滑性能好和快速排出路面積水等優(yōu)點(diǎn)。Ⅱ型透水瀝青路面具有Ⅰ型透水瀝青路面的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以減少地面徑流量，減輕暴雨時(shí)城市排水系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。Ⅲ型透水瀝青路面兼具上述優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還可以補(bǔ)充城市地下水資源，改善道路周邊的生態(tài)環(huán)境。

2.2 國(guó)外透水瀝青路面結(jié)構(gòu)和類型

以日本、美國(guó)為代表的國(guó)家是世界上透水性路面材料研究與應(yīng)用較為先進(jìn)的國(guó)家。在這些國(guó)家，高強(qiáng)度、高性能的透水性路面的研究與應(yīng)用也走在世界的前列。在日本于2007年頒布的《透水路面指南》中，根據(jù)透水路面要實(shí)現(xiàn)的效果提出了路床滲透型和暫時(shí)儲(chǔ)存型兩種透水路面結(jié)構(gòu)[21]。

在美國(guó)，透水瀝青路面主要應(yīng)用于中、輕交通量的區(qū)域，特別是停車場(chǎng)、公園道路、小區(qū)道路和廣場(chǎng)等場(chǎng)所；美國(guó)大部分州也會(huì)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蚝徒涤陾l件，設(shè)置其路面結(jié)構(gòu)形式，但總體來說美國(guó)各州透水瀝青路面的大體結(jié)構(gòu)是相似的[22]。以俄亥俄州全透型透水瀝青路面結(jié)構(gòu)形式為例[23]，應(yīng)用于中、輕交通量的區(qū)域的全透型透水瀝青路面可分為兩種類型(圖4～圖5)。街道透水瀝青路面與停車場(chǎng)透水瀝青路面的主要區(qū)別在于下臥層的材料和厚度以及是否設(shè)置底基層。

圖4 俄亥俄州停車場(chǎng)透水瀝青路面Fig.4 The structure of permeable asphalt pavement in Ohio parking lot

圖5 俄亥俄州街道透水瀝青路面Fig.5 The structure of permeable asphalt pavement in Ohio street

3 透水瀝青路面對(duì)地表徑流凈化效果

透水瀝青路面結(jié)構(gòu)由于呈多孔構(gòu)造，路面徑流在下滲過程中，通過各結(jié)構(gòu)層的過濾、吸附、截留等作用，以及結(jié)構(gòu)層中微生物的凈化作用，起到減少徑流中的有機(jī)物、SS和重金屬等污染物數(shù)量的作用。

3.1 面層對(duì)地表徑流凈化效果

3.1.1 面層空隙率 宋秋霞等[24]研究了不同空隙率的瀝青路面對(duì)徑流污染物的去除效果，通過測(cè)定5種不同空隙率的瀝青混合料試件對(duì)徑流污染物的去除效果，發(fā)現(xiàn)透水瀝青路面的空隙率控制在12.1%～23.0%時(shí)凈化徑流污染的效果較好，其中SS和濁度的去除率與面層空隙率呈負(fù)相關(guān)性，對(duì)Zn、Pb等重金屬的去除率與面層空隙率呈負(fù)相關(guān)，但變化幅度不大。

解曉光等[25]研究發(fā)現(xiàn)空隙率為19.9%的瀝青混合料對(duì)COD和SS的去除率分別為61.3%和62.5%。趙曜等[26]研究發(fā)現(xiàn)目標(biāo)空隙率為20%的瀝青試件對(duì)Pb2+去除率在30.4%～34.48%之間。李志霏[27]比較了6種面層材料對(duì)雨水徑流的凈化作用，發(fā)現(xiàn)在透水瀝青孔隙體積數(shù)為1時(shí)，對(duì)氨氮去除率可達(dá)到75%左右，對(duì)硝態(tài)氮的去除率15%左右；孔隙體積數(shù)在5～30之間時(shí)，對(duì)氨氮去除率在40%～50%之間，對(duì)硝態(tài)氮的去除率在16%～24%之間；在6種鋪裝系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，透水瀝青系統(tǒng)對(duì)于COD和氨氮的去除效果最好；而對(duì)于硝態(tài)氮的凈化效果是6種透水鋪裝系統(tǒng)中最差的。

