路面清掃控制徑流重金屬污染研究*

衛(wèi)寶立， 王 琳， 馮美軍,2

(1.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.山東省交通廳公路局，山東 濟(jì)南 250001)

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路面清掃控制徑流重金屬污染研究*

衛(wèi)寶立1， 王 琳1， 馮美軍1,2

(1.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.山東省交通廳公路局，山東 濟(jì)南 250001)

以長(zhǎng)深高速濱州段作為研究對(duì)象，分析路面徑流中重金屬濃度變化規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)清掃實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)路面清掃對(duì)徑流重金屬的控制效果。研究發(fā)現(xiàn)路面降雨徑流形成初期，徑流中重金屬濃度即達(dá)到了峰值，該次降雨事件初期沖刷效應(yīng)顯著，其中Zn超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值，Pb超過(guò)Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值，兩種重金屬污染嚴(yán)重；降雨徑流中溶解態(tài)Cu、Pb、Zn的濃度占各自總濃度的比例分別為33.2%、10%和36%；降雨徑流對(duì)粒徑小于63μm和介于63～125μm之間顆粒物的沖刷作用顯著，沖刷率分別為70%和45%。清掃車對(duì)不同粒徑顆粒物的去除率由37.82%增加到98.33%，總?cè)コ蕿?6.07%。預(yù)測(cè)結(jié)果表明清掃車對(duì)溶解態(tài)Cu、Pb、Zn的去除率分別為64.76%、62.90%和58.51%。

路面清掃；降雨徑流；重金屬污染；沖刷率；重金屬去除率

公路上機(jī)動(dòng)車在行駛過(guò)程中的尾氣排放，汽車燃油在路面上的滴漏，輪胎與路面的磨損物以及其他與車輛有關(guān)的磨損會(huì)產(chǎn)生大量的重金屬，這些重金屬在晴天時(shí)累積，當(dāng)降雨形成路面徑流時(shí)，有害物質(zhì)被挾帶排入水體或農(nóng)田造成環(huán)境質(zhì)量下降[1]。研究者對(duì)徑流污染控制措施，如人工濕地和滯留池[2-4]等進(jìn)行大量研究，發(fā)現(xiàn)徑流中重金屬的控制往往達(dá)不到理想的效果。分析發(fā)現(xiàn)，這是由于人工濕地等控制措施不能有效的去除溶解態(tài)重金屬[5-6]。有關(guān)研究進(jìn)一步指出，高效的路面清掃措施是溶解態(tài)重金屬控制的有效途徑[7]。但關(guān)于路面清掃對(duì)路面徑流重金屬污染控制效果的研究較少涉及。本研究選取長(zhǎng)深高速濱州段作為研究對(duì)象，在分析高速公路路面徑流重金屬出流規(guī)律的基礎(chǔ)上，以提高溶解態(tài)重金屬控制效率為目的，對(duì)路面清掃措施進(jìn)行研究，建立溶解態(tài)重金屬削減量計(jì)算公式，計(jì)算路面清掃措施的實(shí)施對(duì)路面徑流中溶解態(tài)重金屬的控制效果。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

選取長(zhǎng)深高速公路濱州至大高段作為研究路段，研究路段為K1276+990至K1277+390的西側(cè)，該路段長(zhǎng)400m(見(jiàn)圖1)，所在區(qū)域?yàn)檗r(nóng)村居住用地，日均通車量為19566輛。該地區(qū)年降雨量平均598mm，汛期(6～9月)降雨量為456.1mm，占全年降雨量的74.2%。高速公路為瀝青路面，單向兩車道，單向路面寬13m，被中央綠化帶分割。路面雨水徑流全部由排水孔泄流至邊溝排走，排水孔每25m 1個(gè)，研究路段共有排水孔16個(gè)。所取樣品為排水孔出流水樣。

1.2 樣品采集

為了保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性，在研究路段等距離選取6個(gè)排水孔作為取樣點(diǎn)。形成路面徑流時(shí)開(kāi)始取樣，用1L的取樣瓶在排水孔收集瞬時(shí)水樣。前5個(gè)樣品每5min取1次，以后10min取1次直到降雨結(jié)束。同時(shí)，用雨量筒記錄降雨量，用秒表記錄時(shí)間。

