蛭石凈化路面徑流污染初探

李 志 周科峰

(1.廣東省長大公路工程有限公司第三分公司，廣東廣州 511430;2.長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南長沙 410000)

0 引言

近年來隨著交通基礎設施建設的發(fā)展，公路尤其是高速公路在建設期和使用期造成的生態(tài)問題和環(huán)境保護問題日益突出，其中路面徑流污染是其中較為突出的一個方面。路表徑流中的重金屬離子、氨氮化合物的污染尤其嚴重，如果不進行有效處理將遺留下巨大的隱患。以往的路表徑流凈化方法存在投資大、見效慢的缺點。本文提出了利用在我國蘊藏量巨大的蛭石進行路表徑流吸附凈化的方法。經(jīng)過實驗證明，利用蛭石對水體凈化具有顯著效果，對路表徑流中的污染物尤其有針對性。

1 路表徑流主要污染物及其危害

公路路面徑流中的污染物主要是與汽車交通有關的重金屬離子和由于燃料的不完全燃燒而產(chǎn)生的有毒有機物;還有沖刷地表時攜帶的氨氮磷等，這些污染物多為生物難于降解的物質(zhì)，而且絕大部分為固體物質(zhì)或者黏附于固體物質(zhì)上。影響其濃度的因素有交通量、路況、車況、天氣狀況、自然地理狀況、路面清掃狀況等，這些污染物直接排入受納水體將可能改變受納水體作為飲用水源地、娛樂用水或生態(tài)保護區(qū)的價值。

此外，公路徑流中包含毒性物質(zhì)，如重金屬、毒性有機物等，這些物質(zhì)絕大多數(shù)黏附于固體物質(zhì)上并隨著固體物質(zhì)的沉積而存在于底泥當中，將對水體產(chǎn)生長期的、潛在的影響。

2 國內(nèi)外路表徑流主要處理方法及局限

目前國內(nèi)處理路表徑流的方法主要有植被控制、濕式滯留池、滲濾系統(tǒng)和濕地。由于我國幅員遼闊，各地氣候不盡相同，在北方特別是西北地區(qū)利用植被控制、濕地對路表徑流污染進行控制存在實際困難;傳統(tǒng)的濕式滯留池和滲濾系統(tǒng)由于需要占用大片的土地，而我國卻存在著土地資源嚴重不足的矛盾，因此此類方法也未得到大范圍推廣。目前一些科研機構(gòu)也推出一些新型、高效的處理技術(shù)處理路表徑流，例如高效纖維過濾技術(shù)、改性硅藻精土處理技術(shù)、膜分離技術(shù)等。但是此類技術(shù)雖然短時間內(nèi)能取得較為顯著的效果，但是也存在維持效果所需成本較高的缺點。

3 蛭石對污染物處理效果分析

蛭石是指結(jié)構(gòu)單元層為2∶1型的三八面體和二八面體硅酸鹽，其化學通式可表示為:Mgx(H2O){Mg3－x(AlSiO3O10)(OH)2}。蛭石的晶體結(jié)構(gòu)是由3個基本結(jié)構(gòu)層組合的結(jié)構(gòu)單元層重復堆積而成，每個結(jié)構(gòu)單元層中，中間為硅氫氧鋁鎂層，上下基本層均為硅氧四面體，層間具有水分子及可交換性陽離子，這種結(jié)構(gòu)特點使蛭石具有很強的陽離子交換能力。中國有儲量豐富的蛭石礦資源，新疆尉犁且干布拉克蛭石礦床是目前國內(nèi)發(fā)現(xiàn)的最大蛭石礦床，估計總地質(zhì)儲量居世界第二，天然蛭石具有儲量豐富、價格低廉、吸附容量大，對環(huán)境無毒無害且容易再生等優(yōu)點。目前國內(nèi)對蛭石的研究應用主要集中在進行建筑材料的制備，少量應用于工業(yè)廢水處理方面，對于利用蛭石進行路表徑流處理尚無相關研究。

為了證明蛭石處治路表徑流污染的可行性，進行了一系列蛭石吸附凈化路表徑流的室內(nèi)實驗。

3.1 蛭石對重金屬離子的吸附凈化

稱取0.200 0 g(±0.000 1 g)蛭石樣品若干份，置于50 mL磨口錐形瓶中，加入50 mL濃度為20 mg/L的金屬離子溶液。將吸附時間從1 min變化到60 min，測定濾液中金屬離子的平衡濃度。每次實驗重復3次。同時，分別在不加蛭石，不加金屬離子兩種情況下做空白實驗。結(jié)果表明，兩種空白值均很小，說明金屬離子在玻璃器壁的吸附以及蛭石中溶出的Pb，Cd，Ni，Hg濃度很小，可忽略不計。

金屬離子在蛭石上的吸附速率開始時很快，越接近平衡吸附速率越慢。以Pb2+為例，在最初吸附的10 min吸附率即達到80%以上。通過對實驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，蛭石對金屬離子的吸附可用Lagergren擬二級速率方程來描述，即:

其中，Qe，Qt分別表示平衡吸附量和 t時刻吸附量，mg/g;k2為吸附速率常數(shù)，g/(mg·min)－1。對式(1)分離變量積分后得:

通過t/Qt對t作圖，可求出平衡吸附量和速率常數(shù)k2。

由圖1可見，擬二級速率方程式(2)能很好的描述蛭石對金屬離子的吸附動力學，實驗數(shù)據(jù)與方程吻合甚好，相關系數(shù)r達到0.99以上。因此，4種金屬離子在蛭石上的吸附動力學行為均符合擬二級速率方程，其吸附速率大小分別為:Ag+＞Pb2+＞Cd2+＞Ni2+。由表1可見，蛭石對重金屬離子吸附效果良好，即使是吸附速率最小的Ni2+，最終平衡吸附量也在21.98 mg/g以上。

圖 1 Pb2+，Cd2+，Ni2+，Ag+吸附速率圖

表1 蛭石對金屬離子的吸附動力學參數(shù)

3.2 蛭石對氨氮的吸附凈化作用的室內(nèi)實驗

用經(jīng)100℃干燥過的氯化銨(分析純)配制銨標準儲備液，濃度為2 000 mg/L(以NH+4計)。使用時以蒸餾水稀釋至所需濃度，并進行實測。將調(diào)配好的銨溶液，放入250 mL磨口三角瓶中，并向其加入一定量的蛭石，在室溫(20℃左右)條件下，置于恒溫振蕩器中，轉(zhuǎn)速為200 r/min，按要求在一定時間后取樣，測定NH+4-N的濃度。蛭石的吸附和離子交換作用去除氨氮，其去除水中氨氮以及再生過程的機理可用如下反應式表示:

除氨過程:Z—M++NH+4→Z—N H+4+M+。

再生過程:Z—NH+4+Na+→Z—Na++NH+4。

在室溫(20℃)條件下，取濃度分別為25 mg/L，50 mg/L，100 mg/L，200 mg/L的氯化銨標準溶液100 mL置于多個250 mL的磨口三角瓶中，向其加入2 g的蛭石，進行吸附實驗，吸附平衡后，計算蛭石的飽和吸附容量。實驗結(jié)果見表2。

表2 蛭石對不同濃度氯化銨溶液的飽和吸附容量

由表2可見蛭石對氯化銨的吸附凈化能力，隨著氯化銨溶液濃度的增加而顯著增加，吸附效果較為明顯，具有一定的實際意義。

4 蛭石吸附凈化路表徑流在實際工程中應用

作者在大慶至廣州高速公路河北省境內(nèi)衡水至大名段的排水系統(tǒng)中加入蛭石制品對收集的地表徑流進行處理。圖2，圖3分別是在邊溝、集水井中添加蛭石顆粒層對路表徑流進行處理。蛭石顆粒粒徑在15 mm～40 mm之間，當路表徑流下滲匯聚后在溝渠中流動、滲透，蛭石層可對地表徑流進行一定的吸附凈化。實踐證明蛭石顆粒層吸附凈化效果良好，能清除95%以上的重金屬離子和氨氮。

圖2 溝渠底部鋪設蛭石顆粒層

圖3 滲透（沉淀）池底部鋪設蛭石過濾層

除了設置蛭石過濾層外，為了增強吸附凈化的效果，也可以將蛭石制成如圖4所示之蛭石格柵，將其設置在滲透池、沉淀池等最終收集路表徑流設施的底部。在下滲之前增加路表徑流與蛭石材料的接觸面積，以加強吸附凈化的效果。

圖4 蛭石隔柵結(jié)構(gòu)圖（單位：cm）

5 結(jié)語

目前廣泛應用的膨脹蛭石，價格每噸僅450元左右，利用蛭石進行路表徑流的污染防治，成本大大低于其他措施，并能節(jié)約大量的土地資源，適用于中國各地不同的自然環(huán)境。對于中國這樣一個發(fā)展中國家，能夠利用儲量豐富，價格低廉的本地資源進行路表徑流污染防治，符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想。

［1］ 趙劍強，張志杰.城市道路路面徑流水質(zhì)特性及排污規(guī)律［J］.中國給水排水，2001，17(1):33-35.

［2］ 鄭 遠，賈 璐，杜豫川，等.道路路表徑流污染處理體系研究［J］.城市道橋與防洪，2007(8):155-157.

［3］ 趙劍強，孫奇清.城市道路路面徑流水質(zhì)特性及排污規(guī)律［J］.長安大學學報，2002，22(2):21-23.

［4］ 王 峰，梁成華，杜麗宇，等.天然蛭石和沸石吸附銅和鋅的特性研究［J］.沈陽農(nóng)業(yè)大學學報，2007(8):531-534.

［5］ 甘華陽，卓慕寧，李定強，等.廣州城市道路雨水徑流的水質(zhì)特征［J］.生態(tài)環(huán)境，2006，15(5):969-973.