桥面径流污染物测试试验及处理方法研究

2022-06-18武新成陈学平姚嘉林

北方交通 2022年6期

武新成，陈学平，简丽，姚嘉林

(1.新疆交通建设集团股份有限公司乌鲁木齐市 830016； 2.交通运输部科学研究院北京市 100029)

0 引言

早期建设的一些跨河桥梁桥面径流大多直排进入水体中，给敏感水体的水质安全带来巨大的隐患，一旦发生诸如危险品运输泄漏事故，后果将不堪设想。我国原国家环境保护总局、国家发展和改革委员会及原交通部等三部委在2007年联合下发的《关于加强公路规划和建设环境影响评价工作的通知》(环发〔2007〕184号)要求“涉及敏感水体的桥梁在保证安全和技术可行的前提下，应在桥梁上设置桥面径流收集系统，并在桥梁两侧设置沉淀池，对发生污染事故后的桥面径流进行处理”[1-2]。对霍尔果斯至都拉塔口岸公路伊犁河三道河子特大桥桥面径流搜集工程开展实验研究，搜集桥面沉积物与桥面径流，进行污染物粒径分析、桥面径流沉降性能试验、溶解性试验以及加药混凝试验，通过污染物处理试验，选择适宜的桥面径流处理工艺，以达到危险品应急处理，增强敏感水体桥面径流防范能力的目的。

1 公路桥面沉积物与桥面径流样品采集

1.1 桥面沉积物样品采集

采用宽面取样[3]：随机选取三点，以各采样点泄水孔为基点，选取长3.3m、宽3m的矩形区域10m2；每侧采样面积50m2，在天气晴朗、路面干燥时使用车载吸尘器从路中线向边侧吸取细小尘土和颗粒，用软毛刷仔细将滤网上的附着物扫入取样袋中，并进行编号。

1.2 桥面径流样品采集

在大桥桥面径流主汇水管收集池的末端安装了一处取样阀门，在降雨时或人工洒水模拟降水实施取样，单次洒水量按1h降雨2～4mm并结合洒水区域面积进行折算[4]。桥面径流集水管形成稳定进水5min后开始取样，对样品进行编号。

2 桥面沉积物与桥面径流测试试验

试验内容主要有桥面沉积物粒径分布试验、桥面径流沉淀试验、桥面径流过滤试验、加药絮凝试验，主要关注化学需氧量(COD)、悬浮颗粒物(SS)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)以及锌(Zn)、铜(Cu)、铅(Pb)等重金属指标[5]。

2.1 桥面沉积物颗粒分析试验

通过定量筛分称重的方法测定了桥面沉积物样品的粒径分布情况，实验结果见表1。

表1 桥面沉积物粒径分布及其质量占比

2.2 桥面沉积物沉降性能试验

样品干燥后通过不同孔径的网筛分层筛分出小于106μm、106～280 μm、280～500 μm、500～800 μm、800～1430 μm、1430～3000 μm 6个不同粒径范围的土样，与未经筛分的原土样分别进行称重和定量配水。取50g各组土样加入蒸馏水1L充分搅拌后静置2h，分别取沉淀前后的悬浊液和上清液进行SS、COD等各项指标的测量。

2.2.1沉淀前后的SS含量

桥面径流混浊液SS含量为2235mg/L，沉淀2h后上清液SS降至263mg/L，去除率约为88.23%。各级粒径颗粒物配水沉淀前后SS去除率和上清液中SS的含量如图1所示。其中SS去除率随着粒径增大从81%升至97%。

图1 各级粒径上清液SS含量及其去除率

随着粒径的增大，沉淀后上清液中SS的含量从472mg/L减少至43mg/L。粒径小于500μm颗粒物上清液SS含量均在300mg/L以上，是粒径大于800μm颗粒物的6倍左右，当粒径小于280μm后，沉淀工艺对桥面径流中SS的去除效果明显降低。

2.2.2沉淀前后的有机污染物含量

桥面径流混浊液COD含量为941.8mg/L，沉淀2h后上清液COD降至278.7mg/L，综合去除率约为70.4%。各级粒径颗粒物配水沉淀前后COD去除率和上清液中COD的含量如图2所示。沉淀后COD的去除率随着粒径增大从76%降至46%，呈现显著的下降趋势，即粒径越大随颗粒物沉淀去除的COD比例越小。各级粒径的COD沉淀去除率差异较大，NH3-N的含量在沉淀前后基本没有变化，TP通过沉淀约有80%的整体去除率。NH3-N和TP均未表现出沉淀去除率与颗粒物粒径大小的明显相关性。