圖1 研究路段示意圖Fig.1 The map of monitoring road

降雨前后，在研究路段內(nèi)選取6個(gè)取樣點(diǎn)，每個(gè)取樣點(diǎn)的長(zhǎng)度為2m，用吸塵器吸取距路邊沿石0.5m范圍的顆粒物。

取樣時(shí)間為2011年6月22日，該次降雨事件為雨季開(kāi)始后的第一次大強(qiáng)度的降雨事件，最大降雨強(qiáng)度0.42mm/min，降雨量為27.6mm，降雨歷時(shí)120min。

選用濱州市高速公路管理處Zoomlion路面清掃車進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)清掃實(shí)驗(yàn)，取得清掃前后路面顆粒物，計(jì)算顆粒物去除率。

1.3 樣品測(cè)定

將同一時(shí)間各取樣點(diǎn)的水樣混合，依照《水與廢水標(biāo)準(zhǔn)分析方法》[8]，測(cè)定水樣中SS的濃度；取水樣用濕式方法消解[8]，測(cè)定總Cu、Cd、Pb、Zn的濃度；另取水樣過(guò)0.45μm濾膜，測(cè)溶解態(tài)Cu、Cd、Pb、Zn。Cu和Zn采用火焰原子吸收光譜法，Cd和Pb采用石墨爐原子吸收光譜法。

去除顆粒物樣品中的樹(shù)葉，木塊，玻璃片和其他殘?jiān)瑢㈩w粒物樣品在105℃烘干24h。將顆粒物篩分，分別測(cè)定大于2000，(2000,1000)，(1000,500)，(500,250)，(250,125)，(125,64)和小于64μm等7個(gè)粒徑范圍顆粒物的量。HNO3-HF-HClO4消解法[8]消解各粒徑顆粒物，用火焰原子吸收法測(cè)消解液中的重金屬(Cu、Cd、Pb、Zn)，計(jì)算顆粒物對(duì)重金屬的吸附量。

2 結(jié)果與討論

2.1 路面徑流中重金屬出流規(guī)律

2.1.1 重金屬濃度隨產(chǎn)流的變化 重金屬總濃度反映了降雨徑流對(duì)路面顆粒物溶解和沖刷挾帶作用引起的重金屬污染量，包括懸浮顆粒吸附的顆粒態(tài)重金屬濃度和溶解態(tài)重金屬濃度。如圖2所示，重金屬Cu、Cd、Pb、Zn總濃度最大值出現(xiàn)在降雨初期(路面徑流形成后5min)，分別達(dá)到了100.9、4.78、167.6和1210.4μg/L，其中Zn超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值[9]，Pb超過(guò)Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值，兩種重金屬的污染嚴(yán)重。徑流形成1.5h之后，重金屬濃度趨于較低水平，為降雨初期的1/5～1/8，初期沖刷效應(yīng)明顯[10]。

((a)Cu、Cd；(b)Pb、Zn)圖2 重金屬總濃度出流變化過(guò)程Fig.2 Curves of total heavy metals concentrations vs. runoff time

2.1.2 重金屬賦存特征 用瞬時(shí)水樣測(cè)定結(jié)果分別計(jì)算重金屬總濃度和溶解態(tài)重金屬的事件平均濃度(EMC)[11]，事件平均濃度可以反映降雨事件的總體污染程度，用此方法可以確定整個(gè)降雨事件中，顆粒態(tài)和溶解態(tài)重金屬的關(guān)系。事件平均濃度的計(jì)算公式：

(1)

式中：M為整個(gè)徑流期間重金屬總量；V為總徑流量；c(t)為隨時(shí)間變化的重金屬濃度；q(t)為流速；ti為徑流總持續(xù)時(shí)間。受客觀條件的限制，本研究未能實(shí)測(cè)路面降雨徑流流量，但記錄了降雨開(kāi)始和徑流形成的時(shí)間，用以消除路面徑流和降雨之間的滯后性。此外，本研究對(duì)象為瀝青路面，降雨的內(nèi)滲濾和蒸發(fā)量很少，可以忽略不計(jì)，因此結(jié)果分析中扣除產(chǎn)流時(shí)間后，以降雨量權(quán)重代替徑流量計(jì)算路面徑流水質(zhì)的事件平均濃度。多個(gè)水樣中沒(méi)有測(cè)出溶解態(tài)Cd濃度，因此只對(duì)Cu、Pb和Zn的事件平均濃度進(jìn)行計(jì)算分析(見(jiàn)表1)。

