橋面徑流污染物測試試驗及處理方法研究

武新成，陳學平，簡 麗，姚嘉林

(1.新疆交通建設集團股份有限公司 烏魯木齊市 830016； 2.交通運輸部科學研究院 北京市 100029)

0 引言

早期建設的一些跨河橋梁橋面徑流大多直排進入水體中，給敏感水體的水質安全帶來巨大的隱患，一旦發(fā)生諸如危險品運輸泄漏事故，后果將不堪設想。我國原國家環(huán)境保護總局、國家發(fā)展和改革委員會及原交通部等三部委在2007年聯(lián)合下發(fā)的《關于加強公路規(guī)劃和建設環(huán)境影響評價工作的通知》(環(huán)發(fā)〔2007〕184號)要求“涉及敏感水體的橋梁在保證安全和技術可行的前提下，應在橋梁上設置橋面徑流收集系統(tǒng)，并在橋梁兩側設置沉淀池，對發(fā)生污染事故后的橋面徑流進行處理”[1-2]。對霍爾果斯至都拉塔口岸公路伊犁河三道河子特大橋橋面徑流搜集工程開展實驗研究，搜集橋面沉積物與橋面徑流，進行污染物粒徑分析、橋面徑流沉降性能試驗、溶解性試驗以及加藥混凝試驗，通過污染物處理試驗，選擇適宜的橋面徑流處理工藝，以達到危險品應急處理，增強敏感水體橋面徑流防范能力的目的。

1 公路橋面沉積物與橋面徑流樣品采集

1.1 橋面沉積物樣品采集

采用寬面取樣[3]：隨機選取三點，以各采樣點泄水孔為基點，選取長3.3m、寬3m的矩形區(qū)域10m2；每側采樣面積50m2，在天氣晴朗、路面干燥時使用車載吸塵器從路中線向邊側吸取細小塵土和顆粒，用軟毛刷仔細將濾網上的附著物掃入取樣袋中，并進行編號。

1.2 橋面徑流樣品采集

在大橋橋面徑流主匯水管收集池的末端安裝了一處取樣閥門，在降雨時或人工灑水模擬降水實施取樣，單次灑水量按1h降雨2～4mm并結合灑水區(qū)域面積進行折算[4]。橋面徑流集水管形成穩(wěn)定進水5min后開始取樣，對樣品進行編號。

2 橋面沉積物與橋面徑流測試試驗

試驗內容主要有橋面沉積物粒徑分布試驗、橋面徑流沉淀試驗、橋面徑流過濾試驗、加藥絮凝試驗，主要關注化學需氧量(COD)、懸浮顆粒物(SS)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)以及鋅(Zn)、銅(Cu)、鉛(Pb)等重金屬指標[5]。

2.1 橋面沉積物顆粒分析試驗

通過定量篩分稱重的方法測定了橋面沉積物樣品的粒徑分布情況，實驗結果見表1。

表1 橋面沉積物粒徑分布及其質量占比

2.2 橋面沉積物沉降性能試驗

樣品干燥后通過不同孔徑的網篩分層篩分出小于106μm、106～280 μm、280～500 μm、500～800 μm、800～1430 μm、1430～3000 μm 6個不同粒徑范圍的土樣，與未經篩分的原土樣分別進行稱重和定量配水。取50g各組土樣加入蒸餾水1L充分攪拌后靜置2h，分別取沉淀前后的懸濁液和上清液進行SS、COD等各項指標的測量。

2.2.1沉淀前后的SS含量

橋面徑流混濁液SS含量為2235mg/L，沉淀2h后上清液SS降至263mg/L，去除率約為88.23%。各級粒徑顆粒物配水沉淀前后SS去除率和上清液中SS的含量如圖1所示。其中SS去除率隨著粒徑增大從81%升至97%。

圖1 各級粒徑上清液SS含量及其去除率

隨著粒徑的增大，沉淀后上清液中SS的含量從472mg/L減少至43mg/L。粒徑小于500μm顆粒物上清液SS含量均在300mg/L以上，是粒徑大于800μm顆粒物的6倍左右，當粒徑小于280μm后，沉淀工藝對橋面徑流中SS的去除效果明顯降低。

2.2.2沉淀前后的有機污染物含量

橋面徑流混濁液COD含量為941.8mg/L，沉淀2h后上清液COD降至278.7mg/L，綜合去除率約為70.4%。各級粒徑顆粒物配水沉淀前后COD去除率和上清液中COD的含量如圖2所示。沉淀后COD的去除率隨著粒徑增大從76%降至46%，呈現(xiàn)顯著的下降趨勢，即粒徑越大隨顆粒物沉淀去除的COD比例越小。各級粒徑的COD沉淀去除率差異較大，NH3-N的含量在沉淀前后基本沒有變化，TP通過沉淀約有80%的整體去除率。NH3-N和TP均未表現(xiàn)出沉淀去除率與顆粒物粒徑大小的明顯相關性。

圖2 各級粒徑上清液COD含量及其去除率

2.2.3沉淀前后的重金屬污染物含量

根據對原土樣配水沉淀前后的重金屬測定，Zn和Cu的沉淀去除率分別為60.32%和60.70%，Pb的沉淀去除率為18.36%，各級粒徑顆粒物配水沉淀前后重金屬(Zn、Cu、Pb)去除率和上清液中重金屬的含量如圖3所示。

