功能型生態(tài)濾床技術(shù)處理高速公路橋面徑流

□文/苗 乾 張 帆 周 盛

高速公路運營期，在暴雨天氣下，雨水降落在橋面形成地表徑流，沖刷、淋洗、富集、運移一系列污染物，這些污染物排入周邊河流、湖泊、濕地等水體，影響受納水體水質(zhì)，造成地表水體污染[1～2]。此外，高速公路危險化學品車輛的傾覆，會對傾覆點周邊生態(tài)環(huán)境造成嚴重影響，因此橋面初期雨水的污染治理尤為必要。

1 主要污染物構(gòu)成

橋面徑流沖刷、淋洗、富集、運移一系列污染物主要包括有機物、顆粒物、油類、營養(yǎng)物質(zhì)、重金屬等，見表1。

表1 高速公路橋面徑流的主要污染物濃度 mg/L

另外在北方嚴寒地區(qū)，冬季降雪后融雪劑的使用，導致大量無機鹽進入水體或路域土壤中，造成河流、湖泊及水庫的水質(zhì)下降；這些對公路沿線水資源的破壞和污染一旦產(chǎn)生，就很難恢復(fù)[3]。

2 治理目標

通常從降雨初期到形成徑流的30 min 內(nèi)，雨水中的懸浮物和油類物質(zhì)的濃度比較高；30 min后，其濃度隨著降雨歷時延長下降較快；降雨歷時40～60 min后，路面基本被沖洗干凈，路面徑流污染物的濃度相對穩(wěn)定在較低水平；因此，治理的目標主要是前30 min內(nèi)的初期雨水[4～5]。

國家環(huán)保部華南環(huán)保所曾對路面徑流污染情況進行過試驗，采用人工降雨方法形成路面徑流，兩次人工降雨間隔時間段為20 d，車流和降雨已知，降雨歷時為1 h，降雨強度為81.6 mm，在1 h 內(nèi)按不同時間采集水樣，最后測定分析路面污染物變化情況，見表2。

表2 不同時間段路面徑流中污染物濃度測定值mg/L

由表2 可以看出，橋面徑流的治理目標為前30 min之內(nèi)的徑流，后面的雨水基本不需治理，可以直接進入周圍生態(tài)溝或邊坡。

3 傳統(tǒng)治理方法

3.1 沉淀池和應(yīng)急池組合

此種方案是較早期的一種設(shè)計，應(yīng)急池用來處理事故用，沉淀池的基本作用是通過物理沉淀減少SS和部分COD等污染物，主要依賴自然蒸發(fā)來減少橋面徑流對周邊生態(tài)環(huán)境的影響。但此種方法對初期橋面徑流的污染物去除能力非常有限[6]。

3.2 調(diào)節(jié)池和人工濕地組合

調(diào)節(jié)池除可以對橋面徑流進行充分的沉淀和混合外，還可以臨時收納意外泄漏的危險品。人工濕地處理系統(tǒng)凈化主要是通過大型水生植物吸收附著在植物和土壤上的微生物，降解橋面徑流中的污染物，具有處理徑流污水和美化環(huán)境等作用。但在北方較為干旱地區(qū)，這種方式有極大的局限性。我國北方地區(qū)冬季氣溫普遍較南方低，導致人工濕地中水生植物不能存活；此外，低溫環(huán)境下濾料和土壤板結(jié)嚴重，導致水流不通，最終將導致人工濕地處理失效。見圖1。

圖1 北方地區(qū)失效的人工濕地

即使是在雨水較為充沛的南方地區(qū)，人工濕地也是需要定期翻曬濾料和更新濾料等維護，后期較高的運營成本。

3.3 生態(tài)邊溝和生態(tài)種植槽等

生態(tài)種植槽從上到下依次由表面綠化植物、種植土壤、配置填料和蓄水塊石層構(gòu)成，自然降雨和路面匯集的徑流進入種植槽內(nèi)，經(jīng)過植被控制、植物根系吸收、土壤吸附、填料過濾和微生物降解達到對凈化效果。見圖2。