溶解態(tài)Cu、Pb、Zn的事件平均濃度占總濃度的比例分別為33.2%、10%和36%。溶解態(tài)重金屬是路面徑流重金屬污染的重要組成部分，有效去除溶解態(tài)重金屬對(duì)路面徑流重金屬污染的控制有重要意義[10]。

表1 重金屬事件平均濃度Table 1 EMCs of heavy metals /μg·L-1

2.2 降雨前后路面顆粒物重金屬吸附量的變化

2.2.1 粒徑分布的變化 降雨徑流向排水孔匯集的過(guò)程會(huì)沖刷挾帶路面顆粒物，尤其對(duì)小粒徑的顆粒物沖刷作用明顯。分析降雨前后路面顆粒物，比較兩種顆粒物粒徑分布的差異(見(jiàn)圖3)。

降雨徑流對(duì)粒徑小于63μm和粒徑介于63～125μm之間顆粒物的沖刷作用顯著，兩種顆粒物的累積量分別由8.32，15.73g/m減小到2.50，7.08g/m，路面徑流沖刷率為70%和45%。隨著顆粒物粒徑的增加，顆粒物的沖刷率逐漸下降，路面徑流僅沖刷了5%的粒徑介于1000～2000μm之間的顆粒物，粒徑大于2000μm的顆粒物沒(méi)有被路面徑流沖刷。徑流污染控制措施對(duì)粒徑小于125μm顆粒物的控制效果較差[12]。若采用能夠有效去除粒徑小于125μm顆粒物的路面清掃措施進(jìn)行路面清掃作業(yè)，將從源頭上減少路面徑流中SS的量，減少后續(xù)控制措施的負(fù)荷，可實(shí)現(xiàn)對(duì)SS更為理想的控制效果。

((a)降雨前后顆粒物的粒度分布；(b)路面徑流對(duì)各粒徑顆粒物的沖刷率。(a) Particles distribution and (b) wash efficiency of road runoff on particles before and after rainfall.)

圖3 降雨徑流對(duì)顆粒物的沖刷作用

Fig.3 Wash effect of rainfall runoff on particles

2.2.2 污染物吸附量的變化 水流的沖刷以及顆粒物之間的相互摩擦作用使顆粒物表面吸附的重金屬溶解到徑流中，成為溶解態(tài)重金屬[13]，路面顆粒物重金屬吸附量減少。降雨前各粒徑顆粒重金屬吸附量減去降雨后顆粒重金屬吸附量得到重金屬吸附減少量，結(jié)果如表2。

如表2所示，受到降雨徑流的影響，各粒徑顆粒物Cu，Pb，Zn吸附量有所減少。重金屬的溶出量有隨著粒徑的增加而增大的趨勢(shì)。Zn的溶出量遠(yuǎn)高于其他3種重金屬，這與各重金屬吸附總量有關(guān)。

2.3 清掃措施控制徑流中溶解態(tài)重金屬濃度預(yù)測(cè)

清掃車對(duì)顆粒物的去除效果隨粒徑變化(見(jiàn)圖4)，63μm以下顆粒物去除率為37.82%，清掃效果隨著粒徑的增大而增加，粒徑大于2000μm時(shí)，去除率為98.33%，顆粒物的總?cè)コ蕿?6.07%。

表2 各粒徑顆粒物重金屬吸附減少量Table 2 Decrease of heavy metals adsorption amount on particles surface

圖4 清掃車清掃效果

Sutherland[7]研究指出，若清掃措施能夠有效去除路面累積顆粒物，則降雨徑流中溶解態(tài)和顆粒態(tài)的重金屬都將得到有效的控制。以此為理論依據(jù)，通過(guò)上文對(duì)降雨徑流中重金屬濃度和降雨前后路面顆粒物變化的分析，建立溶解態(tài)重金屬削減量計(jì)算公式，以路面清掃實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，預(yù)測(cè)路面清掃對(duì)溶解態(tài)重金屬的去除率。路面清掃對(duì)進(jìn)入徑流的溶解態(tài)重金屬削減量計(jì)算公式為：

(2)

