城市道路徑流中重金屬污染現(xiàn)狀及控制策略★

韋毓韜 熊家祺 張校源 劉 麗 李文婷 胡險(xiǎn)峰 姜應(yīng)和

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070)

隨著城市的快速發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的加快，受汽車(chē)的普及以及大量廢棄物丟棄等人為活動(dòng)的影響，大量重金屬污染物以顆粒物或溶解態(tài)的形式附著在地面，經(jīng)過(guò)降雨沖刷后，使城市受納水體受到較嚴(yán)重的面源污染[1]。目前我國(guó)所面臨的面源污染的主要問(wèn)題為水體的黑臭現(xiàn)象[2]，目前眾多地方針對(duì)黑臭水體現(xiàn)象已經(jīng)開(kāi)始了有效的研究和治理。但在面源污染中，仍存在一些表觀不明，且具有長(zhǎng)期危害性和累積性的的污染，如重金屬污染。我國(guó)開(kāi)展重金屬監(jiān)測(cè)的地區(qū)主要集中在一些重要城市，結(jié)果表明這些地區(qū)都受到不同程度的重金屬污染，但對(duì)于重金屬污染的治理工作開(kāi)展得卻少之又少。本文研究主要針對(duì)Cu,Zn,Cd,Pb等重金屬，通過(guò)對(duì)其來(lái)源、分布以及遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程的分析，提出一些對(duì)道路徑流中重金屬污染控制的措施。

1 重金屬的來(lái)源及危害

城市道路徑流污染作為面源污染的一部分，其所含污染物成分的含量與其危害程度相關(guān)。道路表面會(huì)受汽車(chē)尾氣的排放、油脂的泄漏和輪胎的磨損等影響累積大量的懸浮顆粒物、重金屬和多環(huán)芳烴等污染物質(zhì)[3]，同時(shí)一些廢水的散排、大氣降塵、土木工程施工、廢棄物的丟棄等都會(huì)產(chǎn)生不同程度的重金屬污染。

重金屬具有不可降解性，一旦產(chǎn)生就難以消除，且重金屬對(duì)環(huán)境和人體的危害極大，重金屬污染物經(jīng)道路徑流沖刷排入受納水體后，在藻類(lèi)與底泥中累積，被魚(yú)類(lèi)與貝類(lèi)吸收，從而會(huì)在水環(huán)境中隨食物鏈傳遞而逐級(jí)放大，Cu，Zn，Cd雖然為人體必需的元素，但如果人體攝入過(guò)量，會(huì)對(duì)身體有不同程度的危害。Pb不是人體的所必需的元素成分，攝入人體后只會(huì)對(duì)人體有害，值得特別注意的是重金屬對(duì)人體的危害是不可逆轉(zhuǎn)的[4]。

2 道路徑流中重金屬污染現(xiàn)狀

我國(guó)城市雨水徑流面源污染研究起步較晚，20世紀(jì)80年代首先在北京開(kāi)始，隨后在杭州、蘇州、南京、西安、青島等城市相繼開(kāi)展過(guò)相關(guān)研究[5]，我國(guó)一些主要城市曾對(duì)道路徑流中重金屬污染進(jìn)行過(guò)監(jiān)測(cè)，相關(guān)的監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示[6-13]。

表1 各城區(qū)道路雨水徑流中重金屬含量

從監(jiān)測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，烏魯木齊與沈陽(yáng)的重金屬污染程度低于其他幾個(gè)城市，我國(guó)多數(shù)城區(qū)雨水徑流中的重金屬污染高于國(guó)外一些城區(qū)，其中以合肥市經(jīng)開(kāi)區(qū)路面徑流中Pb，Cd的污染程度最為嚴(yán)重。

重金屬污染物在自然界中會(huì)以顆粒物、游離態(tài)、共價(jià)結(jié)合態(tài)、絡(luò)合配位態(tài)以及超分子結(jié)合態(tài)的形式存在，在道路表面重金屬大部分常以顆粒狀和粉塵的形式附著在地表面上。經(jīng)過(guò)雨水沖刷，使道路徑流中的重金屬含量提高，道路徑流排入受納水體后，重金屬會(huì)在受納水體中富集，使得水體受到重金屬污染。在環(huán)境—植物—人體的循環(huán)模式中，最終對(duì)人體自身產(chǎn)生不可消除的影響。