圖3 各級粒徑顆粒物上清液重金屬含量及其去除率

2.3 加藥混凝試驗

2.3.1加藥混凝實驗方案

取橋面徑流沉淀后上清液進行加藥實驗，加入藥劑攪拌均勻5min后，靜沉30min。藥劑選用聚合氯化鋁(PAC)和聚合硫酸鐵(PFS)兩種，加藥劑量選取10、30、50、70 mg/L，并對兩種變量進行正交實驗[6]。對上述各過程中和出水的COD、濁度(單位：NTU)和重金屬進行測定。

2.3.2加藥混凝結果分析

徑流樣品沉淀后上清液測得濁度為77.45NTU，COD濃度為125.4mg/L， Zn含量為0.3421mg/L，Cu含量為0.0449mg/L。加藥混凝沉淀后，濁度和各類污染物都有明顯下降，結果如圖4所示。

圖4 加藥混凝沉淀后上清液的COD和濁度

從達標排放的角度，加入兩種絮凝劑后COD濃度均低于80mg/L，滿足GB 8978—1996的一級排放標準。根據以上結果分析，添加50mg/L的PAC作為絮凝劑能夠起到相對更好的去除效果。在這一加藥條件下，對COD濃度可降至36.12mg/L，濁度降至7.96NTU，Zn含量降至0.1737mg/L，Cu含量降至0.0192mg/L，各類污染物去除率見表2。

表2 沉淀上清液添加PAC50mg/L的絮凝沉淀去除率

2.3.3過濾結果分析

將沉淀上清液以不同流速通入濾柱過濾后，分別對COD和濁度的測定結果如圖5所示。過濾對COD有明顯的去除效果，兩種濾料對COD的去除效果相近，石英砂對濁度的去除效果比EPS濾料更好，隨著流速上升過濾的去污效果稍有下降。

圖5 上清液過濾后的COD和濁度

從達標排放的角度來看，過濾后COD濃度均低于80mg/L，滿足GB 8978—1996的一級排放標準。石英砂過濾后Zn和Cu的含量分別為0.1789mg/L和0.0236mg/L，EPS濾料過濾后Zn和Cu的含量分別為0.1907mg/L和0.0247mg/L，均滿足GB 3838—2002的II類水質標準。

2.3.4加藥混凝實驗結果分析

在加入適宜的劑量和絮凝劑種類的前提下，加藥混凝對COD的去除效果明顯高于過濾處理對COD的去除效果[7]；兩種處理手段都能將沉淀上清液的COD濃度從125.4mg/L降至80mg/L以下，即處理后達到排放標準；對濁度的降低率都遠高于40%，可以滿足SS達標排放的要求。沉淀上清液按50mg/L劑量添加PAC絮凝劑，通過石英砂濾柱和EPS濾料濾柱，過濾液測定結果如表3所示。

表3 混凝沉淀+過濾處理的出水指標測定及其去除率

試驗表明，采用石英砂過濾的組合效果整體略好于采用EPS濾料過濾的組合，尤其是對于重金屬Zn，前者比后者的去除率高約18%；兩種組合對濁度的降低率都在90%以上，混凝沉淀+石英砂過濾組合的濁度降低率甚至高達98%，充分滿足SS的排放要求；兩種組合對COD的去除率非常接近，77%以上的去除率也能夠充分滿足COD的排放要求。

3 污染物處理方法選擇

根據上述的污染物去除要求和工程現(xiàn)場的管理養(yǎng)護條件，確定徑流處理方案以常規(guī)的物化處理為主，即沉淀、過濾和加藥混凝，三種處理方法的比較如表4所示。

表4 沉淀、過濾和加藥混凝的特點比較[8-9]

沉淀是去除徑流污染物的最基本、最簡單易行的手段，但對微小顆粒及其結合態(tài)污染物的去除效果較差，單獨的沉淀處理無法使徑流中的SS和COD達到排放標準[10]；過濾能夠有效去除徑流中的細小顆粒及其攜帶的污染物，并使出水的SS和COD滿足排放要求，但也會增加反沖洗、填料更換等維護和運行成本[5]；加藥混凝較上述兩種處理方法更加復雜，需要在系統(tǒng)中設置自動加藥裝置，會增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，會增加維護難度和運行成本。

從處理效果來看，加藥混凝+過濾擁有最佳徑流凈化效果，由于加藥混凝需要在徑流處理系統(tǒng)中加入投藥裝置，增加系統(tǒng)運行所需的維護成本，EPS漂浮型濾料比重很輕，更加易于補充和更換，成本也相對低廉，因此在過濾處理中選擇EPS漂浮型濾料作為過濾材料。

4 結論

(1)沉淀和過濾能夠有效去除橋面徑流沉淀物中顆粒污染物，但對SS和COD污染物去除效果有限。

(2)“加藥混凝+過濾”處理方案擁有最優(yōu)的徑流凈化效果。

(3)選用“沉淀+過濾”的方案，選擇EPS漂浮型濾料，是橋面徑流處理較為經濟合理的方案選擇。