式中：△ρ為路面清掃引起的徑流中溶解態(tài)重金屬濃度的削減值(mg/L)；△M溶解態(tài)為重金屬削減總量(mg)；V為路面徑流體積(L)；Pi為路面清掃對(duì)不同粒徑顆粒物的去除率；△ci為各粒徑顆粒物吸附重金屬的變化量(mg/g)；mi為各粒徑顆粒物在路面的累積量(g)。

由表2中各粒徑顆粒吸附重金屬減少量與路面顆粒累積量得到各重金屬的總?cè)艹隽浚髦亟饘倏側(cè)艹隽砍越涤陱搅髦腥芙鈶B(tài)重金屬事件平均濃度得到V；公式2其他參數(shù)如上文所述。

路面徑流溶解態(tài)重金屬濃度的削減量除以溶解態(tài)重金屬的事件平均濃度，得到路面清掃對(duì)溶解態(tài)重金屬的去除率(見(jiàn)表3)。

表3 清掃措施對(duì)溶解態(tài)重金屬的控制效果

Note:①Heavy metals;②Removalrate

若采取路面清掃，徑流中溶解態(tài)Cu、Pb和Zn分別可減少64.76%、62.90%和58.5%(見(jiàn)表3)。雖然小粒徑顆粒物去除率偏低(見(jiàn)圖4)，但是大顆粒對(duì)溶解態(tài)重金屬的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于細(xì)顆粒，路面清掃可有效去除路面累積的大顆粒，從而達(dá)到有效去除徑流中溶解態(tài)重金屬的目的。

3 結(jié)論

(1)高速公路路面降雨徑流重金屬“初期沖刷”效應(yīng)顯著，降雨初期，徑流中重金屬Cu、Cd、Pb、Zn的濃度分別達(dá)到了100.9、4.78、167.6和1210.4μg/L，污染嚴(yán)重。

(2)降雨徑流中重金屬分為溶解態(tài)和顆粒態(tài)兩種賦存狀態(tài)。溶解態(tài)Cu、Pb、Zn的事件平均濃度分別占3種重金屬事件平均總濃度的33.2%、10%和36%。

(3)降雨徑流的沖刷挾帶和溶解作用改變了路面累積顆粒物的粒度分布及顆粒物對(duì)重金屬的吸附量；降雨徑流對(duì)顆粒物的沖刷作用受顆粒粒徑影響顯著。

(4)路面清掃對(duì)粒徑小于125μm顆粒物的有效去除可以控制降雨徑流中的SS，對(duì)大粒徑顆粒物的去除則影響溶解態(tài)重金屬的控制效果。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，路面清掃對(duì)溶解態(tài)Cu，Pb和Zn的去除率分別為64.76%,62.90%和58.51%。

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責(zé)任編輯 徐 環(huán)

Research on Road Sweepers Treating Runoff Heavy Metals Pollution

WEI Bao-Li1, WANG Lin1, FENG Mei-Jun1, 2

(1. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Highway Bureau of Transportation Department of Shandong Province, Jinan 250001, China)

Based on the study results of Changshen highway in Binzhou, the discharge rules of heavy metals in road runoff were discussed, and the performance of street sweepers for treating dissolved heavy metals was predicted on the basis of this study. The results indicated that the concentrations of heavy metals reached peaks in the initial road runoff, which exhibited a pronounced first flush in this rainfall event. Concentrations of Zn and Pb exceeded class Ⅲ and Ⅴ of water quality standards, respectively, the pollution extent of Zn and Pb are seriously. The ratio of dissolved Cu, Pb and Zn were 33.2%, 20% and 36%, respectively. Road runoff scoured 70% particles smaller than 63μm and 45% particles ranged from 63 to 125μm. The removal efficiency of road sweepers on long-term build-up particles of different size increased from 37.82% to 98.33%, with total removal efficiency 86.07%. The result calculated by formula of dissolved metals reduce volume indicatesd that the removal efficiency for dissolved Cu, Pb and Zn were 64.76%, 62.90% and 58.51%.

road sweeping; rainfall runoff; heavy metal pollution; wash-off efficiency; removal efficiency for heavy metals

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2008ZX07010-008-04)；山東省科技攻關(guān)項(xiàng)目(2009GG20006010)資助

2014-03-31；

2014-09-22

衛(wèi)寶立(1988-)，男，博士生，主要從事高速公路徑流污染及控制措施研究。E-mail：weibaoli10@126.com

X522

A

1672-5174(2015)05-082-05

10.16441/j.cnki.hdxb.20140109