3 道路徑流重金屬污染的控制策略

雨水徑流中重金屬污染一般不高，所以其治理方法不同于工業(yè)污水中重金屬治理的方法，可以通過(guò)源頭控制、遷移途徑控制和終端控制等方法來(lái)減少雨水徑流中的重金屬污染。

3.1 源頭控制

源頭控制是指從源頭上控制污染物的排放，將排放的污染物量盡可能降至最低值。

重金屬污染物主要來(lái)源為工業(yè)排放以及汽車(chē)尾氣。對(duì)于工業(yè)排放，企業(yè)本身應(yīng)控制每日排放量，盡可能地降低污染物水平；同時(shí)加大管理，將重金屬排放納入實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)于超標(biāo)或違反規(guī)定的企業(yè)給予嚴(yán)重處罰。汽車(chē)尾氣污染主要是含鉛汽油的燃燒氧化，汽油中約70%的鉛可通過(guò)汽車(chē)排氣管進(jìn)入大氣。雖然我國(guó)從2000年開(kāi)始全面推行無(wú)鉛汽油，但在2006年一次對(duì)車(chē)用無(wú)鉛汽油產(chǎn)品質(zhì)量抽樣調(diào)查中發(fā)現(xiàn)[14]，90號(hào)無(wú)鉛汽油合格率為78.6%，93號(hào)無(wú)鉛汽油合格率為80.6%。由此可以看出，無(wú)鉛汽油的推行并沒(méi)有全面落實(shí)，所以仍然需要加強(qiáng)對(duì)無(wú)鉛汽油的管理。

3.2 遷移途徑控制

遷移途徑控制指在雨水徑流污染物的輸送和擴(kuò)散途徑中，采取一定的措施，減少排入水體的污染物量。增大路面透水率和透水面積，通過(guò)路面集料對(duì)道路雨水徑流中重金屬進(jìn)行吸附、沉淀及靜電吸引，可去除徑流中的重金屬，從而降低道路徑流對(duì)受納水體造成的重金屬污染。

Legret M[15]的研究發(fā)現(xiàn)，透水性瀝青路面對(duì)徑流中固體顆粒物的阻流作用可以提高其對(duì)重金屬去除作用效果。趙曜[16]對(duì)3種不同 組成的透水性瀝青路面進(jìn)行過(guò)重金屬去除研究，道路由透水性瀝青面層、透水性瀝青穩(wěn)定碎石基層、土木織物和蓄水層構(gòu)成，蓄水層分別用粗集料玄武巖集料、細(xì)集料石灰?guī)r集料以及粗細(xì)結(jié)合的石灰?guī)r和玄武巖集料；采用人工降雨的方式，配制含Pb,Zn溶液的初始水樣，經(jīng)過(guò)透水性瀝青路面模型的過(guò)濾，采集過(guò)濾后徑流樣品，三種不同類(lèi)型的路面模型對(duì)Pb,Zn的去除率如表2所示。由表2可知，粗細(xì)集料結(jié)合的蓄水層形式對(duì)兩種重金屬的去除效果最佳，兩種集料對(duì)重金屬Pb的去除效果改善有限，對(duì)Zn的去除效果改善良好。透水性路面不僅可以起到降低徑流重金屬污染的效果，同時(shí)對(duì)補(bǔ)充地下水也可起到一定的作用。

表2 透水性瀝青路面對(duì)重金屬的去除率 %

除了采用透水性路面可以起到去除道路徑流中的重金屬外，復(fù)合生物滯留技術(shù)也能起到對(duì)道路徑流重金屬的去除作用。生物滯留池對(duì)徑流的凈化主要是通過(guò)填料的過(guò)濾與吸附，植物根系的吸收來(lái)實(shí)現(xiàn)。生物滯留技術(shù)具有高效的水量削減和水質(zhì)控制作用，并且還兼具生態(tài)功能和景觀效果，在許多城市都得到了應(yīng)用。MUTHANNA等[17]通過(guò)對(duì)挪威3條不同類(lèi)型道路生物滯留池重金屬濃度的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，生物滯留池對(duì)融雪水中顆粒態(tài)的Cu,Zn,Pb,Cd的最高去除率分別為90.4%,97.5%,99.4%,94.1%。