图2 各级粒径上清液COD含量及其去除率

2.2.3沉淀前后的重金属污染物含量

根据对原土样配水沉淀前后的重金属测定，Zn和Cu的沉淀去除率分别为60.32%和60.70%，Pb的沉淀去除率为18.36%，各级粒径颗粒物配水沉淀前后重金属(Zn、Cu、Pb)去除率和上清液中重金属的含量如图3所示。

图3 各级粒径颗粒物上清液重金属含量及其去除率

2.3 加药混凝试验

2.3.1加药混凝实验方案

取桥面径流沉淀后上清液进行加药实验，加入药剂搅拌均匀5min后，静沉30min。药剂选用聚合氯化铝(PAC)和聚合硫酸铁(PFS)两种，加药剂量选取10、30、50、70 mg/L，并对两种变量进行正交实验[6]。对上述各过程中和出水的COD、浊度(单位：NTU)和重金属进行测定。

2.3.2加药混凝结果分析

径流样品沉淀后上清液测得浊度为77.45NTU，COD浓度为125.4mg/L， Zn含量为0.3421mg/L，Cu含量为0.0449mg/L。加药混凝沉淀后，浊度和各类污染物都有明显下降，结果如图4所示。

图4 加药混凝沉淀后上清液的COD和浊度

从达标排放的角度，加入两种絮凝剂后COD浓度均低于80mg/L，满足GB 8978—1996的一级排放标准。根据以上结果分析，添加50mg/L的PAC作为絮凝剂能够起到相对更好的去除效果。在这一加药条件下，对COD浓度可降至36.12mg/L，浊度降至7.96NTU，Zn含量降至0.1737mg/L，Cu含量降至0.0192mg/L，各类污染物去除率见表2。

表2 沉淀上清液添加PAC50mg/L的絮凝沉淀去除率

2.3.3过滤结果分析

将沉淀上清液以不同流速通入滤柱过滤后，分别对COD和浊度的测定结果如图5所示。过滤对COD有明显的去除效果，两种滤料对COD的去除效果相近，石英砂对浊度的去除效果比EPS滤料更好，随着流速上升过滤的去污效果稍有下降。

图5 上清液过滤后的COD和浊度

从达标排放的角度来看，过滤后COD浓度均低于80mg/L，满足GB 8978—1996的一级排放标准。石英砂过滤后Zn和Cu的含量分别为0.1789mg/L和0.0236mg/L，EPS滤料过滤后Zn和Cu的含量分别为0.1907mg/L和0.0247mg/L，均满足GB 3838—2002的II类水质标准。

2.3.4加药混凝实验结果分析

在加入适宜的剂量和絮凝剂种类的前提下，加药混凝对COD的去除效果明显高于过滤处理对COD的去除效果[7]；两种处理手段都能将沉淀上清液的COD浓度从125.4mg/L降至80mg/L以下，即处理后达到排放标准；对浊度的降低率都远高于40%，可以满足SS达标排放的要求。沉淀上清液按50mg/L剂量添加PAC絮凝剂，通过石英砂滤柱和EPS滤料滤柱，过滤液测定结果如表3所示。

表3 混凝沉淀+过滤处理的出水指标测定及其去除率

试验表明，采用石英砂过滤的组合效果整体略好于采用EPS滤料过滤的组合，尤其是对于重金属Zn，前者比后者的去除率高约18%；两种组合对浊度的降低率都在90%以上，混凝沉淀+石英砂过滤组合的浊度降低率甚至高达98%，充分满足SS的排放要求；两种组合对COD的去除率非常接近，77%以上的去除率也能够充分满足COD的排放要求。

3 污染物处理方法选择

根据上述的污染物去除要求和工程现场的管理养护条件，确定径流处理方案以常规的物化处理为主，即沉淀、过滤和加药混凝，三种处理方法的比较如表4所示。

表4 沉淀、过滤和加药混凝的特点比较[8-9]

沉淀是去除径流污染物的最基本、最简单易行的手段，但对微小颗粒及其结合态污染物的去除效果较差，单独的沉淀处理无法使径流中的SS和COD达到排放标准[10]；过滤能够有效去除径流中的细小颗粒及其携带的污染物，并使出水的SS和COD满足排放要求，但也会增加反冲洗、填料更换等维护和运行成本[5]；加药混凝较上述两种处理方法更加复杂，需要在系统中设置自动加药装置，会增加系统的不稳定性，会增加维护难度和运行成本。

从处理效果来看，加药混凝+过滤拥有最佳径流净化效果，由于加药混凝需要在径流处理系统中加入投药装置，增加系统运行所需的维护成本，EPS漂浮型滤料比重很轻，更加易于补充和更换，成本也相对低廉，因此在过滤处理中选择EPS漂浮型滤料作为过滤材料。