3.1.3 運(yùn)營(yíng)周期 吳正光等[31]研究發(fā)現(xiàn)瀝青混合料對(duì)于道路雨水徑流的主要污染物的凈化效果后期污染物負(fù)荷影響較大，凈化效果的穩(wěn)定性較差。解曉光等[30]研究了瀝青混合料在不同年限的降雨沖刷下混合料的去污能力，發(fā)現(xiàn)在降雨量達(dá)到3年時(shí)，COD凈化率開始下降；當(dāng)降雨量累計(jì)達(dá)到5年降雨總量時(shí)，瀝青混合料對(duì)COD的凈化率不足17%；由此可初步推斷，透水瀝青混合料的去除有機(jī)污染物的有效年限約為3年。

3.2 基層對(duì)地表徑流凈化效果

3.2.1 透水混凝土基層 研究表明[32-33]，多孔混凝土對(duì)徑流污染物有良好的去除效果。多孔混凝土作為新型生態(tài)材料可代替?zhèn)鹘y(tǒng)混凝土作為基層材料，形成透水混凝土基層。許國(guó)東等[32]研究認(rèn)為，采用10～20 mm粒徑的集料所制備的空隙率為 25%的多孔混凝土其水質(zhì)凈化效果最佳。徐大勇等[33]利用多孔生物質(zhì)混凝土凈化酸性礦井水，實(shí)驗(yàn)證明，礦井水經(jīng)過多孔生物質(zhì)混凝土凈化后COD、TP的濃度明顯降低，去除率可分別達(dá)到60%，80%以上。秦新[34]研究表明，透水水泥穩(wěn)定碎石基層對(duì)雨水徑流污染物有一定的凈化作用，其對(duì)污染物的去除率的大小為：TP>TSS>COD。

3.2.2 級(jí)配碎石基層 蔣瑋等[35]研究表明，級(jí)配碎石對(duì)Pb和氨氮的去除效果相對(duì)較好，徑流污染物經(jīng)過厚度>15 cm的碎石層后，氨氮的檢測(cè)指標(biāo)相對(duì)值降至40%以下，鉛的檢測(cè)指標(biāo)相對(duì)值低至檢出限值下，此外級(jí)配碎石對(duì)BOD、COD、Zn和石油類等也有一定去除效果。解曉光等[36]研究發(fā)現(xiàn)，孔隙率為21.8%的水泥穩(wěn)定碎石基層對(duì)COD和SS的去除率分別為47.83%和62.04%，表明碎石基層對(duì)COD和SS有一定的去除效果。

李蒙正等[37]實(shí)驗(yàn)表明，基層的厚度對(duì)TSS、TP的平均去除率的影響不大，實(shí)驗(yàn)中基層分別設(shè)置150 mm和250 mm兩種厚度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種厚度的基層對(duì)TSS的去除率都接近100%，TP的平均去除率70%。李陽[38]經(jīng)過實(shí)驗(yàn)后也得出類似結(jié)果，發(fā)現(xiàn)基層厚度由150 mm增加到250 mm的過程中，TP去除率從74.6%變?yōu)?0.8%，而SS、TN和COD的去除率分別保持在90%，10%和40%左右，均未發(fā)生明顯變化。

3.2.3 基層材料 王俊嶺等[39]研究了礫石、陶粒、沸石等3種基層骨料在靜態(tài)吸附等溫實(shí)驗(yàn)下對(duì)徑流污染物的削減效果，發(fā)現(xiàn)沸石對(duì)污染物的去除效果最好，沸石對(duì)COD、TP和Cu的吸附能力比礫石分別高出51%，61%和87%。汪鴻山[28]比較了透水瀝青路面過濾層常用材料沸石、活性炭、火山巖、爐渣以及陶粒對(duì)徑流污染物的凈化效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，火山巖對(duì)徑流中COD的凈化效果優(yōu)于爐渣和陶粒；但是從過濾層材料對(duì)整個(gè)徑流污染物凈化效果角度來講，爐渣、陶粒對(duì)徑流污染物的凈化效果要優(yōu)于其他材料，因此陶粒和爐渣可作為透水瀝青路面的優(yōu)選過濾材料。王祝來等[40]用粉煤灰陶粒對(duì)初期徑流雨水進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示粉煤灰陶粒能較好地吸附對(duì)初期徑流中的COD、TP和TN等污染物，且對(duì)同時(shí)含有COD、TP和TN的混合液進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，粉煤灰陶粒在混合液中對(duì)各實(shí)驗(yàn)指標(biāo)吸附效果無明顯干擾。