圖2 生態(tài)種植槽剖面

降雨達到一定量后，進入底層的塊石儲水空間進行靜置、存儲，待缺水時儲存的雨水又供給植物生長需要。此方法是一種兼具排水、凈水、蓄水、節(jié)水等功效的方法；缺點同樣來自于北方氣候的不適應(yīng)性和植物吸收效率的不可控性。

4 功能型生態(tài)濾床技術(shù)

4.1 原理

功能型生態(tài)濾床主要填充材料是功能性催化生物載體，而不是傳統(tǒng)的濾料和砂土。系統(tǒng)對污染物的消除是通過濾床內(nèi)的填充材料，而不是植物。濾床內(nèi)主要填充材料是專利技術(shù)“鐵基質(zhì)催化活性生物載體”，見圖3。

圖3 鐵基質(zhì)催化生物載體的生物膜形態(tài)

通過鐵基質(zhì)催化活性生物載體放熱過程，促進濾床內(nèi)填料的化學、生物耦合作用，將污水中有機物、氮、磷和重金屬懸浮物等污染物徹底去除。初期雨水經(jīng)過收集漕流入沉淀池，然后翻過隔墻，經(jīng)布水管從上至下均勻穿過濾床各層填料，在濾池停留3～5 d 后即可滿足排放，經(jīng)泵提排入排水邊溝。見圖4。

圖4 功能型生態(tài)濾床剖面

此載體可以綜合生物膜的生物降解功能和鐵碳(Fe-C)內(nèi)電解電化學反應(yīng)功能，是養(yǎng)與異養(yǎng)耦合的污水深度處理技術(shù)，廣泛適用于不同的氣候條件。

主要作用機理為：

1）絡(luò)合作用，連續(xù)釋放的亞鐵離子成為絡(luò)合劑；

2）混凝作用，連續(xù)釋放的亞鐵離子成為高效的混凝劑；

3）還原作用，產(chǎn)生的新生態(tài)氫使一些顯色基團脫色；

4）氧化作用，產(chǎn)生一定量的新生態(tài)氧，具備很強氧化性，可氧化部分有機物。

4.2 工藝流程

工藝主要分三部分：橋面徑流經(jīng)過導流池至初沉池；經(jīng)過初沉池后至生態(tài)濾床；經(jīng)過生態(tài)濾床處理后至達標后排放。見圖5。

1）導流池：主要作用是將需要處理的橋面徑流導流至橋面徑流處理池中，主要為橋下U型槽。

圖5 橋面徑流處理工藝流程

2）初沉池：主要作用是去除可沉物和漂浮物，減輕后續(xù)處理設(shè)施的負荷，使細小的固體絮凝成較大的顆粒，強化固液分離效果；對膠體物質(zhì)具有一定的吸附去除作用。一定程度上，初沉池可起到調(diào)節(jié)池的作用，對水質(zhì)起到一定程度的均質(zhì)效果，減緩水質(zhì)變化對后續(xù)生化系統(tǒng)的沖擊。

3）生態(tài)濾床：由鐵基質(zhì)填料、火山巖、透水箅子和布水管組成。鐵基質(zhì)填料和火山巖的在放熱過程中，促進濾床內(nèi)填料的化學、生物耦合作用并將污水中有機物、氮、磷和重金屬懸浮物等污染物徹底去除。透水箅和布水管則使得橋面徑流和鐵基質(zhì)填料和火山巖充分接觸。

5 結(jié)論

功能型生態(tài)濾床處系統(tǒng)內(nèi)高效水處理填料催化反應(yīng)及微生物新陳代謝的作用，去除受污染雨水中的有機物。通過工程實際應(yīng)用顯示效果良好，該項技術(shù)經(jīng)濟效益和環(huán)境效益顯著，主要結(jié)論如下：

1）功能型生態(tài)濾床處系統(tǒng)運行成本低，不需要人工加藥或更換濾料、翻曬等維護；

2）后期維護方便高效，無需派人值守，除了正常的提升泵放空外，無其他動力設(shè)備；

3）載體壽命長，損耗很小，5 a 之內(nèi)不需要對載體進行補充和更換；

4）占地較小，是人工濕地占地面積的1/2；

5）出水水質(zhì)符合相關(guān)標準中pH、COD、氨氮、總磷、總氮、石油類等物質(zhì)的排放限值要求。