3.3 終端控制

城市道路形成的雨水徑流，可以通過(guò)收集進(jìn)入市政管網(wǎng)，并對(duì)其中的重金屬污染物進(jìn)行專門(mén)的處理。人工濕地技術(shù)是通過(guò)模擬自然濕地而人為設(shè)計(jì)與建造的，具有可控性和工程化特點(diǎn)，以基質(zhì)、植物和微生物協(xié)同通過(guò)物理、化學(xué)和生物作用進(jìn)行污水處理的自然生態(tài)系統(tǒng)[18]。利用人工濕地技術(shù)去除徑流中的污染物，是終端控制重金屬污染的一種有效措施。

A.Ghermandi等[19]通過(guò)自由水面人工濕地技術(shù)處理廢水發(fā)現(xiàn)，自由水面人工濕地對(duì)BOD,COD,TSS以及重金屬都有一定的去除效果，其中對(duì)重金屬Cu,Zn,Cd,Pb的去除率分別為39%,37%,32%和20%。由此可見(jiàn)，自由水面人工濕地技術(shù)對(duì)重金屬的去除率雖然不高，但仍具有一定的去除效果。

曹婷婷[20]對(duì)皂河5種不同工藝的人工濕地對(duì)重金屬的去除進(jìn)行過(guò)研究，試驗(yàn)采用連續(xù)進(jìn)水的方式，由泵將皂河河水提升至配水井，由配水井向各系列配水，經(jīng)過(guò)各系列處理之后的污水匯集到集水池之后排入皂河中，人工濕地上種植的植物為蘆葦。不同系列對(duì)不同重金屬的去除率如表3所示。從表3可知，各系列的復(fù)合型人工濕地對(duì)重金屬Cd,Pb的去除率均較高且穩(wěn)定，具有表面流組成的人工濕地對(duì)Cu,Zn的去除率不是很穩(wěn)定，且系列5中Cu,Zn在出水口的含量較進(jìn)水口高，可能是皂河人工濕地運(yùn)行時(shí)間過(guò)久，運(yùn)行期間并未對(duì)人工濕地內(nèi)的基質(zhì)和植物根部進(jìn)行處理，使人工濕地內(nèi)的基質(zhì)和植物根部等吸附介質(zhì)接近飽和狀態(tài)，基質(zhì)中Cu,Zn含量較高，釋放速率大于吸附速率，導(dǎo)致出水口中的Cu,Zn濃度升高[21]。

表3 人工濕地對(duì)重金屬的去除率 %

4 結(jié)語(yǔ)

道路徑流中的重金屬污染來(lái)源較廣，其危害是漸漸的、長(zhǎng)遠(yuǎn)的和不可逆的，必須對(duì)該污染加以控制。道路徑流中的重金屬污染可以從源頭、遷移途徑和終端幾個(gè)方面分別加以控制。

道路徑流重金屬污染的控制技術(shù)尚處于研究階段，由于我國(guó)對(duì)這方面的研究起步較晚，加上技術(shù)與設(shè)備上的限制，許多研究并未應(yīng)用于實(shí)際工程。就現(xiàn)已取得的相關(guān)研究成果而言，仍有許多問(wèn)題值得深入研究，如對(duì)路面材料、人工濕地基質(zhì)、植物根系吸附重金屬飽和后的再生處理，重金屬的回收儲(chǔ)存及利用。水體重金屬污染目前雖然對(duì)環(huán)境及人體的危害不是很直觀，但作為一種只要產(chǎn)生就不可消除的污染，必須加以重視和嚴(yán)格控制，防止進(jìn)一步惡化。我國(guó)幅員遼闊，水資源缺乏，如何利用好現(xiàn)有的水資源，避免其受到污染，是當(dāng)今必須重視的問(wèn)題。

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