4 透水瀝青路面凈化機(jī)理探究

解曉光等[25]認(rèn)為由于不同空隙率的瀝青混合料對(duì)徑流污染物都有一定的去除效果，因此混合料對(duì)于污染物的去除是通過孔隙結(jié)構(gòu)的吸附和截留作用去除水體中的有機(jī)污染物和固體懸浮物。蔣瑋等[35]認(rèn)為徑流中的Cu、Pb、Zn和Cr等重金屬污染物主要以吸附態(tài)的形式吸附在SS上，并隨著SS的除去而除去。張磊等[41]認(rèn)為瀝青質(zhì)可通過氫鍵、范德華力、配位作用、離子交換等作用對(duì)重金屬進(jìn)行物理和化學(xué)吸附。趙曜[42]認(rèn)為透水瀝青路面對(duì)徑流中的Pb、Zn的去除主要依靠SS的吸附作用和材料內(nèi)部微觀孔隙的截留吸附，并深入分析瀝青中不同組分對(duì)瀝青薄膜自溶液中吸附的影響，發(fā)現(xiàn)瀝青中部分羧酸在水中電離為羧酸根離子和氫離子；而羧酸根離子可與重金屬離子形成較為穩(wěn)定的螯合物。其作用機(jī)理如下：

R-COOH+H2O→R-COO-+H3O+

R-COO-+Pb2+→Pb(RCOO)2↓

2R-COO-+Zn2+→Zn(RCOO)2↓

并發(fā)現(xiàn)在pH>7時(shí)，該反應(yīng)向右進(jìn)行。

Zn2+(aq)+H2O(l)

Zn(OH)+(aq)+H+(aq)

Newman等[44]研究發(fā)現(xiàn)滯留在自行開發(fā)的能為微生物提供無機(jī)養(yǎng)分土工織物薄膜上的油污會(huì)成為一些微生物的食物來源，油污經(jīng)過有氧細(xì)菌和真菌的代謝作用轉(zhuǎn)化為糖分;在經(jīng)過一定時(shí)間的培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)在土工織物上已經(jīng)形成了一個(gè)復(fù)雜的生物群落，包含了各種細(xì)菌、真菌、單細(xì)胞微生物和多細(xì)胞微生物;由此消除油污對(duì)土工織物的堵塞作用，保持土工布的透水暢通。

5 結(jié)束語

關(guān)于透水瀝青混合料對(duì)徑流污染的凈化效果的研究主要集中在混合料空隙率的變化帶來的影響，但改性瀝青對(duì)凈化徑流污染的效果方面的研究還有待深入。在今后的研究中，開發(fā)出既滿足路用性能又具有更好的凈化功效的改性瀝青，是未來透水瀝青路面研究中值得注意的方向?；鶎痈男缘难芯亢蛯?duì)墊層的關(guān)注都有不足，基層和墊層占透水瀝青路面體積相當(dāng)大比重，因此基層和墊層研究對(duì)透水混凝土路面的影響很大?；A(chǔ)材料的創(chuàng)新與改造是今后的重點(diǎn)研究方向之一。

當(dāng)前對(duì)透水瀝青路面的凈化機(jī)理還有待深入研究，在透水瀝青路面中面層空隙是否起主要作用，落干期路面內(nèi)部是哪些微生物在凈化截留和吸附在各結(jié)構(gòu)層的污染物、微生物對(duì)污染物的轉(zhuǎn)化分解過程，全透式透水瀝青路面的墊層的凈化作用是否明顯等這些都需要進(jìn)一步的研究。路面在雨水期對(duì)COD、TN和重金屬等的去除效果相對(duì)有限。以上諸多問題在只有明確路面的凈化機(jī)理下，對(duì)各方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能提高凈化效果。